CN108537770B - 一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统 - Google Patents

一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统 Download PDF

Info

Publication number
CN108537770B
CN108537770B CN201810024731.8A CN201810024731A CN108537770B CN 108537770 B CN108537770 B CN 108537770B CN 201810024731 A CN201810024731 A CN 201810024731A CN 108537770 B CN108537770 B CN 108537770B
Authority
CN
China
Prior art keywords
ground object
calibration
radiation
target
coordinate system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810024731.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108537770A (zh
Inventor
夏鲁瑞
左峥嵘
张占月
李纪莲
肖龙龙
杨雪榕
胡敏
潘升东
杨雅君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology, Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN201810024731.8A priority Critical patent/CN108537770B/zh
Publication of CN108537770A publication Critical patent/CN108537770A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108537770B publication Critical patent/CN108537770B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/11—Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G06F17/16—Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/10—Image acquisition modality
    • G06T2207/10048—Infrared image

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

本发明公开了一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法和系统，所述方法：步骤S100：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物；步骤S200：获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；步骤S300：获得目标在图像上的灰度值；步骤S400：根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。本发明能够在缺乏标准定标辐射源的条件下，以典型地物为辐射定标参照物对远距离小目标辐射特性进行反演。

Description

一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统。
背景技术
红外成像器获取的图像数据是目标/背景能量经光电转换及量化所形成的离散数据，为从图像数据中反演目标的辐射强度，则需要进行辐射定标处理，以确定图像数据值与辐射能量之间的对应关系。辐射定标通常采用标准辐射源来进行，但在实际成像条件下，卫星成像器有时缺乏标准辐射源进行辐射定标。
因此，如何能够在缺乏标准定标辐射源的条件下，对远距离小目标辐射特性进行反演成为本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法和系统，能够在缺乏标准定标辐射源的条件下，对远距离小目标辐射特性进行反演。
为解决上述技术问题，本发明提供一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物；
步骤S200：获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
步骤S300：获得目标在图像上的灰度值；
步骤S400：根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。
优选地，所述步骤S200具体为：获取成像时刻的定标地物区域在图像上的平均灰度值，结合定标地物的气象条件，计算定标地物成像时刻的表面温度及其对应的自身辐射强度，根据相机像元视场角及其成像距离计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内的表面辐射能量，计算出定标地物至相机之间光学路径上的大气衰减及其程辐射，在面辐射模型下计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。
优选地，所述步骤S400具体为：根据定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系，可计算出相机像元接收到目标的辐射能量，并考虑大气效应的修正，在点源辐射模型下反演出目标的自身辐射强度。
优选地，所述步骤S100具体为：
步骤S101：将预先设定的定标地物坐标系经过坐标系转换，得到定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 608608DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S102：根据定标地物区域中心点的相面坐标
Figure 604377DEST_PATH_IMAGE001
，通过坐标系变换获得相机视线
Figure 595510DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
，所述视线
Figure 990719DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
与地球表面的交点再转换为经纬高
Figure 29914DEST_PATH_IMAGE003
。
优选地，所述步骤S102中所述涉及坐标系转换具体为：从地心惯性坐标系依次经过轨道坐标系、卫星坐标系转换为传感器成像坐标系。
优选地，所述步骤S200具体为：
步骤S201：获得定标地物区域在当前时刻的图像上的平均灰度值
Figure 649114DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S202：根据定标地物的气象条件，通过热平衡方程计算得到定标地物表面温度
Figure 916148DEST_PATH_IMAGE005
；
步骤S203：根据定标地物表面温度
Figure 193676DEST_PATH_IMAGE005
，通过普朗克定律计算定标地物自身辐射强度
Figure 174140DEST_PATH_IMAGE006
；
步骤S204：通过Modtran计算获取定标地物区域红外图像成像时刻的气象条件下到达该区域的
Figure 964241DEST_PATH_IMAGE007
谱段的太阳热辐射强度
Figure 797199DEST_PATH_IMAGE008
，并根据太阳漫反射模型，计算定标地物的漫反射辐射强度分量
Figure 330949DEST_PATH_IMAGE009
；
步骤S205：计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内
Figure 854334DEST_PATH_IMAGE007
谱段辐射能量
Figure 346495DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤S206：根据相机和定标地物区域中心点的经纬高
Figure 165284DEST_PATH_IMAGE003
的几何关系，以及大气参数计算定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 237145DEST_PATH_IMAGE011
和该段路径的程辐射
Figure 959245DEST_PATH_IMAGE012
；
步骤S207：在面辐射模型下，根据定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 294411DEST_PATH_IMAGE011
和该段路径的程辐射
Figure 334917DEST_PATH_IMAGE012
，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量E；
步骤S208：确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。
