CN103743488A - 遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，包括如下步骤：根据遥感卫星轨道和成像传感器参数，通过模拟遥感卫星遥测场景，导出遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息；由位置和速度信息，根据地球固联坐标系、遥感卫星坐标系、成像传感器坐标系、图像坐标系之间的映射关系，得到不同时刻成像面与物面的相互转换关系；根据成像传感器坐标系到地球固联坐标系的旋转变换矩阵M和图像坐标系到成像传感器坐标系的转换关系矩阵M′，生成不同时刻、不同成像谱段下，遥感卫星地球临边背景红外能量图。本方法能对遥感卫星轨道的任意时刻进行地球临边背景特性的红外成像仿真，覆盖红外多波段，且算法简单，适应动平台。

Description

遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法

技术领域

本发明属于遥感图像处理技术领域，更具体地，涉及一种遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法。

背景技术

在地球背景和深空背景边界存在渐变大气层，通常认为临边大气高度0到150km范围为临边背景。地球临边探测是遥感卫星重要的探测方式之一，因此，地球临边背景是遥感图像重要的组成部分。地球临边背景的研究越来越受关注，其辐射特性比地球背景更复杂，它包括大气、大气重力波、气辉、极光、云层等辐射，各种成分辐射特性的复杂性，导致地球临边背景的辐射特性更为复杂。由于地球临边背景的真实红外图像难以获得，同时，尚不存在全面的地球临边背景建模和仿真方法，因此，对地球临边背景特性的红外成像仿真尤为重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其目的在于建立遥感卫星临边背景成像仿真模型，通过分析遥感卫星地球临边背景辐射特性，生成地球临边背景仿真图像，由此解决当今缺乏地球临边背景红外图像仿真方法的技术问题。该方法使临边背景特性的红外仿真更加准确，且模型简单，适用于动平台，可覆盖红外多波段仿真。

为实现上述目的，本发明提供了一种遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据遥感卫星轨道和成像传感器参数，通过模拟遥感卫星遥测场景，导出遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息；

（2）由步骤（1）得到的遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息，根据地球固联坐标系、遥感卫星坐标系、成像传感器坐标系、图像坐标系之间的映射关系，得到不同时刻成像面与物面的相互转换关系，所述转换关系包括成像传感器坐标系到地球固联坐标系的旋转变换矩阵M和图像坐标系到成像传感器坐标系的转换关系矩阵M′；

（3）根据M和M′，生成不同时刻、不同成像谱段下，遥感卫星地球临边背景红外能量图。

优选地，所述步骤（3）进一步包括如下步骤：

（3-1）对于遥感卫星成像面上的任意一点P(u,v)，根据M′得到P点所在视线在传感器坐标系下的坐标(x₁,y₁,z₁)，再根据M得到P点所在视线在地球固联坐标系下的坐标(x,y,z)；

（3-2）在地球固联坐标系下，根据P点所在视线与地球的位置关系，判定P点对应的背景类型；

（3-3）根据P点对应的背景类型，计算成像面上P点的辐照度E。

优选地，所述步骤（3-2）的具体实现方式为：（A1）若P点所在视线与地球无交点，且切线高度大于150km，则认为P点对应深空背景；（A2）若P点所在视线与地球无交点，且切线高度小于或等于150km，则认为P点对应临边背景；（A3）若P点所在视线与地球有两个交点，则认为P点对应地球背景；（A4）若P点所在视线与地球只有一个交点，则认为P点对应地球背景和临边背景的分界线。

优选地，所述步骤（3-3）中，物面背景区域对应的辐射强度按如下方法确定：（B1）地球背景：根据P点所在视线与地球的交点位置及地球背景能量图，计算其所在区域对应的辐射强度；（B2）临边背景：根据P点所在视线的切线高度，得到在该切线高度的包括大气、云层和极光在内的辐射强度；（B3）深空背景：其所在区域对应的辐射强度为0。

优选地，物面背景为临边背景时，云层的辐射强度按如下方法计算得到：（C1）计算P点的太阳高度角h，判断h是否大于0，是则执行步骤（C2），否则过程结束；（C2）计算P点所在视线与地球的切点所在位置的经纬度；（C3）根据经纬度选择云的覆盖率；（C4）根据云的覆盖率、厚度和高度，计算选定波段的辐射强度。

