專利名稱：全天時云覆蓋圖連續(xù)成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)成像儀，可應(yīng)用在靜止軌道衛(wèi)星上獲取夜間任一時間段的可 見光云圖，監(jiān)測大氣動態(tài)變化。
背景技術(shù)：
云覆蓋圖是有重要價值的環(huán)境信息。由云覆蓋圖可以判斷天氣系統(tǒng)的演變，推測 多種重要的環(huán)境要素，如大氣穩(wěn)定度、大氣垂直運動、對流層風(fēng)速/風(fēng)向和降雨區(qū)域的分布 信息等。衛(wèi)星云覆蓋圖分為可見光云覆蓋圖(即可見光云圖)和紅外云覆蓋圖(紅外云 圖)。夜間獲取的可見光云圖又稱微光云圖。由于業(yè)務(wù)關(guān)系，氣象、導(dǎo)航和軍事部門對微光云圖都有迫切需求。目前，靜止軌道 衛(wèi)星上裝載的儀器獲取的都是白晝期間的紅外云圖和可見光云圖，微光云圖成像儀只在美 國國防氣象衛(wèi)星計劃(簡稱DMSP)和極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)(簡稱NP0ESS)上有采用，分 別是業(yè)務(wù)線掃描儀(簡稱0LS)和可見光/紅外成像輻射計套件(簡稱VnRS)。OLS面向太陽同步近極地軌道衛(wèi)星，每天可以獲取兩幅感興趣區(qū)域的云圖。OLS選 擇了擺掃方式，在它的內(nèi)部有一個掃描鏡，觀測刈幅^60km。OLS的可見光焦平面上有兩組 探測器，硅光電二極管在白天工作，光電倍增管在夜間工作。OLS的缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整個望 遠(yuǎn)鏡在不停地正掃和回掃，對星體控制是一個相當(dāng)大的擾動，另外，受光電倍增管影響，夜 間云圖的輻射質(zhì)量不高。VIIRS有22個通道，三個焦平面，使用了四種焦平面陣列，結(jié)構(gòu)比OLS更復(fù)雜。VII RS日夜云圖焦平面上使用了延時積分C⑶器件(即TDI(XD)，并且為輻射定標(biāo)配置了參考 黑體和太陽漫反射器，提高了云圖的輻射質(zhì)量。但是，同OLS—樣，VIIRS面向的也是太陽 同步近極地軌道衛(wèi)星，每天只能獲取兩幅感興趣區(qū)域云圖，不能實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)視。雖然VIIRS 沒有掃描鏡，但有一個輻射定標(biāo)使用的望遠(yuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，同樣對整星控制和動力學(xué)特性有 影響。因此，現(xiàn)有的微光云圖成像儀都面向的是太陽同步近極地軌道衛(wèi)星，均不支持天 氣系統(tǒng)演變的分析，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，在靜止軌道氣象衛(wèi)星上尚無全天時云圖成像儀器 出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、輸出圖像 質(zhì)量高的全天時云覆蓋圖連續(xù)成像儀。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是全天時云覆蓋圖連續(xù)成像儀，包括望遠(yuǎn)鏡、焦平面部 件、信號處理單元、累加控制器、輸出控制器、圖像存儲器、格式編排單元和數(shù)據(jù)接口，其 中望遠(yuǎn)鏡用于收集目標(biāo)輻射，并將目標(biāo)的像匯聚在焦平面上；焦平面部件包括全幀型面陣CCD以及供電電路和驅(qū)動電路；全幀型面陣CCD作為圖像傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；供電電路為CCD提供各種電壓和電流輸出的偏置與 供電；驅(qū)動電路經(jīng)數(shù)據(jù)接口接收外部提供的幀同步信號和位同步信號，產(chǎn)生工作時鐘并分 