优选地，所述步骤S208之后还包括步骤S209：再次获取目标场景的红外图像，重新确定定标地物，返回步骤S201，直至满足预设条件，得到不同定标地物平均灰度值以及其相对应相机像元接收到辐射能量，通过线性拟合获得定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。
优选地，所述步骤S300具体为：
步骤S301：通过检测算法或者人工标记的方法得到在当前时刻的图像上的目标区域对应的灰度值
Figure 210469DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤S302：已知目标区域中心点的经纬高
Figure 787075DEST_PATH_IMAGE014
，根据相机和目标区域中心点的经纬高
Figure 355460DEST_PATH_IMAGE015
的几何关系以及大气参数计算目标与相机之间对应波段的大气透过率
Figure 368415DEST_PATH_IMAGE016
和该段路径的程辐射
Figure 828084DEST_PATH_IMAGE017
。
优选地，所述步骤S400具体为：
步骤S401：根据成像时刻的图像上的目标对应的灰度值
Figure 977306DEST_PATH_IMAGE018
，通过定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系计算相机像元接收到目标的辐射能量，即入瞳辐射能量
Figure 185434DEST_PATH_IMAGE019
；
步骤S402：在点源辐射模型下，根据入瞳辐射能量
Figure 420106DEST_PATH_IMAGE020
、大气透过率
Figure 903040DEST_PATH_IMAGE016
和该段路径的程辐射
Figure 375609DEST_PATH_IMAGE017
反演出目标的自身辐射强度
Figure 89660DEST_PATH_IMAGE021
。
本发明还提供一种无定标卫星成像目标辐射特性反演系统，所述系统包括定标地物确定模块、映射模块、目标确定模块和反演模块，其中：
定标地物确定模块，用于获取当前时刻目标场景的红外图像，确定定标地物；
映射模块，用于获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
目标标记模块，用于获得目标在图像上的灰度值；
反演模块，用于根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。
本发明提供的一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法和系统，能够在缺乏标准定标辐射源的条件下，以典型地物为辐射定标参照物对远距离小目标辐射特性进行反演。
附图说明
图1为本发明提供的第一种实施例所述无定标卫星成像目标辐射特性反演方法的流程图；
图2为本发明提供的第二种实施例所述无定标卫星成像目标辐射特性反演方法的流程图；
图3为本发明提供的第三种实施例所述无定标卫星成像目标辐射特性反演方法的流程图；
图4为成像投影相关坐标系的相对关系示意图；
图5为目标视线方向矢量示意图；
图6为一维有限差分求解示意图；
图7为 Lambert漫反射模型图；
图8为地球面源到像元的辐照度示意图；
图9 为Modtran大气路径类型示意图；
图10为 Vega仿真下生成的红外灰度图；
图11为材质辐亮度和仿真结果的对应曲线图；
图12为本发明提供的一种无定标卫星成像目标辐射特性反演系统结构框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，图1为本发明提供的第一种实施例所述无定标卫星成像目标辐射特性反演方法的流程图。
一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物；
步骤S200：获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
步骤S300：获得目标在图像上的灰度值；
步骤S400：根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。
获取当前时刻的目标场景的红外图像，选取场景中较为均匀、辐射特性易于理论计算的地物作为定标地物。定标地物可选择水体、沙漠等。这类地物在图像中显著而易于识别，并且其介质较为单一，为其辐射计算带来一定的便利。获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。获得目标在图像上的灰度值，根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。本发明能够在缺乏标准定标辐射源的条件下，以典型地物为辐射定标参照物对远距离小目标辐射特性进行反演。
参见图2，图2为本发明提供的第二种实施例所述无定标卫星成像目标辐射特性反演方法的流程图。
一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物；
步骤S200：获取成像时刻的定标地物区域在图像上的平均灰度值，结合定标地物的气象条件，计算定标地物成像时刻的表面温度及其对应的自身辐射强度，根据相机像元视场角及其成像距离计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内的表面辐射能量，计算出定标地物至相机之间光学路径上的大气衰减及其程辐射，在面辐射模型下计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
步骤S300：获得目标在图像上的灰度值；
步骤S400：根据定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系，可计算出相机像元接收到目标的辐射能量，并考虑大气效应的修正，在点源辐射模型下反演出目标的自身辐射强度。
获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物。获取成像时刻的定标地物区域在图像上的平均灰度值，结合定标地物的气象条件，计算定标地物成像时刻的表面温度及其对应的自身辐射强度，根据相机像元视场角及其成像距离计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内的表面辐射能量，计算出定标地物至相机之间光学路径上的大气衰减及其程辐射，在面辐射模型下计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。
获得目标在图像上的灰度值，根据定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系，可计算出相机像元接收到目标的辐射能量，并考虑大气效应的修正，由于是对远距离小目标进行反演，故在点源辐射模型下反演出目标的自身辐射强度。
参见图3至图11，图3为本发明提供的第一种实施例所述无定标卫星成像目标辐射特性反演方法的流程图，图4为成像投影相关坐标系的相对关系示意图，图5为目标视线方向矢量示意图，图6为一维有限差分求解示意图，图7为 Lambert漫反射模型图，图8为地球面源到像元的辐照度示意图，图9为 Modtran大气路径类型示意图，图10 为Vega仿真下生成的红外灰度图，图11为材质辐亮度和仿真结果的对应曲线图。
一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S101：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物，得到定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 811628DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S102：根据定标地物区域中心点的相面坐标
Figure 114565DEST_PATH_IMAGE001
，通过坐标系变换获得相机视线
Figure 570472DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
，所述视线
Figure 455252DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE002
与地球表面的交点再转换为经纬高
Figure 981262DEST_PATH_IMAGE003
。
详见图4，所述涉及坐标系转换具体为：从地心惯性坐标系依次经过轨道坐标系、卫星坐标系转换为传感器成像坐标系。
当前时刻即为成像时刻
Figure 87889DEST_PATH_IMAGE023
时的坐标系转换矩阵
Figure 66209DEST_PATH_IMAGE024
计算步骤，包括：
（1）地心坐标系
Figure 318199DEST_PATH_IMAGE025
到轨道坐标系
Figure 218022DEST_PATH_IMAGE026
的转换矩阵
Figure 361296DEST_PATH_IMAGE027
计算：
轨道坐标系
Figure 459702DEST_PATH_IMAGE026
的定义为：以卫星所处位置为原点
Figure 898905DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 597608DEST_PATH_IMAGE029
轴在轨道面内指向卫星飞行方向，
Figure 764148DEST_PATH_IMAGE030
轴方向是卫星与星下点连线的方向，指向地心，
