全天時云覆蓋圖連續成像儀的制作方法

專利名稱：全天時云覆蓋圖連續成像儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光學成像儀，可應用在靜止軌道衛星上獲取夜間任一時間段的可見光云圖，監測大氣動態變化。
背景技術：
云覆蓋圖是有重要價值的環境信息。由云覆蓋圖可以判斷天氣系統的演變，推測多種重要的環境要素，如大氣穩定度、大氣垂直運動、對流層風速/風向和降雨區域的分布信息等。衛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。由于業務關系，氣象、導航和軍事部門對微光云圖都有迫切需求。目前，靜止軌道衛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星計劃(簡稱DMSP)和極軌業務環境衛星系統(簡稱NP0ESS)上有采用，分別是業務線掃描儀(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星，每天可以獲取兩幅感興趣區域的云圖。OLS選擇了擺掃方式，在它的內部有一個掃描鏡，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的缺點是結構復雜，整個望遠鏡在不停地正掃和回掃，對星體控制是一個相當大的擾動，另外，受光電倍增管影響，夜間云圖的輻射質量不高。VIIRS有22個通道，三個焦平面，使用了四種焦平面陣列，結構比OLS更復雜。 VIIRS日夜云圖焦平面上使用了延時積分C⑶器件(即TDI(XD)，并且為輻射定標配置了參考黑體和太陽漫反射器，提高了云圖的輻射質量。但是，同OLS—樣，VIIRS面向的也是太陽同步近極地軌道衛星，每天只能獲取兩幅感興趣區域云圖，不能實現動態監視。雖然VIIRS 沒有掃描鏡，但有一個輻射定標使用的望遠鏡旋轉機構，同樣對整星控制和動力學特性有影響。因此，現有的微光云圖成像儀都面向的是太陽同步近極地軌道衛星，均不支持天氣系統演變的分析，且結構復雜程度高，在靜止軌道氣象衛星上尚無全天時云圖成像儀器出現。

實用新型內容本實用新型的技術解決問題是克服現有技術的不足，提供了一種結構簡單、輸出圖像質量高的全天時云覆蓋圖連續成像儀。本實用新型的技術解決方案是全天時云覆蓋圖連續成像儀，包括望遠鏡、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、格式編排單元和數據接口，其中望遠鏡用于收集目標輻射，并將目標的像匯聚在焦平面上；焦平面部件包括全幀型面陣CCD以及供電電路和驅動電路；全幀型面陣CCD作為圖像傳感器將光信號轉換為電信號；供電電路為CCD提供各種電壓和電流輸出的偏置與供電；驅動電路經數據接口接收外部提供的幀同步信號和位同步信號，產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，每一個通道對應一路CXD器件的圖像輸出， 每一個信號處理通道包括有相關雙采樣電路、低噪聲放大器電路、鉗位電路和模數轉換電路；累加控制器每一個信號處理通道連接一個累加控制器，累加控制器根據驅動電路傳來的工作時鐘，將信號處理通道輸出的數字信號向圖像存儲器中對應的圖像存儲單元累加存儲，并記錄對應圖像存儲單元中飽和像素的數量；輸出控制器根據驅動電路傳來的工作時鐘，統計各累加控制器記錄的圖像存儲器中的飽和像素數量總和，若飽和像素數量總和超出預設值，則將圖像存儲器中的內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據，在累加控制器和輸出控制器的控制下進行數據存取；格式編排單元依據傳輸通道的數量、傳輸速率和星地傳輸的約定數據格式，對傳來的輸出數據做統一編排后送數據接口輸出；數據接口 接收外部提供的幀同步信號和位同步信號并送至驅動電路，向外部輸出圖像數據。本實用新型與現有技術相比的優點在于第一，本實用新型成像儀可以對云覆蓋情況進行實時的動態監視，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，自動調整累加的曝光次數，所以，儀器能夠自動適應云體輻亮度的大范圍變化，輻射響應靈敏度高，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量滿足使用要求的圖像；第二，本實用新型成像儀無機械快門，無活動部件，可靠性高。因為儀器位置高 (36000公里)，一臺儀器即可實現全中國境內云覆蓋情況的監視，既不需要掃描鏡也不需要擺動望遠鏡。雖然使用的是全幀型C⑶器件，但是，由于云體輻亮度低，在信號電荷轉移期間無需關閉入射光路，故無需機械快門的配合；第三，本實用新型成像儀圖像質量好，在四分之一月光下信噪比可以達IOdB以上，且輻射響應的線性度優于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果進行累加，根據飽和像素所占比例自動調節累加的曝光次數，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，這種結構設計既適應了云體輻射的動態變化，又兼顧了輸出輻射響應的高線性度和高信號噪聲比。