別送至全幀型面陣CCD、累加控制器和輸出控制器；信號處理單元有N個信號處理通道，每一個通道對應(yīng)一路CXD器件的圖像輸出， 每一個信號處理通道包括有相關(guān)雙采樣電路、低噪聲放大器電路、鉗位電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電 路；累加控制器每一個信號處理通道連接一個累加控制器，累加控制器根據(jù)驅(qū)動電 路傳來的工作時鐘，將信號處理通道輸出的數(shù)字信號向圖像存儲器中對應(yīng)的圖像存儲單元 累加存儲，并記錄對應(yīng)圖像存儲單元中飽和像素的數(shù)量；輸出控制器根據(jù)驅(qū)動電路傳來的工作時鐘，統(tǒng)計各累加控制器記錄的圖像存儲 器中的飽和像素數(shù)量總和，若飽和像素數(shù)量總和超出預(yù)設(shè)值，則將圖像存儲器中的內(nèi)容全 部讀出并送至格式編排單元；圖像存儲器有N個存儲單元，每一個存儲單元存儲CCD器件一個端口的輸出數(shù) 據(jù)，在累加控制器和輸出控制器的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)存??；格式編排單元依據(jù)傳輸通道的數(shù)量、傳輸速率和星地傳輸?shù)募s定數(shù)據(jù)格式，對傳 來的輸出數(shù)據(jù)做統(tǒng)一編排后送數(shù)據(jù)接口輸出；數(shù)據(jù)接口 接收外部提供的幀同步信號和位同步信號并送至驅(qū)動電路，向外部輸 出圖像數(shù)據(jù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于第一，本發(fā)明成像儀可以對云覆蓋情況進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)視，從黃昏一直到黎明。 在圖像存儲器、累加控制器和輸出控制器的配合下，每秒曝光一次，自動調(diào)整累加的曝光次 數(shù)，所以，儀器能夠自動適應(yīng)云體輻亮度的大范圍變化，輻射響應(yīng)靈敏度高，即使在最微弱 的月光下也可以保證不超過兩分鐘就輸出一幅質(zhì)量滿足使用要求的圖像；第二，本發(fā)明成像儀無機(jī)械快門，無活動部件，可靠性高。因為儀器位置高(36000 公里)，一臺儀器即可實現(xiàn)全中國境內(nèi)云覆蓋情況的監(jiān)視，既不需要掃描鏡也不需要擺動望 遠(yuǎn)鏡。雖然使用的是全幀型CCD器件，但是，由于云體輻亮度低，在信號電荷轉(zhuǎn)移期間無需 關(guān)閉入射光路，故無需機(jī)械快門的配合；第三，本發(fā)明成像儀圖像質(zhì)量好，在四分之一月光下信噪比可以達(dá)IOdB以上，且 輻射響應(yīng)的線性度優(yōu)于7%。本儀器集成了累加控制器、輸出控制器和圖像存儲器，在輸出 控制器控制下對曝光結(jié)果進(jìn)行累加，根據(jù)飽和像素所占比例自動調(diào)節(jié)累加的曝光次數(shù)，因 為噪聲在累積過程中的增長速度沒有信號的增長速度快，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計既適應(yīng)了云體輻射 的動態(tài)變化，又兼顧了輸出輻射響應(yīng)的高線性度和高信號噪聲比。