优选地，还包括步骤（4），所述步骤（4）为：对获得的遥感背景能量图按如下公式进行量化处理，得到遥感卫星地球临边背景红外灰度图：

$\mathrm{outImg}\left[i\right]\left[j\right]=\frac{\log \left(\mathrm{inImg}\right[i\left]\right[j\left]\right)-\log \left(\min \right)}{\log \left(\max \right)-\log \left(\min \right)}*(2^N-1),$

其中，inImg[i][j]为输入图像行列坐标为(i,j)的点的能量值，outImg[i][j]为经过量化处理后输出的灰度值，max、min分别为输入图像中辐射能量的最大值和最小值，N为灰度图位数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、对临边状态背景复杂的红外辐射特性进行分析和研究，建立了地球临边背景辐射模型，解决了现有技术没有全面的地球临边背景建模和仿真方法的难题。

2、本方法考虑了包括大气、极光、重力波、云层在内的因素对地球临边背景辐射的影响，使临边背景特性的红外仿真更加准确。

3、本方法模型简单，适用于动平台，可覆盖红外多波段仿真。

附图说明

图1是本发明实施例的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法流程图；

图2是各坐标系的示意图；

图3是遥感卫星成像面与物面映射示意图；

图4是地球面源到像元的辐照度计算模型；

图5是地球临边背景云层辐射强度计算方法流程图；

图6是白天2.7um地球临边背景红外灰度图；

图7是夜间2.7um地球临边背景红外灰度图；

图8是白天4.3um地球临边背景红外灰度图；

图9是夜间4.3um地球临边背景红外灰度图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法包括如下步骤：

（1）根据遥感卫星轨道和成像传感器参数，通过模拟遥感卫星遥测场景，调节成像传感器光轴指向，使其能探测到临边背景，导出遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息。

如某轨道遥感卫星：轨道高度1600公里，倾角102.51°，离心率0，视场13°×13°。

（2）由步骤（1）得到的遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息，根据地球固联坐标系、遥感卫星坐标系、成像传感器坐标系、图像坐标系之间的映射关系，得到不同时刻成像面与物面的相互转换关系。

各坐标系的示意图如图2所示，其中，地球固联坐标系：X轴指向本初子午线，Z轴指向正北，按照右手螺旋法则确定Y轴方向；遥感卫星坐标系：以卫星位置O_s为原点，Z_s始终指向地心，X_s指向轨道切线方向，Y_s由右手定则确定；成像传感器坐标系：该坐标系原点O_c与卫星位置O_s重合，成像传感器指向Z_c的方向由在卫星坐标系下定义的坐标

来确定，其中θ为矢量Z_c在X_sO_sY_s平面上的投影与X_s正半轴的夹角，

定义为矢量Z_c与Z_s正半轴的夹角，X_c轴方向由指向Z_c与卫星坐标系X_sO_sY_s平面的法向量叉乘得到，按照右手螺旋法则确定Y_c轴；图像坐标系：卫星相机所成的图像以像素为单位，每个像素的坐标是该像素所在的行数和列数，像素坐标以(u,v)表示。

已知地心在地球固联坐标系的坐标为O(0,0,0)，卫星在地球固联坐标系下的坐标为O_s(x_s,y_s,z_s)，卫星的速度矢量为ve(ve_x,ve_y,ve_z)。设卫星坐标系各坐标轴OX_s，OY_s，OZ_s的方向向量为

对地球固联坐标系旋转变换得地球固联坐标系到遥感卫星坐标系的旋转矩阵M₁，有：

$M_1=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\μ}}_x& {\mathrm{\μ}}_y& {\mathrm{\μ}}_z& 0\\ {\mathrm{\υ}}_x& {\mathrm{\υ}}_y& {\mathrm{\υ}}_z& 0\\ {\mathrm{\η}}_x& {\mathrm{\η}}_y& {\mathrm{\η}}_z& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中， $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_x={\mathrm{ve}}_x\\ {\mathrm{\μ}}_y={\mathrm{ve}}_y\\ {\mathrm{\μ}}_z={\mathrm{ve}}_z\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_x=-x_s\\ {\mathrm{\η}}_y=-y_s\\ {\mathrm{\η}}_z=-z_s\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{v}_x={\mathrm{\μ}}_z{\mathrm{\η}}_y-{\mathrm{\μ}}_y{\mathrm{\η}}_z\\ v_y={\mathrm{\μ}}_x{\mathrm{\η}}_z-{\mathrm{\μ}}_z{\mathrm{\η}}_x\\ v_z={\mathrm{\μ}}_y{\mathrm{\η}}_x-{\mathrm{\μ}}_x{\mathrm{\η}}_y\end{array}\right..$