Figure 733372DEST_PATH_IMAGE031
轴垂直轨道面，与
Figure 327164DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 998317DEST_PATH_IMAGE030
轴组成右手系。转换矩阵
Figure 171809DEST_PATH_IMAGE027
计算公式如下：
Figure 759654DEST_PATH_IMAGE032
其中
Figure 524348DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 699108DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 410712DEST_PATH_IMAGE035
分别为轨道坐标系
Figure 587485DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 523080DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 185136DEST_PATH_IMAGE030
轴在地心坐标系
Figure 434852DEST_PATH_IMAGE025
下的方向矢量，计算式如下：
Figure 216863DEST_PATH_IMAGE036
其中，
Figure 588939DEST_PATH_IMAGE037
为卫星平台的位置，与相机位置相同。轨道面法向，即坐标轴
Figure 236827DEST_PATH_IMAGE031
的方向矢量
Figure 86971DEST_PATH_IMAGE038
由轨道参数给定，则
Figure 926751DEST_PATH_IMAGE029
轴矢量
Figure 486040DEST_PATH_IMAGE039
可由
Figure 90065DEST_PATH_IMAGE031
轴矢量和
Figure 743900DEST_PATH_IMAGE030
轴矢量的叉乘得到：
Figure 438187DEST_PATH_IMAGE040
。
（2）轨道坐标系
Figure 168377DEST_PATH_IMAGE026
到卫星坐标系
Figure 10431DEST_PATH_IMAGE041
的转换矩阵
Figure 467957DEST_PATH_IMAGE042
计算：
理想情况下，卫星坐标系与轨道坐标系重合，但由于卫星姿态在俯仰、偏航和旋转上的扰动，卫星坐标系与轨道坐标系实际并不重合，两者存在一个旋转关系，旋转变换由卫星相对于轨道坐标系的俯仰、偏航和旋转角确定：
Figure 593913DEST_PATH_IMAGE043
其中，
Figure 681955DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 745726DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 23255DEST_PATH_IMAGE046
分别为卫星相对于轨道坐标系的俯仰、旋转和偏航的角度。考虑卫星姿态误差服从高斯分布，即俯仰、旋转和偏航角分别服从正态分布
Figure 738139DEST_PATH_IMAGE047
、
Figure 793820DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 548149DEST_PATH_IMAGE049
，
Figure 363789DEST_PATH_IMAGE050
、
Figure 683912DEST_PATH_IMAGE051
和
Figure 176073DEST_PATH_IMAGE052
分别为对应量的标准差，其值由探测系统给定。
Figure 152120DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 269986DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 710195DEST_PATH_IMAGE046
按其分布随机生成。
（3）卫星坐标系
Figure 123990DEST_PATH_IMAGE041
到传感器成像坐标系
Figure 164496DEST_PATH_IMAGE053
的转换矩阵
Figure 243310DEST_PATH_IMAGE054
计算：
传感器成像坐标系
Figure 538025DEST_PATH_IMAGE053
的原点与卫星坐标系原点重合，
Figure 122722DEST_PATH_IMAGE055
轴为传感器视轴指向，
Figure 135677DEST_PATH_IMAGE056
轴平行坐标平面
Figure 18182DEST_PATH_IMAGE057
，传感器视轴指向
Figure 432983DEST_PATH_IMAGE055
在卫星坐标系
Figure 952695DEST_PATH_IMAGE041
下的俯仰角为
Figure 187367DEST_PATH_IMAGE058
、方位角为
Figure 686613DEST_PATH_IMAGE059
，传感器成像坐标系与卫星坐标系的关系如图5所示，
Figure 159182DEST_PATH_IMAGE055
轴在卫星坐标系下的方向矢量
Figure 318637DEST_PATH_IMAGE060
为：
Figure 40606DEST_PATH_IMAGE062
Figure 343542DEST_PATH_IMAGE056
轴方向矢量
Figure 467356DEST_PATH_IMAGE063
和
Figure 751707DEST_PATH_IMAGE064
轴方向矢量
Figure 226550DEST_PATH_IMAGE065
分别为：
Figure 566134DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure 544454DEST_PATH_IMAGE067
，
Figure 999706DEST_PATH_IMAGE068
。
如图5所示，定标地物区域中心点在图像上的坐标位置为
Figure 978158DEST_PATH_IMAGE001
,根据图像行数row及列数col，以及像元视场角
Figure 855853DEST_PATH_IMAGE069
，可求出该位置对应于定标地物区域中心点相对于光轴的偏角
Figure 688679DEST_PATH_IMAGE070
:
Figure 314833DEST_PATH_IMAGE071
Figure 780580DEST_PATH_IMAGE072
定标地物中心点视线在相机坐标系下的方向矢量
Figure 681540DEST_PATH_IMAGE073
为：
Figure 900032DEST_PATH_IMAGE074
则地心惯性坐标系下定标地物中心点视线方向矢量
Figure 697087DEST_PATH_IMAGE022
为：
Figure 906524DEST_PATH_IMAGE075
。
进一步可得到视线
Figure 876754DEST_PATH_IMAGE022
与地球表面的交点，将该地心惯性坐标系下的交点坐标转换到地理坐标系下得到经纬高
Figure 966064DEST_PATH_IMAGE003
。计算交点过程如下：
根据定标地物区域中心点视线方向及卫星位置可得到过目标的射线方程：
Figure 245604DEST_PATH_IMAGE076
则交点（即定标地物区域中心点）的空间位置
Figure 341736DEST_PATH_IMAGE077
可由以下联立方程解得：
Figure 584499DEST_PATH_IMAGE078
其中，Ro为地球半径。
步骤S201：获得定标地物区域在成像时刻的图像上的平均灰度值
Figure 793894DEST_PATH_IMAGE004
；
步骤S202：根据定标地物的气象条件，通过热平衡方程计算得到定标地物表面温度
Figure 729489DEST_PATH_IMAGE005
；
当定标地物选择沙漠时，对于沙漠而言，其地表温度由太阳、月球等的辐射所决定，对于自身不具有热源的沙漠地表来说，沙漠地表稳态热平衡方程如下：
Figure 375234DEST_PATH_IMAGE079
Figure 202114DEST_PATH_IMAGE080
、
Figure 984125DEST_PATH_IMAGE081
分别为地表吸收的太阳辐射和大气辐射，
Figure 293883DEST_PATH_IMAGE082
为地表的自身辐射，
Figure 443236DEST_PATH_IMAGE083
为显热交换，
Figure 808227DEST_PATH_IMAGE084
为潜热交换，
Figure 444745DEST_PATH_IMAGE085
为热传导，
Figure 4033DEST_PATH_IMAGE086
、
Figure 93212DEST_PATH_IMAGE087
、
Figure 950310DEST_PATH_IMAGE088
和
Figure 706913DEST_PATH_IMAGE089
由下式确定：
Figure 935638DEST_PATH_IMAGE090
，
Figure 777692DEST_PATH_IMAGE091
Figure 251530DEST_PATH_IMAGE092
，
Figure 800323DEST_PATH_IMAGE093
。
上面各式中，
Figure 199949DEST_PATH_IMAGE094
