CN109829204B - 基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法 - Google Patents

基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，包括：确定目标运动特性模型，得到空间目标与探测系统的相对位置关系；获得大气热辐射模型；获得目标能量谱特性；基于目标能量谱特性和大气热辐射模型，获取目标的辐射运输方程。本发明结合目标在时间序列下的飞行特性，多角度给出空间目标遥感特性的模拟手段，可用于更真实地模拟空间目标的遥感特性及成像效果，提高探测系统的跟踪接收能力。

Description

基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法
技术领域
本发明涉及目标遥感特性探测的技术领域，具体地，涉及一种基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法。
背景技术
空间目标遥感模拟是一种在地面上模拟目标遥感特性，以便对探测接收系统的目标识别算法进行功能测试的检测设备；主要应用于探测系统半实物仿真系统的视景生成，在探测系统入瞳处真实模拟目标的运动特性，提高整个仿真系统的精确度。
空间目标运动特性的模拟离不开空间大气环境的特性分析，大气背景是目标成像的重要组成部分，其辐射特性比目标自身的更为复杂，它包括大气、云雾、云层等辐射，最终影响目标在像面中的几何形状及成像效果。为了更为真实地模拟最终的成像效果，对空间目标遥感特性的研究成为需要解决的重要问题，进而有利于检测探测系统跟踪目标的能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法。
根据本发明提供的一种基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，包括：
步骤1：确定目标运动特性模型，得到空间目标与探测系统的相对位置关系；
步骤2：获得大气热辐射模型；
步骤3：获得目标能量谱特性
步骤4：基于目标能量谱特性和大气热辐射模型，获取目标的辐射运输方程。
优选地，在步骤1中：
空间目标的运动特性以轨迹坐标系来定义；轨迹坐标系的含义为：原点OM取在目标质心上，OMXM轴与目标质心速度矢量重合，OMYM轴位于包含速度矢量的铅垂面内，且垂直于OMXM轴，向上为正；OMZM轴满足右手螺旋定则；
探测系统在地球惯性系下定义；地球惯性坐标系的含义为：以地心OI为原点，ZI轴为地球的自转轴指向北极，XI轴指向春分点，YI轴按照右手螺旋定则确定；
对于轨迹坐标系与地球惯性系之间的转换，引入地面坐标系；地面坐标系定义为：原点Og选取在目标初始时刻位置点上，OgXg轴为轨迹面与水平面交线，指向目标为正，OgYg沿垂线向上，OgZg满足右手螺旋定则；
地球惯性系与地面坐标系通过地球的自转角速度确定的旋转矩阵来转换；地面坐标系与轨迹坐标系之间的转换由两次旋转实现，地面坐标系与轨迹坐标系之间的方位由轨迹倾角θ和轨迹偏角ψV确定；
则在轨迹坐标系下引入空气作用，包括阻力X，升力Y和侧向力Z，目标质心的运动学方程为：
Figure BDA0001939452800000021
P为推力，α为攻角，β为侧滑角，γV为速度倾斜角。则空间目标与探测系统间的相对位置关系
Figure BDA0001939452800000022
为：
Figure BDA0001939452800000023
其中PM为空间目标在轨迹坐标系下的位置，P0为探测系统在地球惯性系下的位置，Γ为地球惯性系到轨迹坐标系的转换矩阵；m为目标的质量，V为目标的速度，t为时间，g为重力加速度。
优选地，在所述步骤2中：
在大气热辐射模型下，光的传输路径通过空间目标与探测系统的相对位置关系来确定，在已知目标与探测系统的相对位置关系的基础上，光在大气传输
Figure BDA0001939452800000024
的距离后，能量与大气透过率τ的关系为：
Figure BDA0001939452800000025
其中P(λ,L)为距离辐射源|L|处的辐射强度，P(λ,0)为辐射源的辐射强度，γ(λ)为衰减或消光系数；消光系数由吸收和散射构成；λ为光的波长；
其中，大气热辐射模型的输入因素包括光的传输路径、悬浮颗粒的散射，还包括气体分子的吸收或者水蒸气的吸收。
优选地，在所述步骤3中：
通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变化来测定光谱；假定目标输出的光强为I，波数为ν，由干涉引起的光强差为δ，则光谱图B(ν)为：
Figure BDA0001939452800000031
对于连续光源，干涉图为不同光程差处所有不同波长光强的和。
优选地，在所述步骤4中：
Figure BDA0001939452800000032
其中s为辐射路径，Lλ为光谱辐射亮度，ελ为光谱发射系数，αλ为光谱吸收系数；
探测系统基于遥感成像，目标的中心在像面上的灰度值最亮，形状最大；目标与周边大气作用后，能量渐渐消散，由此成像的灰度值降低，形状变小；基于上述关于目标几何遥感特性影响因素的分析，目标几何形状的传递函数H近似表示为：
H＝f(L,τ,B,Lλ)。
优选地，目标运动特性模型给出目标空间运动位置信息，结合轨道参数解算空间目标与探测系统相对位置；大气热辐射模型以相对位置参数作为输入，考虑目标能量谱特性、大气对各谱段的吸收及辐射的影响，得到目标的能量辐射遥感特性；
结合大气环境模型，解算目标在大气的几何遥感特性，由此实现空间目标几何遥感特性的模拟。
