遙感衛星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法
【專利摘要】本發明公開了一種遙感衛星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法，包括如下步驟：根據遙感衛星軌道和成像傳感器參數，通過模擬遙感衛星遙測場景，導出遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息；由位置和速度信息，根據地球固聯坐標系、遙感衛星坐標系、成像傳感器坐標系、圖像坐標系之間的映射關系，得到不同時刻成像面與物面的相互轉換關系；根據成像傳感器坐標系到地球固聯坐標系的旋轉變換矩陣M和圖像坐標系到成像傳感器坐標系的轉換關系矩陣M′，生成不同時刻、不同成像譜段下，遙感衛星地球臨邊背景紅外能量圖。本方法能對遙感衛星軌道的任意時刻進行地球臨邊背景特性的紅外成像仿真，覆蓋紅外多波段，且算法簡單，適應動平臺。
【專利說明】遙感衛星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于遙感圖像處理【技術領域】，更具體地，涉及一種遙感衛星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法。
【背景技術】
[0002]在地球背景和深空背景邊界存在漸變大氣層，通常認為臨邊大氣高度O到150km范圍為臨邊背景。地球臨邊探測是遙感衛星重要的探測方式之一，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越受關注，其輻射特性比地球背景更復雜，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雜性，導致地球臨邊背景的輻射特性更為復雜。由于地球臨邊背景的真實紅外圖像難以獲得，同時，尚不存在全面的地球臨邊背景建模和仿真方法，因此，對地球臨邊背景特性的紅外成像仿真尤為重要。
【發明內容】
[0003]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種遙感衛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星臨邊背景成像仿真模型，通過分析遙感衛星地球臨邊背景輻射特性，生成地球臨邊背景仿真圖像，由此解決當今缺乏地球臨邊背景紅外圖像仿真方法的技術問題。該方法使臨邊背景特性的紅外仿真更加準確，且模型簡單，適用于動平臺，可覆蓋紅外多波段仿真。
[0004]為實現上述目的，本發明提供了一種遙感衛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)根據遙感衛星軌道和成像傳感器參數，通過模擬遙感衛星遙測場景，導出遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息；
[0006](2)由步驟(I)得到的遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息，根據地球固聯坐標系、遙感衛星坐標系、成像傳感器坐標系、圖像坐標系之間的映射關系，得到不同時刻成像面與物面的相互轉換關系，所述轉換關系包括成像傳感器坐標系到地球固聯坐標系的旋轉變換矩陣M和圖像坐標系到成像傳感器坐標系的轉換關系矩陣M,；
[0007](3)根據M和M'，生成不同時刻、不同成像譜段下，遙感衛星地球臨邊背景紅外能量圖。
[0008]優選地，所述步驟(3)進一步包括如下步驟:
[0009](3-1)對于遙感衛星成像面上的任意一點P(u，V)，根據M'得到P點所在視線在傳感器坐標系下的坐標(Xl，Y1, Z1)，再根據M得到P點所在視線在地球固聯坐標系下的坐標(χ, y, z)；
[0010](3-2)在地球固聯坐標系下，根據P點所在視線與地球的位置關系，判定P點對應的背景類型；
[0011](3-3)根據P點對應的背景類型，計算成像面上P點的輻照度E。[0012]優選地，所述步驟(3-2)的具體實現方式為:(Al)若P點所在視線與地球無交點，且切線高度大于150km，則認為P點對應深空背景；(A2)若P點所在視線與地球無交點，且切線高度小于或等于150km，則認為P點對應臨邊背景；(A3)若P點所在視線與地球有兩個交點，則認為P點對應地球背景；(M)若P點所在視線與地球只有一個交點，則認為P點對應地球背景和臨邊背景的分界線。
[0013]優選地，所述步驟(3-3)中，物面背景區域對應的輻射強度按如下方法確定:(BI)地球背景:根據P點所在視線與地球的交點位置及地球背景能量圖，計算其所在區域對應的輻射強度；(B2)臨邊背景:根據P點所在視線的切線高度，得到在該切線高度的包括大氣、云層和極光在內的輻射強度；(B3)深空背景:其所在區域對應的輻射強度為O。
[0014]優選地，物面背景為臨邊背景時，云層的輻射強度按如下方法計算得到:(Cl)計算P點的太陽高度角h，判斷h是否大于0，是則執行步驟(C2)，否則過程結束；(C2)計算P點所在視線與地球的切點所在位置的經緯度；(C3)根據經緯度選擇云的覆蓋率；(C4)根據云的覆蓋率、厚度和高度，計算選定波段的輻射強度。
[0015]優選地，還包括步驟(4)，所述步驟(4)為:對獲得的遙感背景能量圖按如下公式進行量化處理，得到遙感衛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為(i, j)的點的能量值，outImg[i] [j]為經過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。
[0018]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效果:
[0019]1、對臨邊狀態背景復雜的紅外輻射特性進行分析和研究，建立了地球臨邊背景輻射模型，解決了現有技術沒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、云層在內的因素對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確。