为到达地表处的太阳辐射，
Figure 263720DEST_PATH_IMAGE095
为地表反射率，
Figure 275670DEST_PATH_IMAGE096
为地表发射率，
Figure 741286DEST_PATH_IMAGE097
为斯蒂芬－波尔斯曼常数，
Figure 229DEST_PATH_IMAGE098
为定标地物的导热系数，
Figure 551296DEST_PATH_IMAGE099
、
Figure 131051DEST_PATH_IMAGE100
和
Figure 451174DEST_PATH_IMAGE101
分别为参考高度处的大气温度、地表表面温度和地下近地表处温度，
Figure 694067DEST_PATH_IMAGE102
为大气水汽压，
Figure 247277DEST_PATH_IMAGE103
、
Figure 787980DEST_PATH_IMAGE104
为经验常数，
Figure 962609DEST_PATH_IMAGE105
为地表面法向方向。
Figure 641984DEST_PATH_IMAGE106
和
Figure 902064DEST_PATH_IMAGE107
相应的表达式为:
Figure 308774DEST_PATH_IMAGE108
Figure 806752DEST_PATH_IMAGE109
上述各式中，
Figure 889983DEST_PATH_IMAGE110
、
Figure 902938DEST_PATH_IMAGE111
分别为空气密度和定压比热，
Figure 864072DEST_PATH_IMAGE112
为汽化潜热，
Figure 216556DEST_PATH_IMAGE113
为参考高度处的大气比湿，
Figure 205110DEST_PATH_IMAGE114
为地表表面处的比湿，
Figure 439782DEST_PATH_IMAGE115
为拖曳系数，
Figure 204607DEST_PATH_IMAGE116
为风速。
温度的计算就是热传导方程的求解，微分方程的求解可采用微元法，由于地表介质的温度分布具有分层特点，温度的变化一般发生在深度方向上，而在横向上可认为无变化，因此，在温度计算过程中，按一维导热处理，其内部温度分布的导热微分方程为：
Figure 208335DEST_PATH_IMAGE117
式中，
Figure 321784DEST_PATH_IMAGE118
为时刻
Figure 309332DEST_PATH_IMAGE119
,深度
Figure 110804DEST_PATH_IMAGE120
的温度，
Figure 234617DEST_PATH_IMAGE121
为热扩散系数，其值为
Figure 597597DEST_PATH_IMAGE122
，
Figure 744544DEST_PATH_IMAGE123
、
Figure 84128DEST_PATH_IMAGE124
分别为定标地物的比热和密度。
对于上述的热传导方程，可采用一维有限差分法来求解其不稳定传热，如图7所示，令计算时间
Figure 62448DEST_PATH_IMAGE125
，并从地表向内将一定深度的沙漠划分为
Figure 596329DEST_PATH_IMAGE126
个薄层，设总厚度为
Figure 292889DEST_PATH_IMAGE127
，则薄层厚度为
Figure 921317DEST_PATH_IMAGE128
，
Figure 957406DEST_PATH_IMAGE119
时刻、第
Figure 160723DEST_PATH_IMAGE129
个薄层的中心温度表示为
Figure 79000DEST_PATH_IMAGE130
，则求解热传导方程的差分计算格式如下：
Figure 527430DEST_PATH_IMAGE131
（1）
为求解上述导热微分方程，需要给定初始条件和边界条件，一般来讲，可将地物表面的初始温度设定为大气温度。即
Figure 995190DEST_PATH_IMAGE132
所需的边界条件随求解对象的不同而有所不同，对于沙漠地表，其边界条件可由目标沙漠表面的热平衡方程给出。
如图6所示，第0层在
Figure 792244DEST_PATH_IMAGE133
时间步长内，其温度从
Figure 197818DEST_PATH_IMAGE134
变化到
Figure 184360DEST_PATH_IMAGE135
所吸收的热量为：
Figure 991779DEST_PATH_IMAGE136
其中，S为临时变量。
因此有：
Figure 959735DEST_PATH_IMAGE137
（2）
其中，t时刻
Figure 118183DEST_PATH_IMAGE138
的具体计算式如下：
Figure 406951DEST_PATH_IMAGE139
。
由于地表深度处的温度基本保持不变，故可设定地表某一深度处的边界条件为
Figure 334456DEST_PATH_IMAGE140
。该温度查当地地质资料可得，一般设置290K左右即可。计算过程中，首先设定各层的初始温度，然后根据式（2）计算得到下一时刻的地表层温度，再由（1）式计算得到下一时刻各层的温度，重复上述过程，直到各层温度趋于稳定，各层温度不再发生显著变化。计算过程中，t时刻的定标地物表面温度
Figure 551942DEST_PATH_IMAGE141
与
Figure 181375DEST_PATH_IMAGE142
相等。
步骤S203：根据计算得到的定标地物表面温度
Figure 696670DEST_PATH_IMAGE141
，通过普朗克定律计算定标地物自身辐射强度
Figure 478681DEST_PATH_IMAGE143
；
自身辐射强度
Figure 867068DEST_PATH_IMAGE143
为：
Figure 468951DEST_PATH_IMAGE144
。
其中：
Figure 584675DEST_PATH_IMAGE145
。
Figure 424455DEST_PATH_IMAGE146
为波长
Figure 505716DEST_PATH_IMAGE147
，第一辐射常数
Figure 860474DEST_PATH_IMAGE148
，第二辐射常数
Figure 530621DEST_PATH_IMAGE149
。
步骤S204：通过Modtran计算获取定标地物区域红外图像成像时刻的气象条件下到达该区域的
Figure 802071DEST_PATH_IMAGE150
谱段的太阳热辐射强度
Figure 453632DEST_PATH_IMAGE151
，并根据太阳漫反射模型，计算定标地物的漫反射辐射强度分量
Figure 30107DEST_PATH_IMAGE152
；
地表对太阳的漫反射光强度近似地服从Lambert定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比。由此构造出Lambert漫反射模型：
Figure 503945DEST_PATH_IMAGE153
Figure 115055DEST_PATH_IMAGE154
为标定地物表面漫反射分量，
Figure 999834DEST_PATH_IMAGE155
是入射光线的方向
Figure 844031DEST_PATH_IMAGE156
与物体表面该顶点法线
Figure 839669DEST_PATH_IMAGE157
的夹角，或称为入射角
Figure 508547DEST_PATH_IMAGE158
。Lambert漫反射模型示意图如图7所示。
为计算方便可以用
Figure 580540DEST_PATH_IMAGE159
替代原式中的余弦计算，其中
Figure 646454DEST_PATH_IMAGE157
为顶点的单位法向量，
Figure 445782DEST_PATH_IMAGE156
是入射光的单位法向量，指向为顶点指向光源。即上式变为：
Figure 47796DEST_PATH_IMAGE160
步骤S205：计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内
Figure 212061DEST_PATH_IMAGE150
谱段辐射能量
Figure 250424DEST_PATH_IMAGE161
；
参见图8，假设像元为受照面元，光学系统口径面积为
Figure 853444DEST_PATH_IMAGE162
，像元所指向的地球表面定标物区域A，面积为
Figure 808500DEST_PATH_IMAGE163
，成像面的法线与像元入射辐射方向的夹角为
Figure 205983DEST_PATH_IMAGE164
，定标物区域A到像元的距离为
Figure 669325DEST_PATH_IMAGE165
。则光学系统口径相对于面源A的立体角
Figure 92347DEST_PATH_IMAGE166
为：
Figure 636330DEST_PATH_IMAGE167
面辐射源A的辐射主要由其对太阳的漫反射
Figure 204715DEST_PATH_IMAGE168
和其自身辐射
Figure 233982DEST_PATH_IMAGE169
组成。
假设定标地物为朗伯体，若面辐射源所在平面法线
Figure 913225DEST_PATH_IMAGE170
与辐射方向的夹角为
Figure 466041DEST_PATH_IMAGE171
，则像元接收到的定标地物辐射能量
Figure 205327DEST_PATH_IMAGE172
