Способ полетной абсолютной радиометрической калибровки с использованием зондирующего сигнала
Владельцы патента RU 2729946:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности "Роскосмос" (RU)
Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа полетной абсолютной радиометрической калибровки. Способ включает в себя определение выходных сигналов части фоточувствительных элементов матрицы при их засветке эталонным оптическим сигналом, измерение сигналов темновых токов всех элементов матрицы и фиксирование сигналов всех элементов матрицы при их засветке внутренним калибратором. Для каждого засвеченного эталонным сигналом элемента определяют отношение выходного сигнала при засветке от внутреннего калибратора к выходному сигналу от эталонного источника и получают значение амплитуды внутреннего калибратора. Затем для всех элементов матрицы определяют коэффициенты калибровки, на которые умножается разность значений выходных сигналов всех элементов снятого изображения и сигналов, соответствующих темновым токам. Коэффициенты калибровки определяются как отношение разности выходного сигнала фоточувствительного элемента от засветки внутренним калибратором и выходного сигнала, соответствующего темновому току, к величине оптического сигнала внутреннего калибратора. Технический результат заключается в обеспечении возможности абсолютной радиометрической калибровки при засветке от внутреннего калибратора и уменьшении затрат энергии при калибровке. 1 з.п. ф-лы.
Предлагаемый способ полетной абсолютной радиометрической калибровки с использованием зондирующего сигнала оптико-электронных устройств относится к вычислительной технике, а именно к обработке изображений, и может быть использован для абсолютной радиометрической калибровки съемочной аппаратуры (СА) космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) в процессе полета по околоземной орбите.
Известен способ радиометрической калибровки (Архипов С.А. Коррекция неоднородности чувствительности аппаратуры «Гамма» в условиях эксплуатации. / С.А. Архипов, Н.А. Бутяйкин, В.М. Линько// Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы III научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2006, с. 18-21.), основанный на равномерной засветке всех фоточувствительных элементов (ФЧЭ) матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС) эталонным источником света и использующий двухточечную коррекцию, которая проводится из предположения, что зависимость выходного сигнала от входного для элементов матрицы линейна.
В процессе эксплуатации СА используются внутренние калибраторы, параметры которых в процессе полета по околоземной орбите также могут меняться, что не позволяет осуществлять достоверную полетную абсолютную радиометрическую калибровку и проводить достоверную тематическую обработку с использованием измерений яркостных характеристик.
Недостатком известного способа является необходимость обеспечения равномерной засветки всех ФЧЭ матрицы ПЗС, что не всегда возможно, особенно при калибровке крупногабаритных оптико-электронных комплексов (ОЭК), т.е. таких ОЭК, у которых большое фокусное расстояние, большая площадь входного зрачка и большое количеством ФЧЭ с их малыми размерами.
Наиболее близким по своей технической сущности является способ радиометрической калибровки (патент РФ №2642128, МПК (2006.01): G01J 1/08, G01J 1/42, 25.11.2013), заключающийся в облучении датчика освещенности светочувствительного устройства светом стандартной интенсивности, сравнении выходного сигнала интенсивности датчика с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности, а также согласовании выходного сигнала интенсивности датчика с ожидаемым сигналом за счет изменения коэффициента усиления датчика.
Недостатком этого способа является невозможность его использования в крупногабаритных оптико-электронных комплексах (ОЭК) с большим фокусным расстоянием, большой площадью входного зрачка и большим количеством оптико-электронных преобразователей с малыми их размерами из-за невозможности засветки всех ФЧЭ матрицы ПЗС.
Технический результат предполагаемого изобретения состоит в обеспечении абсолютной радиометрической калибровки всех элементов матрицы ПЗС путем засветки этих элементов оптическим сигналом внутреннего калибратора.
Для достижения технического результата в способ радиометрической калибровки, при котором осуществляют засветку части ФЧЭ матрицы ПЗС эталонным оптическим сигналом Еэ и по реакции засвеченных фоточувствительных элементов фиксируют их выходные сигналы Uэ(i, j) где i, j - координаты ФЧЭ с эталонной засветкой, после чего закрывают затвор СА и фиксируют выходные сигналы Umin(i, j) всех ФЧЭ, соответствующие темновым токам, дополнительно вводят засветку всех ФЧЭ матрицы ПЗС оптическим сигналом от внутреннего калибратора Ек, по результатам которой фиксируют выходные сигналы всех ФЧЭ Uк(i, j), для каждого засвеченного эталонным оптическим сигналом фоточувствительного элемента определяют отношение выходного сигнала при засветке от внутреннего калибратора Ек к выходному сигналу от источника эталонного сигнала Еэ, а затем получают значение амплитуды внутреннего калибратора Ек по формуле:
где О - область засвеченных эталонным сигналом ФЧЭ, а nij - количество засвеченных эталонным сигналом ФЧЭ, а затем для всех ФЧЭ матрицы ПЗС определяют коэффициенты радиометрической калибровки как отношение разности выходного сигнала этого фоточувствительного элемента от засветки оптическим сигналом внутреннего калибратора Ек и выходного сигнала, соответствующего темновому току, к величине оптического сигнала внутреннего калибратора Ек
на которые умножаются разность значений выходных сигналов всех элементов снятого изображения и сигналов, соответствующих темновым токам.