设成像传感器坐标系各坐标轴X_c、Y_c、Z_c的方向向量为

同理，可得到遥感卫星坐标系与成像传感器坐标系之间的转换关系为：

$M_2=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cx}}& {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cy}}& {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cz}}& 0\\ {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{cx}}& {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{cy}}& {\mathrm{\υ}}_{\mathrm{cz}}& 0\\ {\mathrm{\η}}_{\mathrm{cx}}& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{cy}}& {\mathrm{\η}}_{\mathrm{cz}}& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cx}}={\mathrm{\η}}_{\mathrm{cy}}\\ {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cy}}={-\mathrm{\η}}_{\mathrm{cx}}\\ {\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cz}}=0\end{array}\right.,\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{cx}}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cz}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cy}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cy}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cz}}\\ v_{\mathrm{cy}}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cx}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cz}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cz}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cx}}\\ v_{\mathrm{cz}}={\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cy}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cx}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{cx}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{cy}}\end{array}\right..$

成像传感器坐标系到地球固联坐标系的旋转变换矩阵M=(M₁M₂)^-1。

图像坐标系到成像传感器坐标系的转换关系矩阵为：

$M^{\′}=\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{dx}& 0& -u_0\mathrm{dx}\\ 0& \mathrm{dy}& -v_0\mathrm{dy}\\ 0& 0& f\end{array}\right]$

其中，dx、dy为每个象素点在u轴与v轴方向上的物理尺寸，f为遥感卫星传感器焦距，u₀、v₀为成像面中心对应的行和列。

（3）根据成像传感器坐标系到地球固联坐标系的旋转变换矩阵M和图像坐标系到成像传感器坐标系的转换关系矩阵M′，生成不同时刻、不同成像谱段下，遥感卫星地球临边背景红外能量图。进一步包括如下步骤：

（3-1）对于遥感卫星成像面上的任意一点P(u,v)，根据M′得到P点所在视线在传感器坐标系下的坐标(x₁,y₁,z₁)，再根据M得到P点所在视线在地球固联坐标系下的坐标(x,y,z)，计算过程为：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\end{array}\right]=M^{\′}\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right],\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ 1\end{array}\right)=M\left(\begin{array}{c}{x}_1\\ y_1\\ z_1\\ 1\end{array}\right)$

（3-2）在地球固联坐标系下，根据P点所在视线与地球的位置关系，判定P点对应的背景类型，如图3所示。

判定规则如下：（A1）若无交点，且切线高度大于150km，则认为P点对应深空背景；（A2）若无交点，且切线高度小于或等于150km，则认为P点对应临边背景；（A3）若有两个交点，则认为P点对应地球背景；（A4）若只有一个交点，则认为P点对应地球背景和临边背景的分界线。

（3-3）根据P点对应的背景类型，计算成像面上P点的辐照度E。

成像传感器成像面接收到的辐照度计算公式为：

$E=\frac{I*\cos \mathrm{\β}*\cos \mathrm{\θ}}{d^2}$

其中，d为成像面面元与目标区域中心的距离，θ为成像面面元法线与视线的夹角，β为面辐射源所在平面法线与视线方向的夹角，I为物面背景区域对应的辐射强度，如图4所示。

物面背景区域对应的辐射强度按如下方法确定：

（B1）地球背景：根据P点所在视线与地球的交点位置及地球背景能量图，计算其所在区域对应的辐射强度。

（B2）临边背景：根据P点所在视线的切线高度，得到在该切线高度的包括大气、云层和极光在内的辐射强度。

其中，如图5所示，云层的辐射强度按如下方法计算得到：

（C1）计算P点的太阳高度角h，判断h是否大于0，是则执行步骤（C2），否则过程结束。

（C2）计算P点所在视线与地球的切点所在位置的经纬度。

（C3）根据经纬度选择云的覆盖率。

（C4）根据云的覆盖率、厚度和高度，计算选定波段的辐射强度。

（B3）深空背景：其所在区域对应的辐射强度为0。

（4）对获得的遥感背景能量图进行量化处理，得到遥感卫星地球临边背景红外灰度图。

采用非均匀量化公式：

$\mathrm{outImg}\left[i\right]\left[j\right]=\frac{\log \left(\mathrm{inImg}\right[i\left]\right[j\left]\right)-\log \left(\min \right)}{\log \left(\max \right)-\log \left(\min \right)}*(2^N-1)$