为：
Figure 643262DEST_PATH_IMAGE173
步骤S206：根据相机和定标地物区域中心点的经纬高
Figure 391775DEST_PATH_IMAGE003
的几何关系，以及大气参数计算定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 175929DEST_PATH_IMAGE011
和该段路径的程辐射
Figure 86116DEST_PATH_IMAGE012
。
根据相机和定标地物区域中心点的经纬高
Figure 89975DEST_PATH_IMAGE003
的几何关系，同时输入风速、温度、日序、大气路径类型、波段等参数。其中大气路径类型由已知条件目标位置、相机位置决定，为short Slant Path，也即短程斜路径，其路径示意图如图9所示，计算得到定标区域和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 314283DEST_PATH_IMAGE011
和该段路径的程辐射
Figure 952944DEST_PATH_IMAGE012
。
步骤S207：在面辐射模型下，根据定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 768453DEST_PATH_IMAGE011
和该段路径的程辐射
Figure 259609DEST_PATH_IMAGE012
，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量E；
红外相机像元接收到场景辐射主成分是太阳漫反射和热辐射，则定标区域中心点像元接收到的辐射量为:
Figure 84345DEST_PATH_IMAGE174
步骤S208：确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
假定相机的量化为线性量化，则像素灰度和辐射能量之间的变换关系可由下式表达：
Figure 265928DEST_PATH_IMAGE175
上式中，
Figure 783497DEST_PATH_IMAGE176
为定标地物平均灰度值，E为像元接收到的辐射能量，
Figure 994904DEST_PATH_IMAGE177
、
Figure 357752DEST_PATH_IMAGE178
为系数。
步骤S301：通过检测算法或者人工标记的方法得到在当前时刻的图像上的目标区域对应的灰度值
Figure 738049DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤S302：已知目标区域中心点的经纬高
Figure 364203DEST_PATH_IMAGE014
，根据相机与目标区域中心点经纬高
Figure 797327DEST_PATH_IMAGE014
的几何关系，以及大气参数，通过Modtran计算目标与相机之间对应波段的大气透过率
Figure 963866DEST_PATH_IMAGE016
和该段路径的程辐射
Figure 198669DEST_PATH_IMAGE017
；
步骤S401：根据成像时刻的图像上的目标对应的灰度值
Figure 792462DEST_PATH_IMAGE013
，通过定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系计算相机像元接收到目标的辐射能量，即入瞳辐射能量
Figure 463615DEST_PATH_IMAGE019
；
计算目标像素值
Figure 371528DEST_PATH_IMAGE013
对应的入瞳辐射能量
Figure 959373DEST_PATH_IMAGE019
。
Figure 724066DEST_PATH_IMAGE179
步骤S402：在点源辐射模型下，根据入瞳辐射能量
Figure 898827DEST_PATH_IMAGE020
、大气透过率
Figure 922015DEST_PATH_IMAGE016
和该段路径的程辐射
Figure 583941DEST_PATH_IMAGE017
反演出目标的自身辐射强度
Figure 722798DEST_PATH_IMAGE021
。
假定小目标在成像波段范围内的辐射强度为
Figure 384855DEST_PATH_IMAGE180
，对于小目标，可假定其为点源辐射，则传感器入瞳处接收到的目标能量为：
Figure 696887DEST_PATH_IMAGE181
上式中，R为光学孔径（半径），d为目标与传感器的距离。因此，目标的辐射强度可由下式反演得到：
Figure 478899DEST_PATH_IMAGE182
。
进一步的为了提高定标地物图像灰度与相机像元接收到辐射能量的映射关系的精确性。所述步骤S208之后还包括步骤S209：再次获取目标场景的红外图像，重新确定定标地物，返回步骤S201，直至满足预设条件，得到不同定标地物图像灰度以及其相对应相机像元接收到辐射能量，通过线性拟合获得定标地物图像灰度与相机像元接收到辐射能量的映射关系。即利用多帧图像中不同定标地物的灰度值和理论计算辐射能量，通过线性拟合获得模型参数
Figure 389259DEST_PATH_IMAGE183
和
Figure 459983DEST_PATH_IMAGE184
。
本发明中的定标物沙漠的辐射计算模型的准确性直接影响目标辐射强度反演的精度，为了验证发明中沙漠地物辐射计算模型的有效性，采用Vega红外仿真软件计算相同时相、气象条件下沙漠地物的辐射量，并与发明中的模型计算结果进行比较以衡量本发明中计算模型的有效性。
验证沙漠在某一特定的时间和场景下的红外辐射反演值，操作的总体思想是首先建立沙漠模型，并设置相关的实验条件，再使用Vega软件中的SensorVision 模块求得其在红外成像中的灰度值并根据灰度值对应关系表拟合计算出相对应的辐射强度。具体步骤如下：
首先使用Creator软件建立一个沙漠的模型，由于此实验中不需要描述沙漠的起伏变化，所以只需产生一幅平面的.rgb图像作为初始的沙漠模型图像。
利用TMM软件导入Creator产生的.rgb图像，对相应的灰度值赋材料的标记，即标定某一区域的某一灰度范围对应为沙漠材质，在TMM中选择desert sand作为此次沙漠的材质，最终生成.tmm格式的文件。
利用Matlab软件设置红外仿真下的环境参数，包括当地时间、目标点经度和纬度、目标高度、环境温度和风速、探测波长、观测高度，并选择此次仿真需要模拟的材质desertsand，选择完成后点击生成环境参数模型，文件格式为.mat。
进入Vega软件，导入.rgb图像、.tmm和.mat参数配置文件，设定观察者的角度。进入SensorVision模块设置相关的红外观测变量，观测辐射和反射的红外波段，完成设置后，点击仿真按钮，生成最终的图像如图10所示。
Vega仿真图像中，沙漠的灰度值约为230，根据图11的Vega仿真数据灰度值和辐射强度的对应线性映射关系计算出沙漠的辐射强度约为55W/Sr。
实际载荷数据图像中定标的沙漠区域灰度平均值为225，利用沙漠辐射计算模型计算得到的平均辐射强度为53.5 W/Sr。
表1 Vega仿真结果与辐射反演模型计算结果
Figure 310127DEST_PATH_IMAGE186
参见图12，图12为本发明提供的一种无定标卫星成像目标辐射特性反演系统结构框图。
本发明还提供了一种无定标卫星成像目标辐射特性反演系统，所述系统包括定标地物确定模块1、映射模块2、目标标记模块3和反演模块4，其中：
定标地物确定模块1，用于获取当前时刻目标场景的红外图像，确定定标地物；
映射模块2，用于获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
目标标记模块3，用于获得目标在图像上的灰度值；
反演模块4，用于根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。
定标地物确定模块1获取当前时刻的目标场景的红外图像，选取场景中较为均匀、辐射特性易于理论计算的地物作为定标地物。定标地物可选择水体、沙漠等。这类地物在图像中显著而易于识别，并且其介质较为单一，为其辐射计算带来一定的便利。映射模块2获得定标地物在图像上的灰度值，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。目标标记模块3获得目标在图像上的灰度值。反演模块4根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。本发明能够在缺乏标准定标辐射源的条件下，以典型地物为辐射定标参照物对远距离小目标辐射特性进行反演。
以上对本发明所提供的一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法和系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物，具体为：
步骤S101：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物，得到定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 698437DEST_PATH_IMAGE001
；
步骤S102：根据定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 349998DEST_PATH_IMAGE001
，通过坐标系变换获得相机视线
Figure 598577DEST_PATH_IMAGE002
