[发明专利]利用卫星平台秒脉冲实现星载成像光谱仪同步成像的方法

说明书

本发明的一种利用卫星平台秒脉冲实现星载成像光谱仪同步成像的方法，包括利用两台成像光谱仪的FPGA同时检测来自卫星平台的秒脉冲信号，提取秒脉冲的前沿产生内部秒同步信号；利用已有的秒脉冲复位FPGA内部时序逻辑，设置帧转移CCD曝光时间即为其成像周期，两个设置了不同曝光时间的CCD，都会在在每个秒脉冲到达时刻完成一次或若干次完整的成像，并同时开始下一轮拍摄；使成像光谱仪使用帧转移CCD，其像元读出时间和曝光时间是重叠的，即每次曝光期间，完成上一幅图像的读出。本发明使用星上秒脉冲，在不增加硬件的情况下，通过设计曝光时序和CCD读出时序即可实现多台、不同曝光时间的成像光谱仪同步成像，同步精度优于100ns。

技术领域

本发明涉及星载成像光谱仪技术领域，具体涉及一种利用卫星平 台秒脉冲实现星载成像光谱仪同步成像的方法。

背景技术

大气观测星载成像光谱仪，对地面做光谱成像(面阵CCD相机在 多谱线下推扫)。同时获取目标区域的空间维和光谱维信息。通过各空 间维点的光谱曲线，获得大气成分的分布。为获得更多种气体成分的 分布情况，就需要更宽的光谱探测范围，例如将紫外波段和可见波段 两台成像光谱仪放置于同一低轨道卫星平台。由于大气观测对地理分 辨率要求低，以往每台成像光谱仪独立工作，以图像时标(星上广播 时间，精确到秒)来标记每行图像的地理坐标。两台光谱仪成像节拍 依赖于各自晶振，所以图像不同步将使得数据时标错位，进而造成其 数据产品——紫外波段大气分布图和可见波段大气分布图最多可错开1行图像，对应到地理位置上即14公里的偏差(低轨卫星两秒的飞行 距离)。

目前，要求多个CCD同步控制通常如下几种形式：

1)同板同源：多通道CCD，共用一个晶振，同一个控制器。这种 设计仅限于小型光谱仪，对于光路复杂，口径大的光谱仪，将两台光 谱仪的焦面近距离排列，限制了光谱仪的光路和机械设计，不适合复 杂光路的光谱仪。

2)使用同步控制器：为每台相机提供外触发信号，将不同曝光时 间的外触发信号在一个长周期上同步。这样要在目前的两台星载光谱 仪之外增加额外的硬件电路。

3)通过上位机控制命令同步：如发明“航天多通道TDICCD相机 同步方法”，这种方法不增加硬件，只需载荷控制计算机通过RS-422 串口发送启动命令。两台相机接到命令后工作。但由于这个方式是软 件操作，星上主控CPU同时服务多个任务，时间延时不可控；该发明 仅在系统启动时进行成像同步，易造成误差累计，不适用于连续拍照 式的多通道成像光谱仪同步。

4)时钟锁相环同步：成像板加时统电路，使用高稳定度晶振，加 压控调节电路，构建锁相环，使用驯服时钟算法，获得实时时钟。两 台光谱仪工作在定时拍照模式。这个方案同样需要额外的硬件电路。

随着测量精度要求的提升，紫外波段探测的气体分布图和可见波 段探测的气体分布图要求重合度更高，这样就提出了两台成像光谱仪 同步拍摄的要求。

发明内容

本发明提出的一种利用卫星平台秒脉冲实现星载成像光谱仪同步 成像的方法，使用星上秒脉冲信号，通过设置秒为周期的曝光时间和 设计对应的CCD芯片读出时序，使得两台光谱仪同步拍摄，获得图像 重叠误差不超过100个纳秒，同时不增加更多的硬件开销。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种利用卫星平台秒脉冲实现星载成像光谱仪同步成像的方法， 基于两台成像光谱仪和卫星平台，所述成像光谱仪的成像电路包括 FPGA、晶振及CCD，包括以下步骤，

两台成像光谱仪的FPGA同时检测来自卫星平台的秒脉冲信号，提 取秒脉冲的前沿产生内部秒同步信号；设置星载成像光谱仪是连续拍 摄，采用帧转移CCD，两台成像光谱仪分别为紫外和可见通道；

利用已有的秒脉冲复位FPGA内部时序逻辑，固定以每秒为一个 CCD操作周期，曝光和像元读出模块使用秒同步信号复位曝光时间周期 寄存器数值；