基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统及方法

摘要

本发明提供的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标方法，采用多个主动辐射照明源为空间相机在轨辐射定标提供所需辐射亮度，具有体积小、重量轻、发散角大、便于运输、定标地点选取灵活等特点，由多个主动辐射照明源组成的在轨定标系统相当于一个可移动的辐射定标场，依据在轨卫星定标任务，灵活选取定标地点，避开天气等不利因素影响，大幅缩短定标任务周期，提高定标频次，降低定标成本，在未来空间相机在轨辐射定标领域将发挥重要作用，本发明还提供一种在轨辐射定标系统。

权利要求

1.一种基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，包括多个主动辐射照明源、空间相机、大气透过率测试装置，所述主动辐射照明源采用多种波长的LED光源经过光谱匹配形成的面辐射照明源，为空间相机实施在轨辐射定标，所述大气透过率测试装置测试在轨辐射定标时刻的大气透过率，所述空间相机为在运行卫星的光学遥感载荷，获取所述主动辐射照明源的数字图像，根据所述数字图像确定所述主动辐射照明源产生的图像灰度值，根据所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率和所述图像灰度值建立线性响应关系，利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定被定标空间相机的绝对辐射响应度；

所述主动辐射照明源包括发出不同辐射亮度的三组子主动辐射照明源，分别为第一子主动辐射照明源组、第二子主动辐射照明源组以及第三子主动辐射照明源组。

2.根据权利要求1所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，所述第一子主动辐射照明源组、所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明源组内部主动辐射照明源的间隔为5至10倍的像元分辨率。

3.根据权利要求2所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，所述第一子主动辐射照明源组及所述第二子主动辐射照明源组的横向间隔5.2倍或

10.2倍的像元分辨率，所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明源组的横向间隔5.2倍或10.2倍的像元分辨率。

4.根据权利要求3所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，所述第一子主动辐射照明源组、所述第二子主动辐射照明源组的间隔在纵向偏移0.2倍像元分辨率，所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明源组的间隔在纵向偏移0.2倍像元分辨率。

5.根据权利要求2所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，所述第一子主动辐射照明源组包括第一子主动辐射照明源的辐射亮度为0.8L、第二子主动辐射照明源的辐射亮度为0.6L、第三子主动辐射照明源的辐射亮度为0.4L、第四子主动辐射照明源的辐射亮度为0.2L、第五子主动辐射照明源的辐射亮度为0L，每个子主动辐射照明源的所提供的最大辐射亮度为1.0L。

6.根据权利要求2所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，所述第二子主动辐射照明源组包括第六子主动辐射照明源的辐射亮度为0.9L、第七子主动辐射照明源的辐射亮度为0.7L、第八子主动辐射照明源的辐射亮度为0.5L、第九子主动辐射照明源的辐射亮度为0.3L、第十子主动辐射照明源的辐射亮度为0.1L。

7.根据权利要求2所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，其特征在于，所述第三子主动辐射照明源组包括第十一子主动辐射照明源的辐射亮度为0.75L、第十二子主动辐射照明源的辐射亮度为0.55L、第十三子主动辐射照明源的辐射亮度为

0.35L、第十四子主动辐射照明源的辐射亮度为0.25L、第十五子主动辐射照明源的辐射亮度为0.15L。

8.一种基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标方法，其特征在于，所述方法包括：

选取定标地点,按要求摆放主动辐射照明源,并按亮度要求分别进行控制,大气透过率测试装置做好测试准备,并做好定标准备；

空间相机获取主动辐射照明源产生的数字图像；

根据所述数字图像确定所述主动辐射照明源对应的图像灰度值；

根据所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率，与对应的图像灰度值建立线性响应关系；其中，所述主动辐射照明源包括发出不同辐射亮度的三组子主动辐射照明源；

利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定所述空间相机的绝对辐射响应度。

9.根据权利要求8所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标方法，其特征在于，所述根据数字图像确定所述主动辐射照明源对应的图像灰度值，包括：获取所述主动辐射照明源对应数字图像上相邻的N×N像元的灰度值，并根据第一计算公式计算图像灰度值Y，所述第一计算公式为：其中：k为主动辐射照明源序号，x,y为像元序号，i,j为左上角像元序号，M,N为右下角像元序号。

10.根据权利要求9所述的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标方法，其特征在于，所述根据所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率，与对应的图像灰度值建立线性响应关系，包括：