圖1為本發(fā)明成像儀的組成結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明累加控制器的工作流程圖；圖3為本發(fā)明輸出控制器的工作流程圖；圖4為本發(fā)明累加控制器、輸出控制器和圖像存儲器關(guān)系圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明包括望遠(yuǎn)鏡、焦平面部件、信號處理單元、累加控制器、輸出控 制器、圖像存儲單元、格式編排單元和數(shù)據(jù)接口。一、望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡主要用于收集目標(biāo)輻射，并將目標(biāo)的像匯聚在焦平面上。本發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡 選用折射光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。折射光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的主要性能參數(shù)選取原則有四項。(1)焦距設(shè)計應(yīng)結(jié)合CXD器件的像素尺寸、衛(wèi)星飛行高度和云圖分辨率要求，滿足
關(guān)系式焦距=飛彳了_。如果CCD像素尺寸為9 μ m,軌道高度36000公
5圖分辨率
里，以中心區(qū)域空間分辨率1公里考慮，焦距可以設(shè)計在420mm。(2)光學(xué)系統(tǒng)的視場角應(yīng)不小于國土東西向張角，12. 2°即可覆蓋我國全部國 土；(3)在技術(shù)和成本允許情況下，光學(xué)系統(tǒng)的孔徑和透過率應(yīng)盡可能大，提高焦平面 照度，建議F數(shù)(光學(xué)系統(tǒng)焦距與孔徑的比值)選1.4; (4)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)應(yīng)當(dāng)適中，從成本上考慮，可以設(shè)定在0. 7左右。二、焦平面部件焦平面部件包括CCD器件以及相應(yīng)的供電電路和驅(qū)動電路。CXD器件選擇全幀型CXD器件，如加拿大Dalsa公司的GALT。GALT的主要性能指 標(biāo)如下像素尺寸9μπιΧ9μπι ；像素數(shù)量=10240X10240 ；飽和電子數(shù)7Χ104 ；平均量子 效率(0. 4 1. 0 μ m) :0. 26 ；輻射靈敏度4. OV/ μ J/cm2 ；器件幀頻率IHz ；曝光時間300ms ； 轉(zhuǎn)移時間700ms ；噪聲(rms值)350 μ V(22°C條件下)；調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF) > 0. 5 (水平方 向和垂直方向)；輸出端口 20個。除CXD器件外，焦平面上還需要配置供電電路和驅(qū)動電路。供電電路根據(jù)CXD器 件各供電端口對電平和電流的要求，用DC-DC變換器件提供供電。驅(qū)動電路包括一個可編 程邏輯器件和若干專用驅(qū)動器件。可編程邏輯器件從數(shù)據(jù)接口接收位同步時鐘和幀同步時 鐘，成像的幀周期設(shè)定在1Hz，曝光時間設(shè)定在0. 3s，轉(zhuǎn)移時間設(shè)定在0. 7s，經(jīng)分頻和邏輯 運算，生成CCD工作需要的各種時鐘信號，如轉(zhuǎn)移時鐘、移位時鐘、曝光有效時鐘、門控時鐘 和信號處理單元的采樣時鐘，將轉(zhuǎn)移時鐘、移位時鐘、曝光有效時鐘和門控時鐘送專用驅(qū)動 電路放大后送CXD器件，將采樣時鐘送信號處理單元，將轉(zhuǎn)移時鐘和曝光有效時鐘送累加 控制器和輸出控制器。三、信號處理單元有N個信號處理通道，CXD器件每一個視頻輸出端口對應(yīng)一個信號處理通道。例 如，當(dāng)采用上述加拿大Dalsa公司的GALT作為CXD器件時，信號處理通道有20組，分別對 應(yīng)CXD器件的20個圖像信號輸出端口。每一個信號處理通道包括相關(guān)雙采樣電路、低噪聲 放大器電路、鉗位電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換換電路。