遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，包括如下步驟：根據(jù)遙感衛(wèi)星軌道和成像傳感器參數(shù)，通過(guò)模擬遙感衛(wèi)星遙測(cè)場(chǎng)景，導(dǎo)出遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息；由位置和速度信息，根據(jù)地球固聯(lián)坐標(biāo)系、遙感衛(wèi)星坐標(biāo)系、成像傳感器坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，得到不同時(shí)刻成像面與物面的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系；根據(jù)成像傳感器坐標(biāo)系到地球固聯(lián)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣M和圖像坐標(biāo)系到成像傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣M′，生成不同時(shí)刻、不同成像譜段下，遙感衛(wèi)星地球臨邊背景紅外能量圖。本方法能對(duì)遙感衛(wèi)星軌道的任意時(shí)刻進(jìn)行地球臨邊背景特性的紅外成像仿真，覆蓋紅外多波段，且算法簡(jiǎn)單，適應(yīng)動(dòng)平臺(tái)。
【專利說(shuō)明】遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于遙感圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在地球背景和深空背景邊界存在漸變大氣層，通常認(rèn)為臨邊大氣高度O到150km范圍為臨邊背景。地球臨邊探測(cè)是遙感衛(wèi)星重要的探測(cè)方式之一，因此，地球臨邊背景是遙感圖像重要的組成部分。地球臨邊背景的研究越來(lái)越受關(guān)注，其輻射特性比地球背景更復(fù)雜，它包括大氣、大氣重力波、氣輝、極光、云層等輻射，各種成分輻射特性的復(fù)雜性，導(dǎo)致地球臨邊背景的輻射特性更為復(fù)雜。由于地球臨邊背景的真實(shí)紅外圖像難以獲得，同時(shí)，尚不存在全面的地球臨邊背景建模和仿真方法，因此，對(duì)地球臨邊背景特性的紅外成像仿真尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其目的在于建立遙感衛(wèi)星臨邊背景成像仿真模型，通過(guò)分析遙感衛(wèi)星地球臨邊背景輻射特性，生成地球臨邊背景仿真圖像，由此解決當(dāng)今缺乏地球臨邊背景紅外圖像仿真方法的技術(shù)問(wèn)題。該方法使臨邊背景特性的紅外仿真更加準(zhǔn)確，且模型簡(jiǎn)單，適用于動(dòng)平臺(tái)，可覆蓋紅外多波段仿真。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0005]( I)根據(jù)遙感衛(wèi)星軌道和成像傳感器參數(shù)，通過(guò)模擬遙感衛(wèi)星遙測(cè)場(chǎng)景，導(dǎo)出遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息；
[0006](2)由步驟(I)得到的遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息，根據(jù)地球固聯(lián)坐標(biāo)系、遙感衛(wèi)星坐標(biāo)系、成像傳感器坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，得到不同時(shí)刻成像面與物面的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，所述轉(zhuǎn)換關(guān)系包括成像傳感器坐標(biāo)系到地球固聯(lián)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣M和圖像坐標(biāo)系到成像傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣M,；
[0007](3)根據(jù)M和M'，生成不同時(shí)刻、不同成像譜段下，遙感衛(wèi)星地球臨邊背景紅外能量圖。
[0008]優(yōu)選地，所述步驟(3)進(jìn)一步包括如下步驟:
[0009](3-1)對(duì)于遙感衛(wèi)星成像面上的任意一點(diǎn)P(u，V)，根據(jù)M'得到P點(diǎn)所在視線在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xl，Y1, Z1)，再根據(jù)M得到P點(diǎn)所在視線在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(χ, y, z)；
[0010](3-2)在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下，根據(jù)P點(diǎn)所在視線與地球的位置關(guān)系，判定P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的背景類型；
