CN108132140A - 一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，步骤包括：1)获取全要素建模仿真输入数据，包括确定观测时间、观测点坐标、地磁活动参数、太阳活动指数、观测区域参数，以及原子物理参数等数据；2)进行通用辐射传输模型建模与仿真；3)获取辐射传输模型数据及数据处理，对光学遥感器全视场柱辐射率进行计算。本发明根据光学遥感器的观测时间、观测点坐标、观测指向角、地磁活动参数、太阳活动指数等，采用球面几何方法，综合考虑观测目标区域大气密度变化、太阳高度角的变化等因素，精确计算光学遥感器全视场对应不同观测方向的柱辐射率，为分析观测区域的辐射特性、图像模拟及图像反演算法的研制奠定了基础。

Description

一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法

技术领域

本发明涉及一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，特别是一种针对高层大气中的远紫外波段光谱辐射信号进行观测的推扫型或扫描型星载光学遥感器，属于光学遥感辐射算法领域。

背景技术

在光学遥感领域，以星载光学遥感器从空间对高层大气中的远紫外波段光谱辐射进行观测日趋成为主流。通过光学遥感器所获取的远紫外波段光谱辐射信号，不仅可以监测高层大气中原子、分子等密度成分的变化，还可以获得高层大气中磁暴、电离层暴等空间天气信息。因此，从空间对远紫外波段光谱辐射进行观测对高层大气状态的监测具有重要意义。

从空间对远紫外波段光谱辐射信号进行观测，星载光学遥感器观测得到的物理量为柱辐射率(单位为瑞利)。某一观测视向的柱辐射率为此观测视向上各小柱体处的体辐射率与辐射传输因子的乘积沿该观测视向的积分。通常某一观测视向的柱辐射率可由以下公式计算：

上式中：B_l与B_u分别代表观测目标区域的上、下边界；μ表示观测角的余弦值，即μ＝cosθ，观测角θ定义为某一观测视向与当地天底方向之间的夹角，如图1所示；j_λ表示某远紫外波段光谱辐射信号的体辐射率；t_λ描述辐射传输过程中对某远紫外波段光谱辐射的辐射吸收数据；描述辐射传输过程中对某远紫外波段光谱辐射的吸收截面数据；ρ_n(z)表示观测区域某种大气成分的密度；z为观测区域的海拔高度坐标。

传统可见光波段的辐射确定方法为将观测区域使用平行平面几何方法进行分层，通常采用比较粗的分层来描述观测区域的大气密度变化，因为可见光的辐射传输主要受地球低层大气的影响，而远紫外辐射的辐射传输主要受地球高层大气的影响，如果仍然采用平行平面几何方法来进行分层处理，就不能细致描述地球高层大气的密度变化，从而对远紫外辐射的柱辐射率计算带来较大误差；其次，传统可见光波段的辐射确定方法不仅需要考虑大气密度的变化，还需要考虑大气气溶胶、水汽等因素的影响，因此在辐射传输计算时需要考虑多次散射的影响，计算量比较大，而远紫外辐射的辐射传输主要受地球高层大气中某几种主要大气成分吸收作用的影响，不需要考虑多次散射效应。目前，国内还没有开展关于地球高层大气中的远紫外辐射柱辐射率确定方法的相关研究，国外公开的仅有少量关于辐射传输计算原理的研究工作。因此，需要建立一套面向星载光学遥感器的柱辐射率确定方法，为分析观测目标区域的辐射特性、图像模拟技术和图像反演算法的研制奠定基础。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有计算技术的局限性，提供了一种星载光学遥感器全视场对应的不同观测视向的柱辐射率确定方法，特别是一种针对远紫外波段光谱辐射信号进行观测的推扫型或扫描型星载光学遥感器。

本发明的技术解决方案是：

一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，步骤如下：

1)在观测区域边界内划分有限元，获取每个小柱体的地理位置坐标；

2)根据每一小柱体的地理位置坐标和观测点位置坐标，计算每一小柱体的观测角；

3)根据观测区域大气参数模型和每一小柱体的地理位置坐标，获取每一小柱体内的大气主要成分密度；

4)根据每一小柱体内的大气主要成分密度，计算每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据；

5)根据观测区域大气参数模型和每一小柱体的地理位置坐标，获取每一小柱体处的光电子通量数据；

6)根据每一小柱体处的光电子通量数据计算观测区域g因子；

7)根据每一小柱体内的大气主要成分密度和观测区域g因子，计算观测区域每一小柱体内激发产生的体辐射率；

8)根据观测区域边界，每一小柱体内激发产生的体辐射率和每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据，计算获得某一观测视向的柱辐射率。