，所述视线
Figure 462628DEST_PATH_IMAGE002
与地球表面的交点再转换为经纬高
Figure 198371DEST_PATH_IMAGE003
，其中：
所述坐标系变换包括：
（1）地心坐标系
Figure 489675DEST_PATH_IMAGE004
到轨道坐标系
Figure 225550DEST_PATH_IMAGE005
的转换，其转换矩阵计算公式为：
Figure 906674DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 44394DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 506600DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 729770DEST_PATH_IMAGE009
分别为轨道坐标系
Figure 388154DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 380381DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 544646DEST_PATH_IMAGE012
轴在地心坐标系
Figure 5845DEST_PATH_IMAGE013
下的方向矢量，
Figure 749810DEST_PATH_IMAGE014
表示卫星平台的位置；
（2）轨道坐标系
Figure 65385DEST_PATH_IMAGE015
到卫星坐标系
Figure 118661DEST_PATH_IMAGE016
的转换，其转换矩阵计算公式为：
Figure 316424DEST_PATH_IMAGE017
其中，
Figure 864080DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 830899DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 84769DEST_PATH_IMAGE020
分别为卫星相对于轨道坐标系的俯仰、旋转和偏航的角度；
（3）卫星坐标系
Figure 504249DEST_PATH_IMAGE021
到传感器成像坐标系
Figure 855596DEST_PATH_IMAGE022
的转换，其转换矩阵计算公式为：
Figure 129451DEST_PATH_IMAGE023
其中，
Figure 540841DEST_PATH_IMAGE024
表示
Figure 447617DEST_PATH_IMAGE025
轴在卫星坐标系下的方向矢量，
Figure 602655DEST_PATH_IMAGE026
表示
Figure 294799DEST_PATH_IMAGE027
轴在卫星坐标系下的方向矢量，
Figure 877090DEST_PATH_IMAGE028
表示
Figure 474424DEST_PATH_IMAGE029
轴在卫星坐标系下的方向矢量；
所述视线的计算公式为：
Figure 416842DEST_PATH_IMAGE030
其中，
Figure 947180DEST_PATH_IMAGE031
表示定标地物中心点视线在相机坐标系下的方向矢量，
Figure 965952DEST_PATH_IMAGE032
表示定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 847320DEST_PATH_IMAGE033
对应于定标地物区域中心点相对于光轴的偏角，
Figure 295225DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 945650DEST_PATH_IMAGE035
，row和col分别表示图像的行数和列数，
Figure 604164DEST_PATH_IMAGE036
表示图像的像元视场角；
所述交点的计算公式为：
Figure 222096DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 522627DEST_PATH_IMAGE038
为地球半径，
Figure 293137DEST_PATH_IMAGE039
表示定标地物区域中心点的空间位置坐标；
步骤S200：获取成像时刻的定标地物区域在图像上的平均灰度值，结合定标地物的气象条件，计算定标地物成像时刻的表面温度及其对应的自身辐射强度，根据相机像元视场角及其成像距离计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内的表面辐射能量，计算出定标地物至相机之间光学路径上的大气衰减及其程辐射，在面辐射模型下计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系，具体为：
步骤S201：获得定标地物区域在当前时刻的图像上的平均灰度值
Figure 122553DEST_PATH_IMAGE040
；
步骤S202：根据定标地物的气象条件，通过热平衡方程计算得到定标地物表面温度
Figure 932508DEST_PATH_IMAGE041
；
步骤S203：根据定标地物表面温度
Figure 771151DEST_PATH_IMAGE041
，通过普朗克定律计算定标地物自身辐射强度
Figure 130588DEST_PATH_IMAGE042
；
步骤S204：通过Modtran计算获取定标地物区域红外图像成像时刻的气象条件下到达该区域的
Figure 645752DEST_PATH_IMAGE043
谱段的太阳热辐射强度
Figure 989009DEST_PATH_IMAGE044
，并根据太阳漫反射模型，计算定标地物的漫反射辐射强度分量
Figure 631343DEST_PATH_IMAGE045
，地表对太阳的漫反射光强度近似地服从Lambert定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比，由此构造出Lambert漫反射模型：
Figure 110866DEST_PATH_IMAGE046
Figure 498728DEST_PATH_IMAGE047
为标定地物表面漫反射分量，其中，
Figure 63702DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 244148DEST_PATH_IMAGE049
是入射光线的方向
Figure 827444DEST_PATH_IMAGE050
与物体表面该顶点法线
Figure 700723DEST_PATH_IMAGE051
的夹角，或称为入射角，其中，
Figure 956255DEST_PATH_IMAGE052
；
步骤S205：计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内
Figure 425544DEST_PATH_IMAGE053
谱段辐射能量
Figure 879659DEST_PATH_IMAGE054
；
步骤S206：根据相机和定标地物区域中心点的经纬高
Figure 658260DEST_PATH_IMAGE055
的几何关系，以及大气参数计算定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 463404DEST_PATH_IMAGE056
和该段路径的程辐射
Figure 234920DEST_PATH_IMAGE057
；
步骤S207：在面辐射模型下，根据定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 746804DEST_PATH_IMAGE056
和该段路径的程辐射
Figure 696306DEST_PATH_IMAGE057
，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量E；
步骤S208：确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
步骤S300：获得目标在图像上的灰度值；
步骤S400：根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。
2.根据权利要求1所述的无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，其特征在于，所述步骤S400具体为：根据定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系，可计算出相机像元接收到目标的辐射能量，并考虑大气效应的修正，在点源辐射模型下反演出目标的自身辐射强度。
3.根据权利要求2所述的无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，其特征在于，所述步骤S208之后还包括步骤S209：再次获取目标场景的红外图像，重新确定定标地物，返回步骤S201，直至满足预设条件，得到不同定标地物平均灰度值以及其相对应相机像元接收到辐射能量，通过线性拟合获得定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系。
4.根据权利要求3所述的无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，其特征在于，所述步骤S300具体为：
