[发明专利]非致冷红外焦平面面阵静态地平仪

说明书

技术领域

本发明涉及空间科学仪器技术，具体指一种非致冷红外焦平面面阵静态地平仪，它用于对卫星姿态测量。

背景技术

早期的红外地平仪是作为控制导弹的发动机点火和再入实验用，于1959年2月，才首次在卫星上使用，成功测量了卫星绕地球飞行的姿态。红外地平仪与其它敏感技术相比，简单、可靠、且有较高的姿态测量精度，所以发展迅速。在以后的载人飞船，特别是对地定向的侦察、气象、通讯、地资等人造卫星上广泛使用。

红外地平仪作用是计算卫星相对于地球的滚动角偏差θR和俯仰角偏差θP，从而测量卫星相对于地球局地垂线的滚动、俯仰姿态角信息。

地平仪按照工作方式可以分为动态扫描式和静态两种。

静态地平仪的工作方式类似于人的眼睛，是典型的焦平面技术的应用。它将线阵探测器或面阵探测器放在光学系统焦平面上，通过对投影在焦平面上的地球红外辐射图像的响应来计算滚动角和俯仰角。根据使用的探测器不同，静态地平仪分为线列阵静态地平仪和面阵焦平面静态地平仪。线列阵静态地平仪一般采用3路以上分离式探头，每个探头内安装有线列阵探测器分别探测各自方位的地平线。中科院上海技术物理研究所已将线列阵探测器应用在静态地平仪上。但此类静态地平仪由于参与姿态测量的地平点数量少，因此在测量精度上还不够高，仅为0.6°。

发明内容

本发明的目的是采用凝视成像技术研制一种基于非致冷红外焦平面探测器的卫星姿态敏感仪器，通过采用固体器件及三点法求圆心的姿态测量原理，解决传统动态扫描式红外地平仪寿命短、重量大、功耗大、精度低以及线列阵静态地平仪精度低的问题。

本发明地平仪的系统构成：

本发明地平仪的系统主要由红外光学系统3、滤光片2和探测器及前端电子学系统、后端DSP图像信息处理系统1组成。大视场红外光学系统3是一个视场角大于140°、工作波长13.5um～16.25um的折射式红外成像镜头；滤光片2是波长13.5um～16.25um的带通滤光片；探测器1是红外面阵非致冷探测器，如波音(Boeing)公司的U3000系列和(ULIS)公司的IDML073-XX-V3探测器。前端电子学系统偏置电路为探测器提供高稳定度、低噪声、可配置的偏置电源。前端电子系统根据外部输入的配置参数产生探测器控制时序、探测器偏置电压等控制信号，驱动探测器在一定工作模式下工作。同时，前端电子系统对探测器输出的模拟信号放大、A/D转换，最后合成数字图像提供给后端DSP信息处理系统。后端图像信息处理系统对地球辐射图像的畸变和探测器非均匀性进行校正；校正后的图像被送到后端DSP信息处理系统，DSP器件可选择TI公司TMS320C6000系列器件，通过红外图像预处理、精确边界定位、地平圆中心计算、姿态角计算等算法处理得到卫星相对于地球姿态信息。通过采用图像处理技术对地平圆红外辐射图像进行实时处理，从而获得卫星相对地球的滚动角、俯仰角信息。

本发明地平仪的工作原理如图1所示，地平仪工作在高于600Km的极地轨道，采用红外面阵非致冷探测器，对地球的13.5～16.25um辐射成像。由于地球的平均温度为247K，而太空的平均温度约为4.2K，所以地平仪看到的地球图像为深冷的太空背景下一个“灼热”的圆盘。红外面阵探测器接收到辐射能量，并转换为电信号，在外围电路的控制下，红外面阵探测器进行固体自扫描，把面阵中各像元输出的电压信号串行输出，从而获得地平辐射的能量图像。红外地平仪的后端DSP图像信息处理系统对前端电子学系统获得的红外数字图像进行处理，获得地平圆的形心，形心的计算方法采用三点法定中心的算法，并通过光路几何关系计算出地平仪相对地球的姿态数据。

本发明地平仪的卫星姿态测量原理如下：

卫星姿态不同，该圆盘在探测器的敏感面成像的位置也不同；另外由于地球表面0～100Km范围内的CO₂浓度逐步减小，对应的辐射也相应减小，反映在图像上是一个从内到外灰度值逐步减小的圆环，该圆环称为“过渡带”。地平仪后端DSP处理系统对探测器及前端电子学系统获得的红外数字图像进行处理，提取地平圆边界，它位于过渡带内；通过地平圆边界提取，采用三点法计算出地平圆中心点位置和卫星的姿态角。

红外图像中灰度突变的像素点被认为是地球边界点，地平圆边界提取采用比例门限的方法，即以图像中地球区域灰度为基准，当灰度突降超过基准的40％～60％时，该点被确认为地球边界点。

由于综合考虑多种因素的地平圆图像近似为一个圆形，所以在中心定位时选用弧线三点定位中心的方法。