所述在观测区域边界内划分有限元的方法为：

所述观测区域为远紫外辐射的激发区域，顶层边界坐标为B_u，底层边界为B_l，根据大气密度随海拔变化梯度，将观测区域进行分层处理；从遥感器观测点向任一方向观测，获取该观测方向上的每层的小柱体。

所述获取每一小柱体内的大气主要成分密度使用中高层大气模型计算代码MSISE-00获取；

所述获取每一小柱体处的光电子通量数据通过光电子通量模型计算代码AURIC获得。

所述获取每个小柱体的地理位置坐标的方法为：

根据每个层的小柱体的底层坐标和顶层坐标，取底层坐标和顶层坐标之和的平均值作为每一小柱体的地理位置坐标(x，y，z)。

所述计算每一小柱体的观测角θ的具体公式为：

其中，(Lx，Ly，Lz)为遥感器观测点位置坐标。

所述计算每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据的具体公式为：

其中，为辐射传输过程中对某远紫外波段光谱辐射的吸收截面数据，μ＝cosθ，θ为每一小柱体的观测角，ρ_n(z)为每一小柱体内的大气主要成分密度。

所述计算观测区域g因子的具体公式为：

其中，E为大气粒子与光电子相互碰撞作用过程中的光电子能量，σ^ex(E)为大气粒子与光电子相互碰撞作用过程中的激发截面数据，φ(E,z)为观测区域每一小柱体处的光电子通量数据，φ(E,z)为每一小柱体处的光电子通量数据。

所述计算观测区域每一小柱体内激发产生的体辐射率j(z)具体公式为：

j(z)＝ρ_n(z)·g(z)。

所述计算获得某一观测视向的柱辐射率I(θ)的具体公式为：

所述观测区域大气参数模型包括：星载光学遥感器观测时间、观测时间相对应的地磁活动参数Ap、太阳10.7cm射电通量值F_10.7及太阳10.7cm射电通量的81天平均值<F_10.7>。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明方法采用球面几何方法对地球高层大气进行分层处理，精确设置观测区域的边界及分层，建立了高精度的适用于远紫外辐射计算的高层大气模型；

(2)本发明方法主要考虑地球高层大气中主要成分辐射吸收作用的影响，计算过程中忽略多次散射效应对辐射传输的影响，并对辐射传输模型进行了适当简化，在满足精度要求的前提下减少计算量；

(3)本发明方法以光学遥感器全视场对应的不同观测角为基础，能够适用于推扫型、扫描型等不同工作模式的光学遥感器的柱辐射率计算。

附图说明

图1为本发明的星载光学遥感器观测几何示意图；

图2为本发明的星载光学遥感器全视场柱辐射率计算流程图；

图3为本发明的氧原子的光电子能量激发截面数据图；

图4为本发明的光学遥感器不同观测角对应的柱辐射率变化图。

具体实施方式

本发明一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，提供了一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，特别是一种针对远紫外波段光谱辐射信号进行观测的推扫型或扫描型星载光学遥感器，该方法给出了星载光学遥感器全视场各像元处对应不同观测视向的柱辐射率计算结果。本发明根据星载光学遥感器的观测时间、观测点的位置、观测角、观测区域大气模型等，综合考虑观测区域大气密度的变化、太阳天顶角的变化、光电子能量的变化等因素，精确计算星载光学遥感器全视场对应的不同观测视向的柱辐射率。

本发明中使用的是地心惯性坐标系，该坐标系的原点O为地心，X轴指向春分点，Z轴指向赤道面北极，Y轴构成右手正交系。

本发明涉及的仿真和计算工具为中高层大气模式计算代码MSISE-00，AURIC计算代码和IDL软件。其中，中高层大气密度数据通过MSISE-00计算代码来获取，光电子能量数据通过AURIC计算代码来获取，软件之间所有的数据和指令交互、积分时间计算则通过IDL软件来进行。