步骤S301：通过检测算法或者人工标记的方法得到在当前时刻的图像上的目标区域对应的灰度值
Figure 470970DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤S302：已知目标区域中心点的经纬高
Figure 796909DEST_PATH_IMAGE059
，根据相机和目标区域中心点的经纬高
Figure 960037DEST_PATH_IMAGE059
的几何关系以及大气参数计算目标与相机之间对应波段的大气透过率
Figure 80440DEST_PATH_IMAGE060
和该段路径的程辐射
Figure 47128DEST_PATH_IMAGE061
。
5.根据权利要求4所述的无定标卫星成像目标辐射特性反演方法，其特征在于，所述步骤S400具体为：
步骤S401：根据成像时刻的图像上的目标区域对应的灰度值
Figure 911179DEST_PATH_IMAGE058
，通过定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系计算相机像元接收到目标的辐射能量，即入瞳辐射能量
Figure 928813DEST_PATH_IMAGE062
；
步骤S402：在点源辐射模型下，根据入瞳辐射能量
Figure 236429DEST_PATH_IMAGE062
、大气透过率
Figure 237883DEST_PATH_IMAGE060
和该段路径的程辐射
Figure 905625DEST_PATH_IMAGE061
反演出目标的自身辐射强度
Figure 230296DEST_PATH_IMAGE063
。
6.一种无定标卫星成像目标辐射特性反演系统，其特征在于，所述系统包括定标地物确定模块、映射模块、目标确定模块和反演模块，其中：
定标地物确定模块，用于获取当前时刻目标场景的红外图像，确定定标地物，具体为：
步骤S101：获取当前时刻的目标场景的红外图像，确定定标地物，得到定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 958080DEST_PATH_IMAGE064
；
步骤S102：根据定标地物区域中心点的相面坐标
Figure 181251DEST_PATH_IMAGE064
，通过坐标系变换获得相机视线
Figure 652684DEST_PATH_IMAGE065
，所述视线
Figure 728651DEST_PATH_IMAGE065
与地球表面的交点再转换为经纬高
Figure 830599DEST_PATH_IMAGE066
，其中：
所述坐标系变换包括：
（1）地心坐标系
Figure 275487DEST_PATH_IMAGE067
到轨道坐标系
Figure 534299DEST_PATH_IMAGE068
的转换，其转换矩阵计算公式为：
Figure 912191DEST_PATH_IMAGE069
其中，
Figure 716199DEST_PATH_IMAGE070
，
Figure 913962DEST_PATH_IMAGE071
，
Figure 212350DEST_PATH_IMAGE072
分别为轨道坐标系
Figure 382431DEST_PATH_IMAGE073
、
Figure 357341DEST_PATH_IMAGE074
、
Figure 557247DEST_PATH_IMAGE075
轴在地心坐标系
Figure 908594DEST_PATH_IMAGE076
下的方向矢量，
Figure 729919DEST_PATH_IMAGE077
表示卫星平台的位置；
（2）轨道坐标系
Figure 92374DEST_PATH_IMAGE078
到卫星坐标系
Figure 999150DEST_PATH_IMAGE079
的转换，其转换矩阵计算公式为：
Figure 154188DEST_PATH_IMAGE081
其中，
Figure 95599DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 661579DEST_PATH_IMAGE083
、
Figure 258913DEST_PATH_IMAGE084
分别为卫星相对于轨道坐标系的俯仰、旋转和偏航的角度；
（3）卫星坐标系
Figure 952063DEST_PATH_IMAGE085
到传感器成像坐标系
Figure 498713DEST_PATH_IMAGE086
的转换，其转换矩阵计算公式为：
Figure 251905DEST_PATH_IMAGE087
其中，
Figure 398853DEST_PATH_IMAGE088
表示
Figure 630114DEST_PATH_IMAGE089
轴在卫星坐标系下的方向矢量，
Figure 733068DEST_PATH_IMAGE090
表示
Figure 657162DEST_PATH_IMAGE091
轴在卫星坐标系下的方向矢量，
Figure 25826DEST_PATH_IMAGE092
表示
Figure 74160DEST_PATH_IMAGE093
轴在卫星坐标系下的方向矢量；
所述视线的计算公式为：
Figure 579091DEST_PATH_IMAGE094
其中，
Figure 877348DEST_PATH_IMAGE095
表示定标地物中心点视线在相机坐标系下的方向矢量，
Figure 982576DEST_PATH_IMAGE096
表示定标地物区域中心点在图像上的相面坐标
Figure 555640DEST_PATH_IMAGE097
对应于定标地物区域中心点相对于光轴的偏角，
Figure 446236DEST_PATH_IMAGE098
，
Figure 712132DEST_PATH_IMAGE099
，row和col分别表示图像的行数和列数，
Figure 540542DEST_PATH_IMAGE100
表示图像的像元视场角；
所述交点的计算公式为：
Figure 386138DEST_PATH_IMAGE102
其中，
Figure 865661DEST_PATH_IMAGE103
为地球半径，
Figure 551726DEST_PATH_IMAGE104
表示定标地物区域中心点的空间位置坐标；
映射模块，用于获取成像时刻的定标地物区域在图像上的平均灰度值，结合定标地物的气象条件，计算定标地物成像时刻的表面温度及其对应的自身辐射强度，根据相机像元视场角及其成像距离计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内的表面辐射能量，计算出定标地物至相机之间光学路径上的大气衰减及其程辐射，在面辐射模型下计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量，确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系，具体为：
步骤S201：获得定标地物区域在当前时刻的图像上的平均灰度值
Figure 116700DEST_PATH_IMAGE105
；
步骤S202：根据定标地物的气象条件，通过热平衡方程计算得到定标地物表面温度
Figure 297145DEST_PATH_IMAGE106
；
步骤S203：根据定标地物表面温度
Figure 896754DEST_PATH_IMAGE106
，通过普朗克定律计算定标地物自身辐射强度
Figure 252255DEST_PATH_IMAGE042
；
步骤S204：通过Modtran计算获取定标地物区域红外图像成像时刻的气象条件下到达该区域的
Figure 507787DEST_PATH_IMAGE107
谱段的太阳热辐射强度
Figure 226345DEST_PATH_IMAGE108
，并根据太阳漫反射模型，计算定标地物的漫反射辐射强度分量
Figure 929727DEST_PATH_IMAGE109
，地表对太阳的漫反射光强度近似地服从Lambert定律，即漫反射光的光强仅与入射光的方向和反射点处表面法向夹角的余弦成正比，由此构造出Lambert漫反射模型：
Figure 973907DEST_PATH_IMAGE110
Figure 513472DEST_PATH_IMAGE111
为标定地物表面漫反射分量，其中，
Figure 989715DEST_PATH_IMAGE112
，
Figure 298337DEST_PATH_IMAGE113
是入射光线的方向
Figure 247838DEST_PATH_IMAGE114
与物体表面该顶点法线
Figure 274700DEST_PATH_IMAGE115
的夹角，或称为入射角，其中，
Figure 849907DEST_PATH_IMAGE116
；
步骤S205：计算单个像元所覆盖定标地物的地表范围内
Figure 216297DEST_PATH_IMAGE117
谱段辐射能量
Figure 336700DEST_PATH_IMAGE118
；
步骤S206：根据相机和定标地物区域中心点的经纬高
Figure 598661DEST_PATH_IMAGE119
的几何关系，以及大气参数计算定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 728291DEST_PATH_IMAGE120
和该段路径的程辐射
Figure 745925DEST_PATH_IMAGE121
；
步骤S207：在面辐射模型下，根据定标地物和相机之间对应波段的大气透过率
Figure 302809DEST_PATH_IMAGE120