利用第二计算公式计算所述空间相机入瞳处的第二辐射亮度，第二辐射亮度的第二计算公式为：

LCAM＝LS·τATM+LSCE·τATM+LATM；

式中：

LCAM表示相机入瞳处的第二辐射亮度，LS表示主动辐射照明源产生的第一辐射亮度，τATM表示大气透过率，LSCE表示太阳光及天空光入射到主动辐射照明源及周边场地产生的背景辐射亮度，LATM表示大气散射辐射亮度；

根据第二计算公式和空间相机的辐射响应关系建立第一方程组，所述第一方程组为：L1、L2、L3、L4分别为在地面实测的第一、第二、第三、第四子主动辐射照明源产生的辐射亮度，所述第一方程组中Y5是由定标系统中第一子主动辐射照明源组第五子主动辐射照明源辐射亮度对应的图像灰度值，所述第五子主动辐射照明源不点亮，自身输出的辐射亮度为0，其在相机入瞳处的辐射亮度主要是由于太阳光及天空光入射到主动辐射照明源及周边场地产生的背景辐射亮度和大气散射辐射亮度，所述第五子主动辐射照明源不点亮的作用是用于定标过程中的背景辐射亮度和大气散射辐射亮度的扣除；

所述利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定所述空间相机的绝对辐射响应度，包括：

将所述第一方程组中扣除背景辐射亮度和大气散射辐射亮度获得第二方程组，根据所述第二方程组和大气透过率计算空间相机的绝对辐射响应度R，其中大气透过率用所述大气透过率测试装置获取实测数据，所述第二方程组为

说明书

基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及空间光学领域，具体涉及一种空间相机在轨辐射定标系统及方法。

背景技术

[0002] 随着空间光学遥感器快速发展，光学遥感应用的定量化需求日益迫切，利用辐射定标建立空间相机输出灰度值与地面景物辐射亮度之间的响应关系，进而利用卫星图像可
以反演出地物的辐射亮度信息。空间相机在轨运行后，受空间环境、高能粒子辐射等因素影
响，光学遥感器辐射响应性能下降，图像质量随之下降，需要通过在轨辐射定标重新获取绝
对辐射响应度，改善图像质量同时，满足定量遥感的需求。在轨辐射定标分为星上定标法和
在轨替代定标法，在轨星上定标法是指利用卫星上自带的定标设备对传感器进行辐射定标
的方法，主要包括星上定标灯法、太阳反射光定标法和月球定标法。在轨替代定标法主要包
括场地定标法、场景定标法、交叉定标法、反射镜阵列定标法等，这些方法主要是利用地面
辐射定标场、地面自然景物、地面铺设人工靶标、摆放的反射镜阵列等方式为空间相机实施
在轨辐射定标。

[0003] 这些在轨替代定标法，都是依靠反射太阳光为空间相机实施在轨辐射定标。而在轨辐射定标时的大气散射辐射亮度，主要利用大气辐射传输软件如MODTRN、6S等软件结合
典型的大气模型进行估算，与真实的大气散射辐射亮度具有一定的偏差。由于这些在轨定
标方法采用固定的定标场，受定标场天气因素、卫星回归周期、靶标铺设、反射镜摆放等因
素的影响，造成在轨定标周期长、定标频次低、耗费大量人力物力等问题。

发明内容

[0004] 有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统及方法，有效扣除场地背景辐射亮度和大气散射辐射亮度，大幅提高辐射定标精度，
具有定标地点选取灵活、定标周期短，定标频次高，耗费低等特点。

[0005] 第一方面，本发明提供一种基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统，包括多个主动辐射照明源、空间相机、大气透过率测试装置，所述主动辐射照明源是采用多
种波长的LED光源经过光谱匹配形成的面辐射照明源，所述空间相机为在运行卫星的光学
遥感载荷，获取所述主动辐射照明源对应的数字图像，根据所述数字图像确定所述主动辐
射照明源对应的图像灰度值，根据所述各个主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气
透过率和所述图像灰度值建立线性响应关系，利用所述线性响应关系和所述大气透过率确
定所述被定标空间相机的绝对辐射响应度。

[0006] 可选地，所述主动辐射照明源包括三组子主动辐射照明源，分别为第一子主动辐射照明源组、第二子主动辐射照明源组以及第三子主动辐射照明源组，所述第一子主动辐
射照明源组、所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明源组，分别由5个
子主动辐射照明源组成，主动辐射照明源的间隔为5至10倍的像元分辨率。