其中，inImg[i][j]为输入图像行列坐标为(i,j)的点的能量值，outImg[i][j]为经过量化处理后输出的灰度值，max、min分别为输入图像中辐射能量的最大值和最小值，N为灰度图位数。

用本发明的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法得到不同时刻不同谱段的地球临边背景红外灰度图如图6至9所示，所用的地球背景能量图为ARIS实拍图像。其中，图6是白天2.7um地球临边背景红外灰度图；图7是夜间2.7um地球临边背景红外灰度图；图8是白天4.3um地球临边背景红外灰度图；图9是夜间4.3um地球临边背景红外灰度图。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）根据遥感卫星轨道和成像传感器参数，通过模拟遥感卫星遥测场景，导出遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息；

（2）由步骤（1）得到的遥感卫星不同时刻在地球固联坐标系下的位置和速度信息，根据地球固联坐标系、遥感卫星坐标系、成像传感器坐标系、图像坐标系之间的映射关系，得到不同时刻成像面与物面的相互转换关系，所述转换关系包括成像传感器坐标系到地球固联坐标系的旋转变换矩阵M和图像坐标系到成像传感器坐标系的转换关系矩阵M′；

（3）根据M和M′，生成不同时刻、不同成像谱段下，遥感卫星地球临边背景红外能量图。

2.如权利要求1所述的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，所述步骤（3）进一步包括如下步骤：

（3-1）对于遥感卫星成像面上的任意一点P(u,v)，根据M′得到P点所在视线在传感器坐标系下的坐标(x₁,y₁,z₁)，再根据M得到P点所在视线在地球固联坐标系下的坐标(x,y,z)；

（3-2）在地球固联坐标系下，根据P点所在视线与地球的位置关系，判定P点对应的背景类型；

（3-3）根据P点对应的背景类型，计算成像面上P点的辐照度E。

3.如权利要求2所述的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，所述步骤（3-2）的具体实现方式为：（A1）若P点所在视线与地球无交点，且切线高度大于150km，则认为P点对应深空背景；（A2）若P点所在视线与地球无交点，且切线高度小于或等于150km，则认为P点对应临边背景；（A3）若P点所在视线与地球有两个交点，则认为P点对应地球背景；（A4）若P点所在视线与地球只有一个交点，则认为P点对应地球背景和临边背景的分界线。

4.如权利要求2所述的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，所述步骤（3-3）中，物面背景区域对应的辐射强度按如下方法确定：

（B1）地球背景：根据P点所在视线与地球的交点位置及地球背景能量图，计算其所在区域对应的辐射强度；

（B2）临边背景：根据P点所在视线的切线高度，得到在该切线高度的包括大气、云层和极光在内的辐射强度；

（B3）深空背景：其所在区域对应的辐射强度为0。

5.如权利要求4所述的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，物面背景为临边背景时，云层的辐射强度按如下方法计算得到：（C1）计算P点的太阳高度角h，判断h是否大于0，是则执行步骤（C2），否则过程结束；（C2）计算P点所在视线与地球的切点所在位置的经纬度；（C3）根据经纬度选择云的覆盖率；（C4）根据云的覆盖率、厚度和高度，计算选定波段的辐射强度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的遥感卫星地球临边背景特性的红外成像仿真方法，其特征在于，还包括步骤（4），所述步骤（4）为：对获得的遥感背景能量图按如下公式进行量化处理，得到遥感卫星地球临边背景红外灰度图：

$\mathrm{outImg}\left[i\right]\left[j\right]=\frac{\log \left(\mathrm{inImg}\right[i\left]\right[j\left]\right)-\log \left(\min \right)}{\log \left(\max \right)-\log \left(\min \right)}*(2^N-1),$

其中，inImg[i][j]为输入图像行列坐标为(i,j)的点的能量值，outImg[i][j]为经过量化处理后输出的灰度值，max、min分别为输入图像中辐射能量的最大值和最小值，N为灰度图位数。

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