[0021]3、本方法模型簡單，適用于動平臺，可覆蓋紅外多波段仿真。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1是本發明實施例的遙感衛星地球臨邊背景特性的紅外成像仿真方法流程圖；
[0023]圖2是各坐標系的示意圖；
[0024]圖3是遙感衛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算模型；
[0026]圖5是地球臨邊背景云層輻射強度計算方法流程圖；
[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。【具體實施方式】
[0031]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0032]如圖1所示，本發明實施例的遙感衛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)根據遙感衛星軌道和成像傳感器參數，通過模擬遙感衛星遙測場景，調節成像傳感器光軸指向，使其能探測到臨邊背景，導出遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息。
[0034]如某軌道遙感衛星:軌道高度1600公里，傾角102.51 °，離心率0，視場
13。X13°。
[0035](2)由步驟(1)得到的遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息，根據地球固聯坐標系、遙感衛星坐標系、成像傳感器坐標系、圖像坐標系之間的映射關系，得到不同時刻成像面與物面的相互轉換關系。
[0036]各坐標系的示意圖如圖2所示，其中，地球固聯坐標系: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；遙感衛星坐標系:以衛星位置Os為原點，Zs始終指向地心，Xs指向軌道切線方向，Ys由右手定則確定；成像傳感器坐標系:該坐標系原點
O。與衛星位置Os重合，成像傳感器指向Z。的方向由在衛星坐標系下定義的坐標(久識)來確定，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。與衛星坐標系XsOsYs平面的法向量叉乘得到，按照右手螺旋法則確定Y。軸；圖像坐標系:衛星相機所成的圖像以像素為單位，每個像素的坐標是該像素所在的行數和列數，像素坐標以(U，V)表示。
[0037]已知地心在地球固聯坐標系的坐標為0(0，O, O)，衛星在地球固聯坐標系下的坐標為Os (xs, ys, zs),衛星的速度矢量為ve (vex, vey, vez)。設衛星坐標系各坐標軸OXs, OYs, OZs
的方向向量為
【權利要求】
1.一種遙感衛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)根據遙感衛星軌道和成像傳感器參數，通過模擬遙感衛星遙測場景，導出遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息； (2)由步驟(1)得到的遙感衛星不同時刻在地球固聯坐標系下的位置和速度信息，根據地球固聯坐標系、遙感衛星坐標系、成像傳感器坐標系、圖像坐標系之間的映射關系，得到不同時刻成像面與物面的相互轉換關系，所述轉換關系包括成像傳感器坐標系到地球固聯坐標系的旋轉變換矩陣M和圖像坐標系到成像傳感器坐標系的轉換關系矩陣M,； (3)根據M和M'，生成不同時刻、不同成像譜段下，遙感衛星地球臨邊背景紅外能量圖。
2.如權利要求1所述的遙感衛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)進一步包括如下步驟: (3-1)對于遙感衛星成像面上的任意一點P(u，v)，根據M'得到P點所在視線在傳感器坐標系下的坐標(Xl，Y1, Z1)，再根據M得到P點所在視線在地球固聯坐標系下的坐標(χ, y, z)； (3-2)在地球固聯坐標系下，根據P點所在視線與地球的位置關系，判定P點對應的背景類型； (3-3)根據P點對應的背景類型，計算成像面上P點的輻照度E。
3.如權利要求2所述的遙感衛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)的具體實現方式為:(Al)若P點所在視線與地球無交點，且切線高度大于150km，則認為P點對應深空背景；(A2)若P點所在視線與地球無交點，且切線高度小于或等于150km，則認為P點對應臨邊背景；(A3)若P點所在視線與地球有兩個交點，則認為P點對應地球背景；(M)若P點所在視線與地球只有一個交點，則認為P點對應地球背景和臨邊背景的分界線。
4.如權利要求2所述的遙感衛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，物面背景區域對應的輻射強度按如下方法確定: (BI)地球背景:根據P點所在視線與地球的交點位置及地球背景能量圖，計算其所在區域對應的輻射強度； (B2)臨邊背景:根據P點所在視線的切線高度，得到在該切線高度的包括大氣、云層和極光在內的輻射強度； (B3)深空背景:其所在區域對應的輻射強度為O。
5.如權利要求4所述的遙感衛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，云層的輻射強度按如下方法計算得到:(Cl)計算P點的太陽高度角h，判斷h是否大于0，是則執行步驟(C2)，否則過程結束；(C2)計算P點所在視線與地球的切點所在位置的經緯度；(C3)根據經緯度選擇云的覆蓋率；(C4)根據云的覆蓋率、厚度和高度，計算選定波段的輻射強度。
6.如權利要求1至5中任一項所述的遙感衛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:對獲得的遙感背景能量圖按如下公式進行量化處理，得到遙感衛星地球臨邊背景紅外灰度圖:
【文檔編號】G01J5/00GK103743488SQ201310740551
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月28日 優先權日:2013年12月28日
【發明者】張天序, 肖聰, 張俊青, 陳昌勝, 姚守悝 申請人:華中科技大學