如图2所示，本发明方法中星载光学遥感器全视场柱辐射率的计算步骤为：获取全要素辐射建模仿真输入数据，进行通用辐射传输模型建模与仿真，获取辐射传输模型数据及数据处理三个主要步骤。

(1)获取全要素建模仿真输入数据

1)设置星载光学遥感器观测时间

根据观测需求，结合星载光学遥感器数据获取能力，确定光学遥感器观测时间，时间采用协调世界时(Universal Time Coordinated，UTC)，时间数据格式为“某年-某月-某日小时:分钟:秒”。

2)确定地球物理参数

根据星载光学遥感器观测时间，确定该观测时间相对应的地磁活动参数Ap，以及太阳活动指数：太阳10.7cm射电通量值F_10.7及太阳10.7cm射电通量的81天平均值<F_10.7>。

3)确定观测点位置参数

根据目标区域观测需求，在地心惯性坐标系下，设置观测点的地理坐标(H，Glon，Glat)，即设置观测点的海拔高度H，观测点的经度坐标Glon，以及观测点纬度坐标Glat。

4)确定原子物理参数数据

确定大气(原子或分子等)粒子与光电子相互碰撞作用过程中的激发截面数据σ^ex(E)，以及碰撞散射与吸收截面(统称为吸收截面)数据

5)观测区域参数确定

在地心惯性坐标系下，确定观测区域底层边界Boundary_Lower(简写为B_L)；确定观测区域顶层边界Boundary_Upper(简写为B_U)；同时，设置观测区域分层数目Num_Layer(简写为N)。

(2)对通用辐射传输模型进行建模与仿真

1)对观测时间进行仿真设置

设置星载光学遥感器观测时间数据格式

根据步骤(1)中“1)设置星载光学遥感器观测时间”，将观测时间数据格式“某年-某月-某日”转换为“YY(年)DDD(天)”格式，同时将“小时:分钟:秒”转换为“MMMMM(秒)”的格式。

2)对观测视向仿真

a.在地心惯性坐标系下，确定观测点的笛卡尔位置坐标；

在地心惯性坐标系下，根据垂直投影技术，将观测点的地理位置坐标(Glat，Glon，H)转换为的笛卡尔位置坐标(Gx，Gy，Gz)。

b.在地心惯性坐标系下，根据观测点位置坐标，观测区域边界及分层数值计算观测区域每一小柱体的位置坐标；

根据观测点坐标(Gx，Gy，Gz)、B_L、B_U、N的数值计算每一小柱体的位置坐标(Xn，Yn，Zn)。

c.在地心惯性坐标系下，根据观测点及观测区域每一小柱体的位置坐标计算观测视向矢量坐标；

观测视向矢量坐标(Lx，Ly，Lz)计算如下：

Lx＝Gx–Xn；

Ly＝Gy–Yn；

Lz＝Gz–Zn。

3)对观测区域大气模型建模；

根据步骤(1)中“1)设置星载光学遥感器观测时间”确定的观测时间数据，“2)确定地球物理参数”设置的地磁及太阳活动水平数据，“5)观测区域参数”确定观测区域大气的边界及分层，由此完成观测区域大气模型的建模过程。

4)光电子通量模型建模。

根据步骤(1)中“1)设置星载光学遥感器观测时间”确定观测时间数据，“2)地球物理参数确定”确定地磁及太阳活动水平数据，“4)原子物理参数数据确定”确定激发截面数据和吸收截面数据，“5)观测区域参数”确定观测区域大气的边界及分层，由此完成光电子通量模型建模过程。

(3)获取辐射传输模型数据及数据处理

1)获取星载光学遥感器的观测角数据；

在地心惯性坐标系下，已知观测视向矢量坐标(Lx，Ly，Lz)，以及每一小柱体的位置坐标(Xn，Yn，Zn)，根据向量夹角公式计算每一小柱体的观测角θ数据。

2)获取观测区域的大气密度数据；

在地心惯性坐标系下，根据步骤(2)中“3)观测区域大气模型建模”中确定的输入参数，通过中高层大气模型计算代码MSISE-00，获取每一小柱体内的大气主要成分密度数据，分别为氮气分子密度氧气分子密度氧原子密度ρ_O(z)。

3)获取观测区域的g因子数据；

a.计算观测区域的光电子通量数据

在地心惯性坐标系下，根据步骤(2)中“4)光电子通量模型建模”确定的输入参数，通过光电子通量模型计算代码AURIC，计算获取每一小柱体处的光电子通量数据。

b.计算观测区域的g因子数据

在地心惯性坐标系下，根据步骤(1)中“4)获取激发截面数据”，以及步骤(3)中“3)a.获取观测区域的光电子通量数据”，计算获取观测区域的g因子数据。

公式(3)中，E₀、E_max分别表示观测区域光电子的能量下限与能量上限；φ(E,z)为观测区域的光电子通量数据；σ^ex(E)表示激发截面数据。

4)观测区域体辐射率数据计算；

在地心惯性坐标系下，根据步骤(3)中“2)获取观测区域大气模型的密度数据”，以及“3)获取观测区域的g因子数据”，根据公式(4)计算获取观测区域体辐射率j(z)。

j(z)＝ρ_n(z)·g(z) (4)

5)获取观测区域的辐射吸收数据；

在地心惯性坐标系下，根据步骤(3)中“1)获取星载光学遥感器的观测角数据”，“2)获取观测区域大气模型的密度数据”，以及步骤(1)中“4)获取吸收截面数据”，计算每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据的具体公式为：

其中，为辐射传输过程中对某远紫外波段光谱辐射的吸收截面数据，μ＝cosθ，θ为每一小柱体的观测角，ρ_n(z)为每一小柱体内的大气主要成分密度。

6)柱辐射率计算。

在地心惯性坐标系下，根据步骤(3)中“1)获取星载光学遥感器的观测角数据”，“4)观测区域体辐射率数据计算”，“5)获取观测区域的辐射吸收数据”，根据公式(5)计算获得某一观测视向的柱辐射率计算结果。

以星载光学遥感器针对氧原子的135.6nm远紫外日辉辐射进行观测为例，给出具体算例如下：

(1)获取全要素建模仿真输入数据

1)设置星载光学遥感器观测时间：1997-8-25 12:00:00

2)确定地球物理参数

a.确定地磁活动指数：Ap＝9.88

b.确定太阳活动指数：

太阳10.7cm射电通量值F_10.7＝89.60；

太阳10.7cm射电通量的81天平均值<F_10.7>＝88.84。

3)确定观测点位置参数

a.在地心惯性坐标系下，设置观测点海拔高度：H＝830km；

b.在地心惯性坐标系下，设置观测点经度：Glon＝20°；

c.在地心惯性坐标系下，设置观测点纬度：Glat＝20°。

4)确定原子物理参数数据

a.如图3所示，确定氧原子的激发截面数据；

b.如下表1所示，确定氧原子135.6nm远紫外辐射谱线的吸收截面数据。

表1氧原子135.6nm辐射的吸收截面数据

5)观测区域参数确定

a.在地心惯性坐标系下，观测区域底层边界确定：

B_L＝90km；

b.在地心惯性坐标系下，观测区域顶层边界确定：

B_U＝600km；

c.设置观测区域分层数目：N＝43。

(2)对通用辐射传输模型进行建模与仿真

1)对观测时间进行仿真设置

a.计算星载光学遥感器观测时刻:

UTC＝43200(Seconds)

2)对地磁及太阳活动水平仿真

a.设置地磁活动指数；

地磁活动指数设置见步骤(1)中“2)地球物理参数确定”部分。

b.设置太阳活动指数。

太阳活动指数设置见步骤(1)中“2)地球物理参数确定”部分。

3)对观测视向仿真

a.在地心惯性坐标系下，根据观测点位置参数计算观测点位置坐标；

根据垂直投影技术，将观测点在地理坐标系下的位置坐标(Glat，Glon，H)转换为在地心固联坐标系下的位置坐标(Gx，Gy，Gz)。

b.在地心惯性坐标系下，根据观测点位置坐标，观测区域边界及分层数值计算观测区域每一小柱体的位置坐标；

根据观测点坐标(Gx，Gy，Gz)、B_L、B_U、N的数值计算每一小柱体的位置坐标(X_n，Y_n，Z_n)。

c.在地心惯性坐标系下，根据观测点及观测区域每一小柱体的位置坐标计算观测视向矢量坐标。

观测视向矢量坐标(Lx，Ly，Lz)计算如下：

Lx＝Gx–Xn；

Ly＝Gy–Yn；

Lz＝Gz–Zn。

4)对观测区域大气模型建模；

根据步骤(1)中“1)设置星载光学遥感器观测时间”确定观测时间数据，“2)地球物理参数确定”确定地磁及太阳活动水平，“5)观测区域参数”确定观测区域大气的上下边界及分层，由此完成观测区域大气模型的建模过程。

5)对光电子通量模型建模。

根据步骤(1)中“1)设置星载光学遥感器观测时间”确定观测时间数据，“2)地球物理参数确定”确定地磁及太阳活动水平数据，“4)原子物理参数数据确定”确定激发截面数据和吸收截面数据，“5)观测区域参数”确定观测区域大气的边界及分层，由此完成光电子通量模型建模过程。

(3)获取辐射传输模型数据及数据处理

以星载光学遥感器观测点位置为参考，按本发明方法步骤(3)的第1)～6)步，可以计算得到星载光学遥感器观测角在0～60°范围内东西2个方向(East、West)所对应的柱辐射率计算结果，如图4所示。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于步骤如下：

1)在观测区域边界内划分有限元，获取每个小柱体的地理位置坐标；

2)根据每一小柱体的地理位置坐标和观测点位置坐标，计算每一小柱体的观测角；

3)根据观测区域大气参数模型和每一小柱体的地理位置坐标，获取每一小柱体内的大气主要成分密度；

4)根据每一小柱体内的大气主要成分密度，计算每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据；

5)根据观测区域大气参数模型和每一小柱体的地理位置坐标，获取每一小柱体处的光电子通量数据；

6)根据每一小柱体处的光电子通量数据计算观测区域g因子；

7)根据每一小柱体内的大气主要成分密度和观测区域g因子，计算观测区域每一小柱体内激发产生的体辐射率；

8)根据观测区域边界，每一小柱体内激发产生的体辐射率和每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据，计算获得某一观测视向的柱辐射率。

2.根据权利要求1所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：

所述在观测区域边界内划分有限元的方法为：

所述观测区域为远紫外辐射的激发区域，顶层边界坐标为B_u，底层边界为B_l，根据大气密度随海拔变化梯度，将观测区域进行分层处理；从遥感器观测点向任一方向观测，获取该观测方向上的每层的小柱体。

3.根据权利要求1所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：

所述获取每一小柱体内的大气主要成分密度使用中高层大气模型计算代码MSISE-00获取；

所述获取每一小柱体处的光电子通量数据通过光电子通量模型计算代码AURIC获得。

4.根据权利要求2所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述获取每个小柱体的地理位置坐标的方法为：

根据每个层的小柱体的底层坐标和顶层坐标，取底层坐标和顶层坐标之和的平均值作为每一小柱体的地理位置坐标(x，y，z)。

5.根据权利要求4所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述计算每一小柱体的观测角θ的具体公式为：

其中，(Lx，Ly，Lz)为遥感器观测点位置坐标。

6.根据权利要求2-5任意所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述计算每一小柱体至观测区域顶层的辐射吸收数据的具体公式为：

其中，为辐射传输过程中对某远紫外波段光谱辐射的吸收截面数据，μ＝cosθ，θ为每一小柱体的观测角，ρ_n(z)为每一小柱体内的大气主要成分密度。

7.根据权利要求6所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述计算观测区域g因子的具体公式为：

其中，E为大气粒子与光电子相互碰撞作用过程中的光电子能量，σ^ex(E)为大气粒子与光电子相互碰撞作用过程中的激发截面数据，φ(E,z)为观测区域每一小柱体处的光电子通量数据，φ(E,z)为每一小柱体处的光电子通量数据。

8.根据权利要求7所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述计算观测区域每一小柱体内激发产生的体辐射率j(z)具体公式为：

j(z)＝ρ_n(z)·g(z)。

9.根据权利要求8所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述计算获得某一观测视向的柱辐射率I(θ)的具体公式为：

10.根据权利要求9所述的一种星载光学遥感器全视场柱辐射率确定方法，其特征在于：所述观测区域大气参数模型包括：星载光学遥感器观测时间、观测时间相对应的地磁活动参数Ap、太阳10.7cm射电通量值F_10.7及太阳10.7cm射电通量的81天平均值<F_10.7>。