相關(guān)雙采樣的作用是抑制復(fù)位噪聲，CCD器件在輸出信號電荷時，在復(fù)位時鐘的作 用下，先將輸出電平恢復(fù)到一個設(shè)定值上，再在像元轉(zhuǎn)移時鐘的作用下，將一個信號電荷包 轉(zhuǎn)換為電壓信號疊加在設(shè)定值上，故復(fù)位值和信號輸出受同樣的噪聲過程影響，因此，如果 在每一個像素周期先采樣復(fù)位電平，再采樣信號輸出，兩個采樣結(jié)果相減即可大大抑制復(fù)位噪聲的影響。Dalsa公司可以提供專用器件，其它半導(dǎo)體公司也可以提供相關(guān)雙采樣器 件，具體選用時需考慮與CCD器件的接口、輸出阻抗、時鐘頻率、CCD輸出信號上升時間等因素。因為C⑶器件輸出視頻信號的頻率通常在IOMHz以上，里面包含大量的熱噪聲， 幅度和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的需求不一致，為了使其與模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入相匹配并抑制熱噪聲的影 響，需要對相關(guān)雙采樣輸出的信號做低噪聲放大。低噪聲放大電路可以選擇美國AD公司通 用寬帶低噪聲模擬信號放大器。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，模擬信號放大器的帶寬應(yīng)設(shè)定在 時鐘頻率的二倍左右，這樣既不影響基帶內(nèi)的視頻信號，又能獲得比較理想的濾波效果。鉗位電路的作用是抑制暗信號噪聲的影響。在此可以采用一般的鉗位電路，如二 極管鉗位電路，將輸出的模擬信號鉗位到該端口內(nèi)置的暗像元電平上。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是將模擬視頻信號轉(zhuǎn)換成方便傳輸?shù)臄?shù)字信號，一是因為數(shù) 字信號方便計算機(jī)處理，二是數(shù)字信號傳輸通道的保真度遠(yuǎn)高于模擬信號傳輸通道。模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路可以選擇通用的ADC器件，如AD公司的ADC器件。要求數(shù)字信號位數(shù)14位，器件 最高采樣頻率超過像素頻率二倍以上。之所以選擇14位量化器件，主要是為了降低量化噪 聲的幅度，方便弱信號提取，器件最高采樣頻率選擇在像素頻率二倍以上，為的是不影響視 頻信號的頻率特性。四、累加控制器每一個信號處理通道后面連接一個累加控制器。累加控制器并行工作，將信號處 理單元輸出的數(shù)字信號向圖像存儲器累加。累加控制器可以由數(shù)字信號處理(DSP)芯片完成。在DSP芯片內(nèi)部，設(shè)置有一個 加法器、一個比較器和兩個計數(shù)器(飽和像素數(shù)量計數(shù)器和輸出像素計數(shù)器)。加法器對模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的輸出和讀取的圖像存儲器的內(nèi)容做加法運算，運算結(jié)果 送比較器并向圖像存儲器存儲。比較器將加法器的累加結(jié)果和設(shè)定的飽和值比較，如果超過了設(shè)定飽和值，則向 飽和像素數(shù)量計數(shù)器發(fā)信號，飽和像素數(shù)量計數(shù)器內(nèi)容加一，否則不執(zhí)行任何操作。輸出像素計數(shù)器記錄CXD器件端口已輸出的像素數(shù)量，形成圖像存儲器讀寫的地 址。在一個像素轉(zhuǎn)移時鐘作用下，讀取一個像素信號，做完累加并寫入圖像存儲單元后，輸 出像素計數(shù)器加一。飽和像素計數(shù)器記錄圖像存儲單元中飽和像素的數(shù)量。累加器每輸出一個超過飽 和值的信號，飽和像素計數(shù)器加一。在驅(qū)動電路指示曝光結(jié)束后，在像素時鐘的控制下，每輸入一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù) 據(jù)，讀取一個圖像存儲單元的數(shù)據(jù)，加法器運算一次，將結(jié)果送圖像存儲單元保存，同時，比 較器將它和飽和閾值比較，如果大于飽和閾值，飽和像素計數(shù)器加一，然后，對輸出像素計 數(shù)器加一，指向下一存儲字節(jié)。