[0011](3-3)根據(jù)P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的背景類型，計(jì)算成像面上P點(diǎn)的輻照度E。[0012]優(yōu)選地，所述步驟(3-2)的具體實(shí)現(xiàn)方式為:(Al)若P點(diǎn)所在視線與地球無(wú)交點(diǎn)，且切線高度大于150km，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)深空背景；(A2)若P點(diǎn)所在視線與地球無(wú)交點(diǎn)，且切線高度小于或等于150km，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)臨邊背景；(A3)若P點(diǎn)所在視線與地球有兩個(gè)交點(diǎn)，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)地球背景；(M)若P點(diǎn)所在視線與地球只有一個(gè)交點(diǎn)，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)地球背景和臨邊背景的分界線。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟(3-3)中，物面背景區(qū)域?qū)?yīng)的輻射強(qiáng)度按如下方法確定:(BI)地球背景:根據(jù)P點(diǎn)所在視線與地球的交點(diǎn)位置及地球背景能量圖，計(jì)算其所在區(qū)域?qū)?yīng)的輻射強(qiáng)度；(B2)臨邊背景:根據(jù)P點(diǎn)所在視線的切線高度，得到在該切線高度的包括大氣、云層和極光在內(nèi)的輻射強(qiáng)度；(B3)深空背景:其所在區(qū)域?qū)?yīng)的輻射強(qiáng)度為O。
[0014]優(yōu)選地，物面背景為臨邊背景時(shí)，云層的輻射強(qiáng)度按如下方法計(jì)算得到:(Cl)計(jì)算P點(diǎn)的太陽(yáng)高度角h，判斷h是否大于0，是則執(zhí)行步驟(C2)，否則過(guò)程結(jié)束；(C2)計(jì)算P點(diǎn)所在視線與地球的切點(diǎn)所在位置的經(jīng)緯度；(C3)根據(jù)經(jīng)緯度選擇云的覆蓋率；(C4)根據(jù)云的覆蓋率、厚度和高度，計(jì)算選定波段的輻射強(qiáng)度。
[0015]優(yōu)選地，還包括步驟(4)，所述步驟(4)為:對(duì)獲得的遙感背景能量圖按如下公式進(jìn)行量化處理，得到遙感衛(wèi)星地球臨邊背景紅外灰度圖:
[0016]嫌/"她][./]=-D，

log(max)- log(min)
[0017]其中，inlmg[i] [j]為輸入圖像行列坐標(biāo)為(i, j)的點(diǎn)的能量值，outImg[i] [j]為經(jīng)過(guò)量化處理后輸出的灰度值，max.min分別為輸入圖像中輻射能量的最大值和最小值，N為灰度圖位數(shù)。
[0018]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0019]1、對(duì)臨邊狀態(tài)背景復(fù)雜的紅外輻射特性進(jìn)行分析和研究，建立了地球臨邊背景輻射模型，解決了現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有全面的地球臨邊背景建模和仿真方法的難題。
[0020]2、本方法考慮了包括大氣、極光、重力波、云層在內(nèi)的因素對(duì)地球臨邊背景輻射的影響，使臨邊背景特性的紅外仿真更加準(zhǔn)確。
[0021]3、本方法模型簡(jiǎn)單，適用于動(dòng)平臺(tái)，可覆蓋紅外多波段仿真。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法流程圖；
[0023]圖2是各坐標(biāo)系的示意圖；
[0024]圖3是遙感衛(wèi)星成像面與物面映射示意圖；
[0025]圖4是地球面源到像元的輻照度計(jì)算模型；
[0026]圖5是地球臨邊背景云層輻射強(qiáng)度計(jì)算方法流程圖；
[0027]圖6是白天2.7um地球臨邊背景紅外灰度圖；
[0028]圖7是夜間2.7um地球臨邊背景紅外灰度圖；
[0029]圖8是白天4.3um地球臨邊背景紅外灰度圖；
[0030]圖9是夜間4.3um地球臨邊背景紅外灰度圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0032]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法包括如下步驟:
[0033](1)根據(jù)遙感衛(wèi)星軌道和成像傳感器參數(shù)，通過(guò)模擬遙感衛(wèi)星遙測(cè)場(chǎng)景，調(diào)節(jié)成像傳感器光軸指向，使其能探測(cè)到臨邊背景，導(dǎo)出遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息。
[0034]如某軌道遙感衛(wèi)星:軌道高度1600公里，傾角102.51 °，離心率0，視場(chǎng)
13。X13°。
[0035](2)由步驟(1)得到的遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息，根據(jù)地球固聯(lián)坐標(biāo)系、遙感衛(wèi)星坐標(biāo)系、成像傳感器坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，得到不同時(shí)刻成像面與物面的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。
[0036]各坐標(biāo)系的示意圖如圖2所示，其中，地球固聯(lián)坐標(biāo)系:X軸指向本初子午線，Z軸指向正北，按照右手螺旋法則確定Y軸方向；遙感衛(wèi)星坐標(biāo)系:以衛(wèi)星位置Os為原點(diǎn)，Zs始終指向地心，Xs指向軌道切線方向，Ys由右手定則確定；成像傳感器坐標(biāo)系:該坐標(biāo)系原點(diǎn)
O。與衛(wèi)星位置Os重合，成像傳感器指向Z。的方向由在衛(wèi)星坐標(biāo)系下定義的坐標(biāo)(久識(shí))來(lái)確定，其中Θ為矢量Z。在XsOsYs平面上的投影與Xs正半軸的夾角，供定義為矢量Z。與Zs正半軸的夾角，X。軸方向由指向Z。與衛(wèi)星坐標(biāo)系XsOsYs平面的法向量叉乘得到，按照右手螺旋法則確定Y。軸；圖像坐標(biāo)系:衛(wèi)星相機(jī)所成的圖像以像素為單位，每個(gè)像素的坐標(biāo)是該像素所在的行數(shù)和列數(shù)，像素坐標(biāo)以(U，V)表示。
[0037]已知地心在地球固聯(lián)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為0(0，O, O)，衛(wèi)星在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為Os (xs, ys, zs),衛(wèi)星的速度矢量為ve (vex, vey, vez)。設(shè)衛(wèi)星坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸OXs, OYs, OZs