[0007] 可选地，所述第一子主动辐射照明源组及所述第二子主动辐射照明源组的横向间隔5.2倍或10.2倍的像元分辨率，所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射
照明源组的横向间隔5.2倍或10.2倍的像元分辨率。

[0008] 可选地，所述第一子主动辐射照明源组、所述第二子主动辐射照明源组的间隔在纵向偏移0.2倍像元分辨率，所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明
源组的间隔在纵向偏移0.2倍像元分辨率。

[0009] 可选地，所述第一子主动辐射照明源组包括第一子主动辐射照明源的辐射亮度为0.8L、第二子主动辐射照明源的辐射亮度为0.6L、第三子主动辐射照明源的辐射亮度为
0.4L、第四子主动辐射照明源的辐射亮度为0.2L、第五子主动辐射照明源的辐射亮度为0L，
即不点亮，主要用于背景辐射亮度和大气的后向散射辐射亮度的扣除，所述主动辐射照明
源提供的最大辐射亮度为1.0L。

[0010] 可选地，所述第二子主动辐射照明源组包括第六子主动辐射照明源的辐射亮度为0.9L、第七子主动辐射照明源的辐射亮度为0.7L、第八子主动辐射照明源的辐射亮度为
0.5L、第九子主动辐射照明源的辐射亮度为0.3L、第十子主动辐射照明源的辐射亮度为
0.1L。

[0011] 可选地，所述第三子主动辐射照明源组包括第十一子主动辐射照明源的辐射亮度为0.75L、第十二子主动辐射照明源的辐射亮度为0.55L、第十三子主动辐射照明源的辐射
亮度为0.35L、第十四子主动辐射照明源的辐射亮度为0.25L、第十五子主动辐射照明源的
辐射亮度为0.15L。

[0012] 第二方面，本发明提供一种基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标方法，所述方法包括：

[0013] 选取定标地点,按要求摆放主动辐射照明源,并按亮度要求分别进行控制,大气透过率测试装置做好测试工作准备,并做好定标准备；

[0014] 空间相机获取所有主动辐射照明源对应的数字图像；

[0015] 根据所述数字图像确定所有主动辐射照明源产生图像灰度值；

[0016] 根据所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率，与对应的图像灰度值建立线性响应关系第二方程组

[0017] 利用所述线性响应关系第二方程组和所述大气透过率，采用最小二乘法求解方程组确定所述空间相机的响应度。

[0018] 可选地，所述根据所述数字图像确定所述主动辐射照明源产生图像灰度值，包括：

[0019] 获取所述对应主动辐射照明源的数字图像上相邻的N×N像元的灰度值，并根据第一计算公式计算图像灰度值Y，所述第一计算公式为：

[0020]

[0021] 其中：k为主动辐射照明源序号，x,y为像元序号，i,j为左上角像元序号，M,N为右下角像元序号。

[0022] 可选地，根据所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率，与对应的图像灰度值建立线性响应关系，包括利用第二计算公式计算所述空间相机入瞳处的第二
辐射亮度，所述第二计算公式为：

[0023] LCAM＝LS·τATM+LSCE·τATM+LATM；

[0024] 式中：

[0025] LCAM表示相机入瞳处的第二辐射亮度，LS表示主动辐射照明源产生的第一辐射亮度，τATM表示大气透过率，LSCE表示太阳光及天空光入射到主动辐射照明源及周边场地后的
反射辐射亮度，LATM表示大气散射辐射亮度；

[0026] 根据第二计算公式和空间相机的辐射响应关系建立第一方程组，所述第一方程组为：

[0027]

[0028] 所述利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定所述空间相机的响应度，包括：

[0029] 将所述第一方程组中扣除背景辐射亮度和大气散射辐射亮度获得第二方程组，根据所述第二方程组和大气透过率，利用最小二乘法计算空间相机的辐射响应度R，所述第二
方程组为

[0030]

[0031] 本发明采用主动辐射照明源为空间相机实施的在轨辐射定标方法及系统，具有体积小、重量轻、发散角大、便于运输、定标地点选取灵活等特点，由多个主动辐射照明源组成
的在轨定标系统相当于一个可移动的辐射定标场，依据在轨卫星定标任务，灵活选取定标
地点，避开天气等不利因素影响，大幅缩短定标任务周期，提高定标频次，降低定标成本，在
未来空间相机在轨辐射定标领域将发挥重要作用。