累加控制器的邏輯流程如圖2所示。五、輸出控制器輸出控制器用于監(jiān)視圖像存儲器中數(shù)據(jù)的狀態(tài)，決定是否終止曝光信號的累加過 程，控制圖像輸出的次序。輸出控制器接收驅(qū)動電路送來的像素時鐘、位同步時鐘和曝光有 效時鐘，讀取各圖像存儲單元的數(shù)據(jù)；為圖像存儲單元提供地址信號的選通信號，為格式編排單元輸出圖像數(shù)據(jù)。輸出控制器也DSP芯片實現(xiàn)。在其內(nèi)部，設(shè)置有一個加法器、一個比較器、三個計 數(shù)器和一個譯碼器。加法器對各累加控制器中飽和像素數(shù)量計數(shù)器的內(nèi)容相加，統(tǒng)計總飽 和像素數(shù)量。比較器將總飽和像素數(shù)量同設(shè)定值比較，當(dāng)總飽和像素數(shù)量超過設(shè)定值時啟 動輸出過程。三個計數(shù)器中，一個計數(shù)器記錄曝光次數(shù)；一個計數(shù)器記錄輸出像素數(shù)量；一 個計數(shù)器存儲圖像存儲單元編號，在輸出過程中做圖像存儲單元選擇用。譯碼器對存儲單 元編號計數(shù)器的內(nèi)容譯碼，輸出圖像存儲單元的選通信號。每一次轉(zhuǎn)移過程結(jié)束，曝光次數(shù)計數(shù)器加一，讀取各累加控制器中飽和像素計數(shù) 器的內(nèi)容，經(jīng)加法器累加后與設(shè)定值比較，若沒有超過設(shè)定值，對各累加控制器中輸出像素 的內(nèi)容清零，等待下一幀數(shù)據(jù)。若超過了設(shè)定值，將輸出像素數(shù)量計數(shù)器和存儲單元編號計 數(shù)器清零，隨后，每輸入一個像素時鐘，輸出像素內(nèi)容加一，由輸出像素內(nèi)容作為地址，由存 儲單元編號計數(shù)器和譯碼器輸出圖像存儲單元選通信號，讀取對應(yīng)存儲單元一個字節(jié)的內(nèi) 容到數(shù)據(jù)總線，送往格式編排單元。一旦輸出像素到達(dá)圖像存儲單元的容量，輸出像素計數(shù) 器溢出，對存儲單元編號計數(shù)器計數(shù)值加一，開始輸出下一個圖像存儲單元的內(nèi)容，所有存 儲單元數(shù)據(jù)輸出結(jié)束，輸出曝光次數(shù)計數(shù)器的內(nèi)容，最后，清除所有圖像存儲單元內(nèi)容和計 數(shù)器的內(nèi)容，進(jìn)入下一幀圖像的累積。輸出控制器的邏輯流程如圖3所示。六、圖像存儲器包括N個圖像存儲單元，每一個圖像輸出端口均配置一個圖像存儲單元。每一個 圖像存儲單元的容量大于其對應(yīng)CCD器件端口輸出的像素數(shù)量，圖像存儲器的數(shù)據(jù)寬度不 低于模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器件輸出的數(shù)據(jù)寬度。當(dāng)采用上述加拿大Dalsa公司的GALT作為CXD器件時，圖像存儲單元也包括20 個存儲器，分別對應(yīng)20路信號處理電路，每個存儲器的容量為5Mbytes，字節(jié)寬度16bits， 可以選擇數(shù)據(jù)讀寫速度不低于20MByteS/S的通用抗輻照Flash器件。圖像存儲單元與地址總線和數(shù)據(jù)總線相連，讀寫控制信號和清零信號來自監(jiān)測控 制單元中的累加控制器和輸出控制器。累加控制器、輸出控制器和圖像存儲單元的關(guān)系如圖4所示。七、格式編排單元格式編排單元依據(jù)傳輸?shù)耐ǖ罃?shù)量、傳輸速率和星地傳輸約定好的數(shù)據(jù)格式，對 圖像存儲器輸出的圖像做統(tǒng)一的編排，如嵌入輔助數(shù)據(jù)、并行到串行的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分路以及 加擾等，編排后送數(shù)據(jù)接口輸出。