Способ полетной абсолютной радиометрической калибровки с использованием зондирующего сигнала реализуется следующим образом.
При закрытом затворе СА фиксируют выходные сигналы Umin(i, j) всех ФЧЭ, соответствующие темновым токам, и запоминают их в калибровочном кадре. Затем открывают затвор и производят засветку нескольких ФЧЭ матрицы ПЗС эталонным оптическим сигналом Еэ, интенсивность которого находится в интервале (0,25÷0,75)Emax. Засветка только нескольких ФЧЭ обусловлена невозможностью обеспечения засветки всех ФЧЭ из-за ограниченных размеров изображения, формируемого источником эталонного оптического сигнала Еэ. Затем выполняют засветку всех ФЧЭ оптическим сигналом от внутреннего калибратора. Для каждого засвеченного эталонным сигналом ФЧЭ определяют отношение выходного сигнала при засветке от внутреннего калибратора Ек к выходному сигналу от источника эталонного сигнала Еэ. Затем получают значение амплитуды внутреннего калибратора (см. выражение 1). После этого определяют коэффициенты радиометрической калибровки для каждого ФЧЭ матрицы ПЗС как отношение разности выходного сигнала этого ФЧЭ от засветки оптическим сигналом внутреннего калибратора Ек и выходного сигнала, соответствующего темновому току, к величине оптического сигнала внутреннего калибратора Ек
При съемке поверхности Земли каждый элемент полученного изображения пересчитывают с учетом полученного коэффициента калибровки
где 
- калиброванное значение сигнала элемента изображения с координатами i, j;
U(i, j) - значение выходного сигнала ФЧЭ, формирующего элемент изображения с координатами i, j.
Предлагаемый способ абсолютной радиометрической калибровки с использованием зондирующего сигнала может быть реализован при полете космического аппарата со СА по околоземной орбите. В этом случае в качестве эталонного сигнала может быть использовано изображение звезды, светимость которой хорошо известна и занесена в звездные каталоги в виде звездной величины. Однако калибровка перед каждой съемкой по звездам требует определенного маневра КА по углам ориентации, что приводит к дополнительным затратам энергии. Предлагаемый способ абсолютной радиометрической калибровки с использованием зондирующего сигнала позволяет осуществлять калибровку от внутреннего калибратора при периодическом уточнении его светимости по звездам.
Технический результат предполагаемого изобретения состоит в обеспечении абсолютной радиометрической калибровки всех элементов полученного изображения при засветке от внутреннего калибратора, что требует гораздо меньших затрат энергии.
1. Способ полетной абсолютной радиометрической калибровки с использованием зондирующего сигнала, при котором осуществляют засветку части фоточувствительных элементов матрицы приборов с зарядовой связью эталонным оптическим сигналом и по реакции засвеченных фоточувствительных элементов определяют их выходные сигналы Uэ(i, j), где i, j - координаты фоточувствительных элементов с эталонной засветкой, после чего закрывают затвор съемочной аппаратуры и фиксируют выходные сигналы всех фоточувствительных элементов, соответствующие темновым токам, отличающийся тем, что вводят засветку фоточувствительных элементов матрицы приборов с зарядовой связью оптическим сигналом Ек внутреннего калибратора, по результатам которой фиксируют выходные сигналы всех фоточувствительных элементов UK(i,j), для каждого засвеченного эталонным оптическим сигналом фоточувствительного элемента определяют отношение выходного сигнала при засветке от внутреннего калибратора Ек к выходному сигналу от источника эталонного сигнала Еэ, а затем получают значение амплитуды внутреннего калибратора Ек по формуле:
где О - область засвеченных эталонным сигналом ФЧЭ, а nij - количество засвеченных эталонным сигналом ФЧЭ, а затем для всех ФЧЭ матрицы ПЗС определяют коэффициенты радиометрической калибровки как отношение разности выходного сигнала этого фоточувствительного элемента от засветки оптическим сигналом внутреннего калибратора Ек и выходного сигнала, соответствующего темновому току, к величине оптического сигнала внутреннего калибратора Ек
на которые умножаются разность значений выходных сигналов всех элементов снятого изображения и сигналов, соответствующих темновым токам.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при полете космического аппарата со съемочной аппаратурой по околоземной орбите в качестве эталонного сигнала используют изображение звезды, светимость которой является стабильной и занесена в звездные каталоги в виде звездной величины.