附图说明

[0032] 图1为本发明实施例中采用基于主动辐射照明源的在轨辐射定标系统为空间相机实施在轨辐射定标的示意图，图中：1为主动辐射照明源，2主动辐射照明源的发散角
(120°)，3为摆放主动辐射照明源地面，4为左侧摆卫星空间相机，5为平飞卫星空间相相机，
6为右侧摆卫星空间相机，7为卫星飞行高度，8为卫星的视场角，9为大气透过率测试装置；

[0033] 图2为本发明实施例中提供的在轨辐射定标系统的主动辐射照明源摆放示意图，图中A1、A2、A3、A4、A5为A组主动辐射照明源，B1、B2、B3、B4、B5为B组主动辐射照明源，C1、
C2、C3、C4、C5为C组主动辐射照明源，F为大气透过率测试装置；

[0034] 图3a为本发明实施例中提供的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统中主动辐射照明源产生的理想图像示意图；

[0035] 图3b为本发明实施例中提供的空间相机在轨辐射定标系统中主动辐射照明源产生的弥散为2×2图像示意图；

[0036] 图3c为本发明实施例中提供的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统中主动辐射照明源产生的弥散3×3个像元的图像示意图；

[0037] 图4为本发明实施例中提供的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统的辐射响应关系示意图，图中，L1、L2、L3、L4、L5为主动辐射照明源的辐射亮度，Y1、Y2、Y3、
Y4、Y5为对应主动辐射照明源产生的图像灰度值；

[0038] 图5为本发明实施例中提供的基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标方法的流程图。

具体实施方式

[0039] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是
本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本发明保护的范
围。

[0040] 本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次
序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了
在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变
形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品
或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些
过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0041] 结合图1所示，本发明提供一种在轨辐射定标系统，包括主动辐射照明源、大气透过率测试装置、空间相机，所述主动辐射照明源采用多种波长的LED光源经过光谱匹配形成
的面辐射照明源，所述空间相机为光学遥感卫星的载荷，所述空间相机获取所述主动辐射
照明源对应的数字图像，根据所述数字图像确定所述主动辐射照明源的图像灰度值，根据
所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率确定所述光学成像卫星入瞳处
的第二辐射亮度，根据所述第二辐射亮度和所述图像灰度值建立线性响应关系方程组，利
用所述线性响应关系方程组和所述大气透过率确定所述空间相机的响应度。

[0042] 结合图1所示，主动辐射照明源1摆放在地面3上，其发散角2达到120°，利用大气透过率测试装置9测试定标时刻的大气透过率，主动辐射照明源1发出的辐射便于被不同方向
卫星上的空间相机所接收，无论是左侧摆的成像卫星空间相机4，平飞的成像卫星空间相机
5，还是右侧摆的成像卫星空间相机6，主动辐射照明源发出的辐射被卫星上空间相机所接
收，并转换为数字图像，在晴朗的天气情况下，在卫星的飞行高度为7和空间相机视场角为8
以及侧摆角所覆盖的地面区域内，主动辐射照明源摆放在地面上，只需要经过简单的调平，
即可满足在轨辐射定标要求。

[0043] 如图2所示，主动辐射照明源包括三组子主动辐射照明源，分别为第一子主动辐射照明源组、第二子主动辐射照明源组以及第三子主动辐射照明源组，所述第一子主动辐射
照明源组、所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明源组内部包含5个
主动辐射照明源，它们之间的间隔为5或10倍的空间相机地面像元分辨率。

[0044] 具体地，所述第一子主动辐射照明源组及所述第二子主动辐射照明源组的横向间隔5.2倍或10.2倍的空间相机地面像元分辨率，所述第二子主动辐射照明源组以及所述第
三子主动辐射照明源组的横向间隔5.2倍或10.2倍的空间相机地面像元分辨率。

[0045] 具体地，所述第一子主动辐射照明源组、所述第二子主动辐射照明源组的间隔在纵向偏移0.2倍像元分辨率，所述第二子主动辐射照明源组以及所述第三子主动辐射照明
源组的间隔在纵向偏移0.2倍空间相机地面像元分辨率。