八、數(shù)據(jù)接口接收外部提供的的幀同步信號和位同步信號并送至焦平面部件中的驅(qū)動電路，同 時將格式編排單元產(chǎn)生的圖像數(shù)據(jù)向外部輸出。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.全天時云覆蓋圖連續(xù)成像儀，其特征在于包括望遠(yuǎn)鏡、焦平面部件、信號處理單 元、累加控制器、輸出控制器、圖像存儲器、格式編排單元和數(shù)據(jù)接口，其中 望遠(yuǎn)鏡用于收集目標(biāo)輻射，并將目標(biāo)的像匯聚在焦平面上；焦平面部件包括全幀型面陣CCD以及供電電路和驅(qū)動電路；全幀型面陣CCD作為圖 像傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；供電電路為CCD提供各種電壓和電流輸出的偏置與供 電；驅(qū)動電路經(jīng)數(shù)據(jù)接口接收外部提供的幀同步信號和位同步信號，產(chǎn)生工作時鐘并分別 送至全幀型面陣CCD、累加控制器和輸出控制器；信號處理單元有N個信號處理通道，每一個通道對應(yīng)一路CXD器件的圖像輸出，每一 個信號處理通道包括有相關(guān)雙采樣電路、低噪聲放大器電路、鉗位電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路；累加控制器每一個信號處理通道連接一個累加控制器，累加控制器根據(jù)驅(qū)動電路傳 來的工作時鐘，將信號處理通道輸出的數(shù)字信號向圖像存儲器中對應(yīng)的圖像存儲單元累加 存儲，并記錄對應(yīng)圖像存儲單元中飽和像素的數(shù)量；輸出控制器根據(jù)驅(qū)動電路傳來的工作時鐘，統(tǒng)計各累加控制器記錄的圖像存儲器中 的飽和像素數(shù)量總和，若飽和像素數(shù)量總和超出預(yù)設(shè)值，則將圖像存儲器中的內(nèi)容全部讀 出并送至格式編排單元；圖像存儲器有N個存儲單元，每一個存儲單元存儲CCD器件一個端口的輸出數(shù)據(jù)，在 累加控制器和輸出控制器的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)存??；格式編排單元依據(jù)傳輸通道的數(shù)量、傳輸速率和星地傳輸?shù)募s定數(shù)據(jù)格式，對傳來的 輸出數(shù)據(jù)做統(tǒng)一編排后送數(shù)據(jù)接口輸出；數(shù)據(jù)接口 接收外部提供的幀同步信號和位同步信號并送至驅(qū)動電路，向外部輸出圖 像數(shù)據(jù)。
全文摘要
全天時云覆蓋圖連續(xù)成像儀包括八個組成部分。望遠(yuǎn)鏡用于收集目標(biāo)輻射，并將目標(biāo)像匯聚在焦平面上。焦平面部件包括全幀型面陣CCD、供電電路和驅(qū)動電路，驅(qū)動電路經(jīng)數(shù)據(jù)接口接收外部提供的幀同步信號和位同步信號，產(chǎn)生CCD器件的工作時鐘。信號處理單元對視頻信號進(jìn)行模擬處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換。累加控制器將信號處理單元輸出的數(shù)字視頻信號向圖像存儲單元累加并記錄圖像存儲單元中飽和像素的數(shù)量。輸出控制器根據(jù)曝光像素比例決定是否終止累加過程，控制圖像輸出的次序。圖像存儲器受累加控制器和輸出控制器管理，供圖像累加使用。格式編排單元對輸出數(shù)據(jù)做統(tǒng)一的格式編排后經(jīng)數(shù)據(jù)接口輸出。本儀器可靠性高，可以對云覆蓋情況進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)視。
文檔編號G01W1/00GK102073069SQ20101059254
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者時紅偉 申請人:北京空間飛行器總體設(shè)計部