的方向向量為
【權(quán)利要求】
1.一種遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)根據(jù)遙感衛(wèi)星軌道和成像傳感器參數(shù)，通過(guò)模擬遙感衛(wèi)星遙測(cè)場(chǎng)景，導(dǎo)出遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息； (2)由步驟(1)得到的遙感衛(wèi)星不同時(shí)刻在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的位置和速度信息，根據(jù)地球固聯(lián)坐標(biāo)系、遙感衛(wèi)星坐標(biāo)系、成像傳感器坐標(biāo)系、圖像坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系，得到不同時(shí)刻成像面與物面的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，所述轉(zhuǎn)換關(guān)系包括成像傳感器坐標(biāo)系到地球固聯(lián)坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換矩陣M和圖像坐標(biāo)系到成像傳感器坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣M,； (3)根據(jù)M和M'，生成不同時(shí)刻、不同成像譜段下，遙感衛(wèi)星地球臨邊背景紅外能量圖。
2.如權(quán)利要求1所述的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，所述步驟(3)進(jìn)一步包括如下步驟: (3-1)對(duì)于遙感衛(wèi)星成像面上的任意一點(diǎn)P(u，v)，根據(jù)M'得到P點(diǎn)所在視線在傳感器坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(Xl，Y1, Z1)，再根據(jù)M得到P點(diǎn)所在視線在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(χ, y, z)； (3-2)在地球固聯(lián)坐標(biāo)系下，根據(jù)P點(diǎn)所在視線與地球的位置關(guān)系，判定P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的背景類型； (3-3)根據(jù)P點(diǎn)對(duì)應(yīng)的背景類型，計(jì)算成像面上P點(diǎn)的輻照度E。
3.如權(quán)利要求2所述的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，所述步驟(3-2)的具體實(shí)現(xiàn)方式為:(Al)若P點(diǎn)所在視線與地球無(wú)交點(diǎn)，且切線高度大于150km，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)深空背景；(A2)若P點(diǎn)所在視線與地球無(wú)交點(diǎn)，且切線高度小于或等于150km，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)臨邊背景；(A3)若P點(diǎn)所在視線與地球有兩個(gè)交點(diǎn)，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)地球背景；(M)若P點(diǎn)所在視線與地球只有一個(gè)交點(diǎn)，則認(rèn)為P點(diǎn)對(duì)應(yīng)地球背景和臨邊背景的分界線。
4.如權(quán)利要求2所述的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，所述步驟(3-3)中，物面背景區(qū)域?qū)?yīng)的輻射強(qiáng)度按如下方法確定: (BI)地球背景:根據(jù)P點(diǎn)所在視線與地球的交點(diǎn)位置及地球背景能量圖，計(jì)算其所在區(qū)域?qū)?yīng)的輻射強(qiáng)度； (B2)臨邊背景:根據(jù)P點(diǎn)所在視線的切線高度，得到在該切線高度的包括大氣、云層和極光在內(nèi)的輻射強(qiáng)度； (B3)深空背景:其所在區(qū)域?qū)?yīng)的輻射強(qiáng)度為O。
5.如權(quán)利要求4所述的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，物面背景為臨邊背景時(shí)，云層的輻射強(qiáng)度按如下方法計(jì)算得到:(Cl)計(jì)算P點(diǎn)的太陽(yáng)高度角h，判斷h是否大于0，是則執(zhí)行步驟(C2)，否則過(guò)程結(jié)束；(C2)計(jì)算P點(diǎn)所在視線與地球的切點(diǎn)所在位置的經(jīng)緯度；(C3)根據(jù)經(jīng)緯度選擇云的覆蓋率；(C4)根據(jù)云的覆蓋率、厚度和高度，計(jì)算選定波段的輻射強(qiáng)度。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的遙感衛(wèi)星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，其特征在于，還包括步驟(4)，所述步驟(4)為:對(duì)獲得的遙感背景能量圖按如下公式進(jìn)行量化處理，得到遙感衛(wèi)星地球臨邊背景紅外灰度圖:
【文檔編號(hào)】G01J5/00GK103743488SQ201310740551
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月28日
【發(fā)明者】張?zhí)煨? 肖聰, 張俊青, 陳昌勝, 姚守悝 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)