[发明专利]全天时云覆盖图连续成像仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学成像仪，可应用在静止轨道卫星上获取夜间任一时间段的可见光云图，监测大气动态变化。

背景技术

云覆盖图是有重要价值的环境信息。由云覆盖图可以判断天气系统的演变，推测多种重要的环境要素，如大气稳定度、大气垂直运动、对流层风速/风向和降雨区域的分布信息等。卫星云覆盖图分为可见光云覆盖图(即可见光云图)和红外云覆盖图(红外云图)。夜间获取的可见光云图又称微光云图。

由于业务关系，气象、导航和军事部门对微光云图都有迫切需求。目前，静止轨道卫星上装载的仪器获取的都是白昼期间的红外云图和可见光云图，微光云图成像仪只在美国国防气象卫星计划(简称DMSP)和极轨业务环境卫星系统(简称NPOESS)上有采用，分别是业务线扫描仪(简称OLS)和可见光/红外成像辐射计套件(简称VIIRS)。

OLS面向太阳同步近极地轨道卫星，每天可以获取两幅感兴趣区域的云图。OLS选择了摆扫方式，在它的内部有一个扫描镜，观测刈幅2960km。OLS的可见光焦平面上有两组探测器，硅光电二极管在白天工作，光电倍增管在夜间工作。OLS的缺点是结构复杂，整个望远镜在不停地正扫和回扫，对星体控制是一个相当大的扰动，另外，受光电倍增管影响，夜间云图的辐射质量不高。

VIIRS有22个通道，三个焦平面，使用了四种焦平面阵列，结构比OLS更复杂。VII RS日夜云图焦平面上使用了延时积分CCD器件(即TDICCD)，并且为辐射定标配置了参考黑体和太阳漫反射器，提高了云图的辐射质量。但是，同OLS一样，VIIRS面向的也是太阳同步近极地轨道卫星，每天只能获取两幅感兴趣区域云图，不能实现动态监视。虽然VIIRS没有扫描镜，但有一个辐射定标使用的望远镜旋转机构，同样对整星控制和动力学特性有影响。

因此，现有的微光云图成像仪都面向的是太阳同步近极地轨道卫星，均不支持天气系统演变的分析，且结构复杂程度高，在静止轨道气象卫星上尚无全天时云图成像仪器出现。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、输出图像质量高的全天时云覆盖图连续成像仪。

本发明的技术解决方案是：全天时云覆盖图连续成像仪，包括望远镜、焦平面部件、信号处理单元、累加控制器、输出控制器、图像存储器、格式编排单元和数据接口，其中：

望远镜：用于收集目标辐射，并将目标的像汇聚在焦平面上；

焦平面部件：包括全帧型面阵CCD以及供电电路和驱动电路；全帧型面阵CCD作为图像传感器将光信号转换为电信号；供电电路为CCD提供各种电压和电流输出的偏置与供电；驱动电路经数据接口接收外部提供的帧同步信号和位同步信号，产生工作时钟并分别送至全帧型面阵CCD、累加控制器和输出控制器；

信号处理单元：有N个信号处理通道，每一个通道对应一路CCD器件的图像输出，每一个信号处理通道包括有相关双采样电路、低噪声放大器电路、钳位电路和模数转换电路；

累加控制器：每一个信号处理通道连接一个累加控制器，累加控制器根据驱动电路传来的工作时钟，将信号处理通道输出的数字信号向图像存储器中对应的图像存储单元累加存储，并记录对应图像存储单元中饱和像素的数量；

输出控制器：根据驱动电路传来的工作时钟，统计各累加控制器记录的图像存储器中的饱和像素数量总和，若饱和像素数量总和超出预设值，则将图像存储器中的内容全部读出并送至格式编排单元；

图像存储器：有N个存储单元，每一个存储单元存储CCD器件一个端口的输出数据，在累加控制器和输出控制器的控制下进行数据存取；

格式编排单元：依据传输通道的数量、传输速率和星地传输的约定数据格式，对传来的输出数据做统一编排后送数据接口输出；

数据接口：接收外部提供的帧同步信号和位同步信号并送至驱动电路，向外部输出图像数据。

本发明与现有技术相比的优点在于：

第一，本发明成像仪可以对云覆盖情况进行实时的动态监视，从黄昏一直到黎明。在图像存储器、累加控制器和输出控制器的配合下，每秒曝光一次，自动调整累加的曝光次数，所以，仪器能够自动适应云体辐亮度的大范围变化，辐射响应灵敏度高，即使在最微弱的月光下也可以保证不超过两分钟就输出一幅质量满足使用要求的图像；