和该段路径的程辐射
Figure 491213DEST_PATH_IMAGE121
，计算相机像元接收到的定标地物的辐射能量E；
步骤S208：确定定标地物平均灰度值与相机像元接收到辐射能量的映射关系；
目标标记模块，用于获得目标在图像上的灰度值；
反演模块，用于根据定标地物灰度值与接收到的辐射能量的映射关系反演出目标的自身辐射强度。
CN201810024731.8A 2018-01-11 2018-01-11 一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统 Active CN108537770B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810024731.8A CN108537770B (zh) 2018-01-11 2018-01-11 一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810024731.8A CN108537770B (zh) 2018-01-11 2018-01-11 一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108537770A CN108537770A (zh) 2018-09-14
CN108537770B true CN108537770B (zh) 2021-08-03

Family

ID=63485398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810024731.8A Active CN108537770B (zh) 2018-01-11 2018-01-11 一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108537770B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109357757B (zh) * 2018-11-28 2024-04-09 上海同繁勘测工程科技有限公司 辐射定标系统及其光源控制模块
CN109655234B (zh) * 2018-12-19 2020-09-04 中国大恒(集团)有限公司北京图像视觉技术分公司 一种针对于相机的自动化测试方法
CN109815550B (zh) * 2018-12-27 2019-08-13 北京航天长征飞行器研究所 空间目标地面模拟试验光学特性测量方法
CN111157120B (zh) * 2020-01-10 2021-05-04 北京航空航天大学 一种具有空间连续性的地表温度仿真方法
CN113450403B (zh) * 2020-03-27 2023-04-18 浙江宇视科技有限公司 热成像相机的测试方法、装置、设备和介质
CN112213264B (zh) * 2020-09-22 2024-04-05 武汉工程大学 用于景象匹配制导的机场参考图制备方法
CN114692368A (zh) * 2020-12-29 2022-07-01 哈尔滨工业大学 一种飞机尾焰红外图像光线跟踪优化仿真方法
CN113589318B (zh) * 2021-07-30 2023-09-19 上海无线电设备研究所 一种星载红外凝视相机入瞳辐射图像仿真方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103090868A (zh) * 2012-12-31 2013-05-08 华中科技大学 一种利用多光谱图像分类的典型地物参考图的制备方法
CN106289542A (zh) * 2016-07-26 2017-01-04 北京理工大学 一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法
CN106840407A (zh) * 2016-12-31 2017-06-13 华中科技大学 基于遥感卫星成像的目标红外辐射特性测量方法及系统
CN107247458A (zh) * 2017-05-24 2017-10-13 中国电子科技集团公司第二十八研究所 无人机视频图像目标定位系统、定位方法及云台控制方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2854974B1 (fr) * 2003-05-14 2005-07-08 Ge Med Sys Global Tech Co Llc Procede d'amelioration de contraste/luminosite d'images radiographiques

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103090868A (zh) * 2012-12-31 2013-05-08 华中科技大学 一种利用多光谱图像分类的典型地物参考图的制备方法
CN106289542A (zh) * 2016-07-26 2017-01-04 北京理工大学 一种前置偏振片式红外偏振成像系统的辐射校正方法
CN106840407A (zh) * 2016-12-31 2017-06-13 华中科技大学 基于遥感卫星成像的目标红外辐射特性测量方法及系统
CN107247458A (zh) * 2017-05-24 2017-10-13 中国电子科技集团公司第二十八研究所 无人机视频图像目标定位系统、定位方法及云台控制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Solar radiation mapping from satellite image using a low cost system;MD.RAFIQUL ISLAM 等;《Solar Energy》;19960331;第56卷(第3期);第225-235页 *
红外辐射测量系统外场标定方法及飞行目标亮度反演方法;禄晓飞 等;《红外技术》;20150228;第37卷(第2期);第154-160页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108537770A (zh) 2018-09-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108537770B (zh) 一种无定标卫星成像目标辐射特性反演方法及系统
CN111563962B (zh) 一种基于几何辐射一体化采样的遥感图像仿真方法
CN104462776B (zh) 一种低轨道地球观测卫星对月球绝对辐射定标方法
CN108562363A (zh) 一种红外辐射特征瞬态温度场精确测量方法
CN102901516A (zh) 一种基于绝对辐射定标的多光谱影像辐射校正方法
CN109883957B (zh) 基于modis影像的表观反射率模型构建方法、系统及定标方法
CN106873004B (zh) 基于太阳高度角自适应的高轨面阵相机在轨几何检校方法
CN110631567B (zh) 一种差分天空偏振罗盘大气折射误差的反演及修正方法
CN103869296A (zh) 一种基于成像面表征的极化sar地形辐射校正和几何纠正方法
CN103438900A (zh) 三线阵相机影像协同绝对辐射定标和校正方法
CN110006452B (zh) 高分六号宽视场相机相对几何定标方法及系统
CN107767448A (zh) 考虑云‑地形效应的地表太阳辐射遥感计算方法及系统
CN111307140B (zh) 一种用于多云天气条件下的大气偏振光定向方法
KR20200004680A (ko) 하늘 영상을 이용한 미세먼지 측정 시스템
Jensen et al. Procedures for processing thermal images using low-cost microbolometer cameras for small unmanned aerial systems
CN104880701A (zh) 一种星载传感器成像仿真方法及装置
Daakir et al. Improvement of photogrammetric accuracy by modeling and correcting the thermal effect on camera calibration
CN111524196B (zh) 一种摆扫大幅宽光学卫星在轨几何标定方法
CN114838740A (zh) 一种考虑不同经纬度区域的卫星图像几何定标方法
JP2009509125A (ja) 画像に関連する位置を決定するための方法および装置
Jiang et al. Intercalibration of SVISSR/FY-2C infrared channels against MODIS/Terra and AIRS/Aqua channels
CN115326025A (zh) 一种用于海浪的双目影像测量与预测方法
CN115096854A (zh) 一种人工靶标支持的塔基高光谱遥感同步大气校正方法
Li et al. Relative radiometric calibration method based on linear CCD imaging the same region of non-uniform scene
CN112595344A (zh) 一种遥感卫星高分相机在轨绝对辐射定标的方法及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant