[發明專利]一種面向星地激光通信的紅外云成像儀系統

在審

• 申請號: 202010436550.3
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111811656A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 張智勇
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01J5/00
• 分類號: G01J5/00;G01N21/84;G06F16/58;G06T7/50;G06T7/80
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 彭雄

1.一種面向星地激光通信的紅外云成像儀系統，其特征在于：包括光學感應模塊、通信控制模塊、算法單元，其中：

光學感應模塊由微波輻射熱計相機搭載廣角鏡頭組成，光學感應模塊用于將焦平面陣列采集到的場景輻射值轉化為數據流格式；

通信控制模塊利用微型計算機，采用服務器-客戶端模式，將設備的服務器端口打開之后，能夠接收多個用戶在線訪問和下載云圖像數據，用戶根據自身需求制定拍攝時間間隔，圖像以時間戳的格式命名并保存在客戶本地數據庫中；

算法單元包括輻射定標算法模塊和云的光學深度算法模塊，輻射定標算法模塊用于解決非制冷焦平面陣列相機的溫度漂移問題，通過非制冷焦平面陣列溫度依賴模型來補償設備受環境溫度變化的響應，提高相機響應的準確性；云的光學深度算法模塊利用原始遙感圖像和實時溫度數據，能夠得出云的輻射圖像；利用云的輻射圖像和大氣傳輸模型的結果，能夠得出云的光學深度；將云的光學深度與星地激光通信質量相關聯，得到直觀的數據可用于判斷激光通信鏈路的傳輸狀況；

輻射定標算法模塊將微波輻射熱計相機的輸出與場景源的溫度輻射構建聯系，對此依賴進行補償：

修正焦平面陣列溫度依賴：

相機的響應輸出為：D_N＝G(T)L_t+B(T)，其中，D_N表示相機的輸出值，G(T)是溫度相關增益，T表示場景溫度，L_t表示場景輻射，B(T)是與溫度相關的偏移量；

相機的溫度修正方程為：其中，D_Nc是焦平面陣列溫度校正的輸出值，△T是焦平面陣列溫度和25℃的參考溫度之間的差值，b(ΔT)是溫度相關的偏差校正，被描述為一個多項式函數與3個溫度條件ΔT、ΔT²、ΔT³和1個常量偏置○₁有關，即：

b(ΔT)＝b₁ΔT+b₂ΔT²+b_sΔT³-○₁

m(ΔT)是溫度相關的增益校正，被描述為1個標量乘FPA溫差，即：

m(ΔT)＝m₁ΔT

則修正后的DN值與場景輻射值的關系為：

其中，b₁表示一維校正參數，b₂表示二維校正參數，b_s表示三維校正參數，m₁表示溫度校正參數，L_sky表示場景輻射，g表示溫度相關增益，b表示溫度相關偏移量；

云的光學深度算法模塊通過大氣傳輸模型計算出的從云高到地面的7.5μm～13.5μm的紅外波段大氣路徑總的輻射值和大氣的平均透過率，利用公式計算出云的發射率：

其中，ε為云的發射率，L_cld為紅外云成像儀獲取的云輻射值，L_a為當地大氣路徑下總的輻射值，τ為大氣路徑下的平均透過率，L_bb為同等溫度下的黑體的輻射值；

根據云的發射率與光學深度的關系式：

其中，σ表示；

最終能夠得到云的光學深度圖像，將云的光學深度與激光通信質量相關聯，能夠得到不同光學深度數值下，通信鏈路的狀況，以達到激光通信鏈路狀態最優化的目的。

2.根據權利要求1所述面向星地激光通信的紅外云成像儀系統，其特征在于：包括溫度控制模塊、溫度控制模塊包括溫度調節設備和溫度控制器，溫度控制器通過溫度傳感器感知獲取紅外云成像系統內部實時溫度信息，并通過控制溫度調節設備的電源對儀器內部進行升降溫處理、保持內部工作溫度恒定，工作的啟動閾值溫度根據安裝地點的氣候環境在安裝時進行設定。

3.根據權利要求1所述面向星地激光通信的紅外云成像儀系統，其特征在于：廣角鏡頭上方安置一個同等尺寸的鍺玻璃片。