[0046] 具体地，所述第一子主动辐射照明源组包括第一子主动辐射照明源A1的辐射亮度为0.8L、第二子主动辐射照明源A2的辐射亮度为0.6L、第三子主动辐射照明源A3的辐射亮
度为0.4L、第四子主动辐射照明源A4的辐射亮度为0.2L、第五子主动辐射照明源的辐射亮
度为0L，其中第五子主动辐射照明源A5的辐射亮度为0L，即不点亮，用于背景辐射亮度和大
气散射辐射亮度的扣除，所述主动辐射照明源所能提供的最大辐射亮度为1.0L。

[0047] 具体地，所述第二子主动辐射照明源组包括第六子主动辐射照明源B1的辐射亮度为0.9L、第七子主动辐射照明源B2的辐射亮度为0.7L、第八子主动辐射照明源B3的辐射亮
度为0.5L、第九子主动辐射照明源B4的辐射亮度为0.3L、第十子主动辐射照明源B5的辐射
亮度为0.1L。

[0048] 可选地，所述第三子主动辐射照明源组包括第十一子主动辐射照明源C1的辐射亮度为0.75L、第十二子主动辐射照明源C2的辐射亮度为0.55L、第十三子主动辐射照明源C3
的辐射亮度为0.35L、第十四子主动辐射照明源C4的辐射亮度为0.25L、第十五子主动辐射
照明源C5的辐射亮度为0.15L。

[0049] 可选地，第一至第十五主动辐射照明源的辐射亮度，可根据空间相机定标的需要进行变动，对此不做限定。

[0050] 如图3所示，由于主动辐射照明源的面积小于等于空间相机的像元分辨率，相当于点源成像，经过卫星空间相机光学成像后在成像在焦平面上，较理想的图像如3a所示，但是
由于像元光斑弥散，获得图像如3b或3c所示，因此在计算的辐射照明源对应的图像灰度值Y
时，计算相邻的2×2，3×3，4×4，或者5×5个像元灰度值求和，图像灰度值Y的计算公式为：

[0051]

[0052] 其中：k为主动辐射照明源序号，x,y为像元序号，i,j为左上角像元序号，M,N为右下角像元序号。

[0053] 在实施在轨辐射定标时，利用大气透过率测试装置实时测试大气透过率。

[0054] 如图4所示，主动辐射照明源发出的辐射亮度与对应的像元灰度值成线性响应关系，图中L1、L2、L3、L4、L5为主动辐射照明源A1、A2、A3、A4、A5或者B1、B2、B3、B4、A5或者C1、
C2、C3、C4、A5发出的辐射亮度，为在地面实测的辐射亮度。其中A5不点亮，主要用于定标时
背景辐射亮度和大气散射辐射亮度的扣除。Y1、Y2、Y3、Y4、Y5为对应主动辐射照明源的产生
的图像灰度值，其中Y5对应的灰度值是由太阳光及天空光照射到主动辐射照明源A5及周边
背景后产生的辐射经过大气辐射传输后产生的辐射亮度，包含大气透过率和大气散射辐射
亮度。

[0055] 辐射响应度的数据处理方法，相机入瞳处的辐射亮度如式(2)所示，主要包括三部分，其一，地面辐射源发出的辐射经过大气辐射传输到达相机入瞳处的辐射亮度；其二，太
阳光及天空光入射到地面辐射源及周边场地，经过其反射，再经大气辐射传输到达相机入
瞳的辐射亮度；其三，大气散射辐射亮度。

[0056] LCAM＝LS·τATM+LSCE·τATM+LATM     (2)

[0057] 式中：

[0058] LCAM表示相机入瞳处的第二辐射亮度；

[0059] LS表示主动辐射照明源产生的第一辐射亮度；

[0060] τATM表示大气透过率；

[0061] LSCE表示太阳光及天空光入射到主动辐射照明源及周边场地后的反射辐射亮度，即背景辐射亮度；

[0062] LATM表示大气散射辐射亮度。

[0063] 空间相机为典型的辐射亮度系统，其输出的图像灰度值与相机入瞳处的辐射亮度呈线性响应关系。

[0064] 根据公式(2)和该辐射定标方法，建立方程组(3)：

[0065]

[0066] 扣除背景辐射亮度和大气散射辐射亮度后，获得方程组(4)：

[0067]

[0068] 在方程组(4)中，只有大气透过率τATM和响应度R是未知量，而大气透过率可利用CE318等大气透过率测试装置实时测得，利用最小二乘法求解方程组(4)，即可获得空间相
机的响应度R。

[0069] 本发明中在方程组(3)中仅列出了5个方程式，还可以利用B组和C组中主动辐射照明源的辐射亮度和对应的图像灰度值，建立更多的方程式。利用最小二乘法，求解绝对辐射
响应度。

[0070] 本发明采用主动辐射照明源为空间相机实施的在轨辐射定标系统，具有体积小、重量轻、发散角大、便于运输、定标地点选取灵活等特点，由多个主动辐射照明源组成的在
轨定标系统相当于一个可移动的辐射定标场，依据在轨卫星定标任务，灵活选取定标地点，
避开天气等不利因素影响，大幅缩短定标任务周期，提高定标频次，降低定标成本，在未来
空间相机在轨辐射定标领域将发挥重要作用。

[0071] 结合图5所示，对应地，本发明提供一种在轨辐射定标方法，所述方法包括：

[0072] S501、地面辐射定标工作准备，包括定标地点选取、主动辐射照明源的摆放、亮度控制、大气透过率装置进入测试状态等。

[0073] S502、获取主动辐射照明源对应的数字图像；

[0074] S503、根据所述数字图像确定所述主动辐射照明源产生的图像灰度值；

[0075] S504、根据所述主动辐射照明源产生的第一辐射亮度以及大气透过率确定所述空间相机入瞳处的第二辐射亮度；

[0076] S505、根据所述第二辐射亮度和所述图像灰度值建立线性响应关系；

[0077] S506、利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定所述空间相机的响应度。

[0078] 可选地，所述根据所述数字图像确定所述主动辐射照明源产生图像灰度值，包括：

[0079] 获取所述数字图像上主动辐射照明源相邻的N×N像元的灰度值，并根据第一计算公式计算图像灰度值Y，所述第一计算公式为：

[0080]

[0081] 其中：k为主动辐射照明源序号，x,y为像元序号，i,j为左上角像元序号，M,N为右下角像元序号。

[0082] 可选地，根利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定所述空间相机的响应度，包括

[0083] 利用第二计算公式计算所述空间相机入瞳处的第二辐射亮度，第二辐射亮度的第二计算公式为：

[0084] LCAM＝LS·τATM+LSCE·τATM+LATM；

[0085] 式中：

[0086] LCAM表示相机入瞳处的第二辐射亮度，LS表示主动辐射照明源产生的第一辐射亮度，τATM表示大气透过率，LSCE表示太阳光及天空光入射到主动辐射照明源及周边场地后的
反射辐射亮度，LATM表示大气散射辐射亮度；

[0087] 根据第二计算公式和空间相机的辐射响应关系建立第一方程组，所述第一方程组为：

[0088]

[0089] 所述利用所述线性响应关系和所述大气透过率确定所述空间相机的响应度，包括：

[0090] 将所述第一方程组中扣除背景辐射和大气散射辐射亮度获得第二方程组，根据所述第二方程组和大气透过率计算空间相机的辐射响应度R，所述第二方程组为

[0091]

[0092] 如图2所示，A1、A2、A3、A4、A5组成A组主动辐射照明源，B1、B2、B3、B4、B5组成B组主动辐射照明源，C1、C2、C3、C4、C5组成C组主动辐射照明源。在地面背景辐射单一的场地，如
操场、体育场、郊区宽阔的公路、草原、水库大坝等，选取约50m×15m的区域或更大的区域，
按如图2所示的方式摆放主动辐射照明源。其中A组、B组和C组内的5个主动辐射照明源的间
隔为5至10倍的像元分辨率，A组和B组横向间隔5.2倍或10.2倍的像元分辨率，B组和C组横
向间隔5.2倍或10.2倍的像元分辨率，B组的B1较A组的A1间隔在纵向偏移0.2倍像元分辨
率，C组的C1较B组的B1间隔在纵向偏移0.2倍GSD，主动辐射照明源可以自主控制其发出的
辐射亮度，例如辐射照明源的最大辐射亮度为L，可以设置各个主动辐射照明源的辐射亮度
如下，A1的辐射亮度为0.8L、A2的辐射亮度为0.6L、A3的辐射亮度为0.4L、A4的辐射亮度为
0.2L、A5的辐射亮度为0L；B1的辐射亮度为0.9L、B2的辐射亮度为0.7L、B3的辐射亮度为
0.5L、B4的辐射亮度为0.3L、B5的辐射亮度为0.1L；C1的辐射亮度为0.75L、C2的辐射亮度为
0.55L、C3的辐射亮度为0.35L、C4的辐射亮度为0.25L、C5的辐射亮度为0.15L；形成各种不
同的辐射亮度等级。其中A5的辐射亮度为0L，即不点亮，用于背景辐射亮度和大气散射辐射
亮度的扣除。在实施在轨辐射定标时，利用大气透过率测试装置F实时测试大气透过率。

[0093] 如图3a、3b、3c所示，由于主动辐射照明源的面积小于等于空间相机的像元分辨率，相当于点源成像，经过卫星空间相机光学成像后在成像在焦平面上，较理想的图像如3a
所示，但是由于像元光斑弥散，获得图像如3b或3c所示，因此在计算的辐射照明源对应的图
像灰度值时，计算相邻的2×2，3×3，4×4，或者5×5个像元灰度值求和。如式(1)所示

[0094]

[0095] 其中：k为主动辐射照明源序号，x,y为像元序号，i,j为左上角像元序号，M,N为右下角像元序号。

[0096] 如图4所示，主动辐射照明源发出的辐射亮度与对应的像元灰度值成线性响应关系，图中L1、L2、L3、L4、L5为主动辐射照明源A1、A2、A3、A4、A5或者B1、B2、B3、B4、A5或者C1、
C2、C3、C4、A5发出的辐射亮度，为在地面实测的辐射亮度。其中A5不点亮，主要用于定标时
背景辐射亮度和大气散射辐射亮度的扣除。Y1、Y2、Y3、Y4、Y5为对应主动辐射照明源的产生
的图像灰度值，由公式(1)获得。其中Y5对应的灰度值是由太阳光及天空光照射到主动辐射
照明源A5及周边背景后产生的辐射经过大气辐射传输后产生的辐射亮度，包含大气透过率
和大气散射辐射亮度。

[0097] 辐射响应度的数据处理方法，相机入瞳处的辐射亮度如式(2)所示，主要包括三部分，其一，地面辐射源发出的辐射经过大气辐射传输到达相机入瞳处的辐射亮度；其二，太
阳光及天空光入射到地面辐射源及周边场地，经过其反射，再经大气辐射传输到达相机入
瞳的辐射亮度；其三，大气散射辐射亮度。

[0098] LCAM＝LS·τATM+LSCE·τATM+LATM         (2)

[0099] 式中：

[0100] LCAM——相机入瞳处的辐射亮度；

[0101] LS——主动辐射照明源产生的辐射亮度；

[0102] τATM——大气透过率；

[0103] LSCE——太阳光及天空光入射到主动辐射照明源及周边场地后的反射辐射亮度，即背景辐射亮度；

[0104] LATM——大气散射辐射亮度。

[0105] 空间相机为典型的辐射亮度系统，其输出的图像灰度值与相机入瞳处的辐射亮度呈线性响应关系。

[0106] 根据公式(2)和该辐射定标方法，建立方程组(3)：

[0107]

[0108] 扣除背景辐射亮度和大气散射辐射亮度后，获得方程组(4)：

[0109]

[0110] 在方程组(4)中，只有大气透过率τATM和响应度R是未知量。而大气透过率可利用CE318等大气透过率测试装置实时测得。利用最小二乘法求解方程组(4)，即可获得空间相
机的响应度R。

[0111] 本发明中在方程组(3)中仅列出了5个方程式，还可以利用B组和C组中主动辐射照明源的辐射亮度和对应的图像灰度值，建立更多的方程式，利用最小二乘法，求解绝对辐射
响应度。

[0112] 本发明采用主动辐射照明源为空间相机实施的在轨辐射定标方法，并建立相应的在轨定标系统，具有体积小、重量轻、发散角大、便于运输、定标地点选取灵活等特点，由多
个主动辐射照明源组成的在轨定标系统相当于一个可移动的辐射定标场，依据在轨卫星定
标任务，灵活选取定标地点，避开天气等不利因素影响，大幅缩短定标任务周期，提高定标
频次，降低定标成本，在未来空间相机在轨辐射定标领域将发挥重要作用。

[0113] 所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

[0114] 在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的
划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如各个主动辐射照
明源的亮度控制，可以采用其它的比例，形成多个亮度点。例如多个单元或组件可以结合或
者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互
之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连
接，可以是电性，机械或其它的形式。

[0115] 所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目
的。

[0116] 另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

[0117] 本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储
介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random 
Access Memory)、磁盘或光盘等。

[0118] 以上对本发明所提供的一种基于主动辐射照明源的空间相机在轨辐射定标系统及方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实
施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限
制。