圖1為本實用新型成像儀的組成結構圖；圖2為本實用新型累加控制器的工作流程圖；圖3為本實用新型輸出控制器的工作流程圖；圖4為本實用新型累加控制器、輸出控制器和圖像存儲器關系圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括望遠鏡、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、格式編排單元和數據接口。一、望遠鏡望遠鏡主要用于收集目標輻射，并將目標的像匯聚在焦平面上。本實用新型的望遠鏡選用折射光學望遠鏡。折射光學望遠鏡的主要性能參數選取原則有四項。(1)焦距設計應結合CXD器件的像素尺寸、衛星飛行高度和云圖分辨率要求，滿足
關系式焦距二飛彳丁 _ ？^0。如果CCD像素尺寸為9 μ m,軌道高度36000公
圖分辨率
里，以中心區域空間分辨率1公里考慮，焦距可以設計在420mm。(2)光學系統的視場角應不小于國土東西向張角，12. 2°即可覆蓋我國全部國土；(3)在技術和成本允許情況下，光學系統的孔徑和透過率應盡可能大，提高焦平面照度，建議F數(光學系統焦距與孔徑的比值)選1.4; (4)光學系統的調制傳遞函數應當適中，從成本上考慮，可以設定在0. 7左右。二、焦平面部件焦平面部件包括CCD器件以及相應的供電電路和驅動電路。CXD器件選擇全幀型CXD器件，如加拿大Dalsa公司的GALT。GALT的主要性能指標如下像素尺寸9μπιΧ9μπι ；像素數量=10240X10240 ；飽和電子數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 ； 轉移時間700ms ；噪聲(rms值)350 μ V(22°C條件下)；調制傳遞函數(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動電路。供電電路根據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。驅動電路包括一個可編程邏輯器件和若干專用驅動器件。可編程邏輯器件從數據接口接收位同步時鐘和幀同步時鐘，成像的幀周期設定在1Hz，曝光時間設定在0. 3s，轉移時間設定在0. 7s，經分頻和邏輯運算，生成CCD工作需要的各種時鐘信號，如轉移時鐘、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，將轉移時鐘、移位時鐘、曝光有效時鐘和門控時鐘送專用驅動電路放大后送CXD器件，將采樣時鐘送信號處理單元，將轉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一個信號處理通道。例如，當采用上述加拿大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雙采樣電路、低噪聲放大器電路、鉗位電路和模數轉換換電路。相關雙采樣的作用是抑制復位噪聲，CCD器件在輸出信號電荷時，在復位時鐘的作用下，先將輸出電平恢復到一個設定值上，再在像元轉移時鐘的作用下，將一個信號電荷包轉換為電壓信號疊加在設定值上，故復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位電平，再采樣信號輸出，兩個采樣結果相減即可大大抑制復位噪聲的影響。Dalsa公司可以提供專用器件，其它半導體公司也可以提供相關雙采樣器件，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
ο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， 幅度和模數轉換器件的需求不一致，為了使其與模數轉換器輸入相匹配并抑制熱噪聲的影響，需要對相關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。根據奈奎斯特采樣定理，模擬信號放大器的帶寬應設定在時鐘頻率的二倍左右，這樣既不影響基帶內的視頻信號，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置的暗像元電平上。模數轉換電路的作用是將模擬視頻信號轉換成方便傳輸的數字信號，一是因為數字信號方便計算機處理，二是數字信號傳輸通道的保真度遠高于模擬信號傳輸通道。模數轉換電路可以選擇通用的ADC器件，如AD公司的ADC器件。要求數字信號位數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字信號向圖像存儲器累加。累加控制器可以由數字信號處理(DSP)芯片完成。在DSP芯片內部，設置有一個加法器、一個比較器和兩個計數器(飽和像素數量計數器和輸出像素計數器)。加法器對模數轉換器件的輸出和讀取的圖像存儲器的內容做加法運算，運算結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果和設定的飽和值比較，如果超過了設定飽和值，則向飽和像素數量計數器發信號，飽和像素數量計數器內容加一，否則不執行任何操作。輸出像素計數器記錄CXD器件端口已輸出的像素數量，形成圖像存儲器讀寫的地址。在一個像素轉移時鐘作用下，讀取一個像素信號，做完累加并寫入圖像存儲單元后，輸出像素計數器加一。飽和像素計數器記錄圖像存儲單元中飽和像素的數量。累加器每輸出一個超過飽和值的信號，飽和像素計數器加一。在驅動電路指示曝光結束后，在像素時鐘的控制下，每輸入一個模數轉換器的數據，讀取一個圖像存儲單元的數據，加法器運算一次，將結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，飽和像素計數器加一，然后，對輸出像素計數器加一，指向下一存儲字節。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視圖像存儲器中數據的狀態，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據；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據。輸出控制器也DSP芯片實現。在其內部，設置有一個加法器、一個比較器、三個計數器和一個譯碼器。加法器對各累加控制器中飽和像素數量計數器的內容相加，統計總飽和像素數量。比較器將總飽和像素數量同設定值比較，當總飽和像素數量超過設定值時啟動輸出過程。三個計數器中，一個計數器記錄曝光次數；一個計數器記錄輸出像素數量；一個計數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器的內容譯碼，輸出圖像存儲單元的選通信號。每一次轉移過程結束，曝光次數計數器加一，讀取各累加控制器中飽和像素計數器的內容，經加法器累加后與設定值比較，若沒有超過設定值，對各累加控制器中輸出像素的內容清零，等待下一幀數據。若超過了設定值，將輸出像素數量計數器和存儲單元編號計數器清零，隨后，每輸入一個像素時鐘，輸出像素內容加一，由輸出像素內容作為地址，由存儲單元編號計數器和譯碼器輸出圖像存儲單元選通信號，讀取對應存儲單元一個字節的內容到數據總線，送往格式編排單元。一旦輸出像素到達圖像存儲單元的容量，輸出像素計數器溢出，對存儲單元編號計數器計數值加一，開始輸出下一個圖像存儲單元的內容，所有存儲單元數據輸出結束，輸出曝光次數計數器的內容，最后，清除所有圖像存儲單元內容和計數器的內容，進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CCD器件端口輸出的像素數量，圖像存儲器的數據寬度不低于模數轉換(ADC)器件輸出的數據寬度。當采用上述加拿大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20路信號處理電路，每個存儲器的容量為5Mbytes，字節寬度16bits， 可以選擇數據讀寫速度不低于20MByteS/S的通用抗輻照Flash器件。圖像存儲單元與地址總線和數據總線相連，讀寫控制信號和清零信號來自監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系如圖4所示。七、格式編排單元格式編排單元依據傳輸的通道數量、傳輸速率和星地傳輸約定好的數據格式，對圖像存儲器輸出的圖像做統一的編排，如嵌入輔助數據、并行到串行的轉換、數據分路以及加擾等，編排后送數據接口輸出。八、數據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動電路，同時將格式編排單元產生的圖像數據向外部輸出。本實用新型說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求1.全天時云覆蓋圖連續成像儀，其特征在于包括望遠鏡、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、格式編排單元和數據接口，其中 望遠鏡用于收集目標輻射，并將目標的像匯聚在焦平面上；焦平面部件包括全幀型面陣CCD以及供電電路和驅動電路；全幀型面陣CCD作為圖像傳感器將光信號轉換為電信號；供電電路為CCD提供各種電壓和電流輸出的偏置與供電；驅動電路經數據接口接收外部提供的幀同步信號和位同步信號，產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，每一個通道對應一路CXD器件的圖像輸出，每一個信號處理通道包括有相關雙采樣電路、低噪聲放大器電路、鉗位電路和模數轉換電路；累加控制器每一個信號處理通道連接一個累加控制器，累加控制器根據驅動電路傳來的工作時鐘，將信號處理通道輸出的數字信號向圖像存儲器中對應的圖像存儲單元累加存儲，并記錄對應圖像存儲單元中飽和像素的數量；輸出控制器根據驅動電路傳來的工作時鐘，統計各累加控制器記錄的圖像存儲器中的飽和像素數量總和，若飽和像素數量總和超出預設值，則將圖像存儲器中的內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據，在累加控制器和輸出控制器的控制下進行數據存取；格式編排單元依據傳輸通道的數量、傳輸速率和星地傳輸的約定數據格式，對傳來的輸出數據做統一編排后送數據接口輸出；數據接口 接收外部提供的幀同步信號和位同步信號并送至驅動電路，向外部輸出圖像數據。
專利摘要全天時云覆蓋圖連續成像儀包括八個組成部分。望遠鏡用于收集目標輻射，并將目標像匯聚在焦平面上。焦平面部件包括全幀型面陣CCD、供電電路和驅動電路，驅動電路經數據接口接收外部提供的幀同步信號和位同步信號，產生CCD器件的工作時鐘。信號處理單元對視頻信號進行模擬處理和模數轉換。累加控制器將信號處理單元輸出的數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量。輸出控制器根據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據做統一的格式編排后經數據接口輸出。本儀器可靠性高，可以對云覆蓋情況進行實時的動態監視。
文檔編號H04N5/372GK201976195SQ20102066249
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月8日 優先權日2010年12月8日
發明者時紅偉 申請人:北京空間飛行器總體設計部