优选地，目标运动特性模型考虑了飞行时序及不同气动环境的运动模型，进而得到目标与探测系统的相对位置关系；不同类型的空间目标在大气内以及大气外的飞行特性有所不同；不同空间环境具体表现为是否需要考虑20km以下的大气内、20km～200km的临近空间、200km以上的太空。
优选地，大气对辐射传输的影响主要包括：气体分子或水蒸气对光谱的选择性吸收引起的衰减；大气中悬浮微粒对光谱辐射的散射引起的衰减；大气物理特性的变化导致闪烁引起的亮度变化和光斑中心点的漂移；由Beer-lambert定律，光经过距离L传输后的能量由大气透过率决定；采用的大气热辐射模型包括LOWTRAN、FASCODE来进行大气透过率的计算。
优选地，目标能量谱特性考虑从目标辐射的整个能量中提取重点关注的谱段；能量谱特性通过傅里叶变换光谱实现；傅里叶变换光谱由物质的吸收光谱信号转换成时间域信号，再通过傅里叶数学变换转换成谱图信号。
优选地，目标几何遥感特性按照不同飞行环境分为大气层内的几何遥感特性和真空中的几何遥感特性；当目标在大气层内，基于目标能量辐射和大气热辐射的模型，考虑目标与周边大气水分的相互作用，建立大气内的羽流扩散模型。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明公开的一种基于时间序列的空间目标遥感特性模拟方法，结合目标在时间序列下的飞行特性，多角度给出空间目标遥感特性的模拟手段，可用于更真实地模拟空间目标的遥感特性及成像效果，提高探测系统的跟踪接收能力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为空间目标轨迹成像示意图；
图2为目标遥感特性模拟示意图；
图3为目标遥感特性解算示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明所公开的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，目标运动特性模型给出目标空间运动位置信息，结合轨道参数解算两者相对位置；大气热辐射模型以相对位置参数作为输入，考虑目标能量谱特性、大气对各谱段的吸收及辐射的影响，得到目标的能量辐射遥感特性。在此基础上，结合大气环境模型，解算目标在大气的几何遥感特性，由此实现空间目标几何遥感特性的模拟。结合试验数据对目标遥感模拟模型、参数进行迭代修正，最终实现模拟方法的有效性。
目标运动特性模型考虑了典型的飞行时序及不同气动环境的运动模型，进而得到目标与探测系统的相对位置关系。不同类型的空间目标在大气内以及大气外的飞行特性有所不同。不同空间环境具体表现为是否需要考虑大气内(20km以下)、临近空间(20km～200km)、太空(200km以上)等。
大气对辐射传输的影响主要包括：气体分子或水蒸气对光谱的选择性吸收引起的衰减；大气中悬浮微粒对光谱辐射的散射引起的衰减；大气物理特性的剧烈变化导致闪烁引起的亮度变化和光斑中心点的漂移。由Beer-lambert定律，光经过距离L传输后的能量由大气透过率决定；采用较为成熟的大气热辐射模型包括LOWTRAN，FASCODE来进行大气透过率的计算。
目标能量谱特性考虑从目标辐射的整个能量中提取重点关注的谱段。能量谱特性通过傅里叶变换光谱实现。傅里叶变换光谱由物质的吸收光谱信号转换成时间域信号，再通过傅里叶数学变换转换成谱图信号。
目标几何遥感特性按照不同飞行环境分为大气层内的几何遥感特性和真空中的几何遥感特性。当目标在大气层内，基于目标能量辐射和大气热辐射的模型，考虑目标与周边大气水分的相互作用，建立大气内的羽流扩散模型。
如图1～3所示，本发明具体实现步骤如下：
步骤1：确定目标运动特性模型。空间目标的运动特性以轨迹坐标系来定义。轨迹坐标系的含义为：原点OM取在目标质心上，OMXM轴与目标质心速度矢量重合，OMYM轴位于包含速度矢量的铅垂面内，且垂直于OMXM轴，向上为正；OMZM轴满足右手螺旋定则。探测系统在地球惯性系下定义。地球惯性坐标系的含义为：以地心OI为原点，ZI轴为地球的自转轴指向北极，XI轴指向春分点，YI轴按照右手螺旋定则确定。为了方便轨迹坐标系与地球惯性系之间的转换，这里引入地面坐标系。地面坐标系定义为：原点Og选取在目标初始时刻位置点上，OgXg轴为轨迹面与水平面交线，指向目标为正，OgYg沿垂线向上，OgZg满足右手螺旋定则。
地球惯性系与地面坐标系通过地球的自转角速度确定的旋转矩阵来转换；地面坐标系与轨迹坐标系之间的转换由两次旋转实现，它们之间的方位由轨迹倾角θ和轨迹偏角ψV确定。
则在轨迹坐标系下引入空气作用，包括阻力X，升力Y和侧向力Z，目标质心的运动学方程为：
Figure BDA0001939452800000061
则空间目标与探测系统间的相对位置关系为：
Figure BDA0001939452800000062
其中PM为空间目标在轨迹坐标系下的位置，P0为探测系统在地球惯性系下的位置，Γ为地球惯性系到轨迹坐标系的转换矩阵。
步骤2：大气热辐射模型的输入因素包括光的传输路径，气体分子或水蒸气的吸收，悬浮颗粒的散射等，其中光的传输路径通过空间目标与探测系统的相对位置关系来确定。目前较为成熟的大气热辐射模型包括有LOWTRAN，FASCODE，这些模型包括了水平、垂直、倾斜向上和向下传输等各种复杂的几何关系。在已知目标与探测系统的相对位置关系的基础上，由Beer-lambert定律，考虑光在大气传输
Figure BDA0001939452800000063
的距离后，能量与大气透过率τ的关系为：
Figure BDA0001939452800000064
其中P(λ,L)为距离辐射源|L|处的辐射强度，P(λ,0)为辐射源的辐射强度，γ(λ)为衰减或消光系数。消光系数由吸收和散射构成。
步骤3：目标能量谱特性是基于傅里叶光谱法。该方法通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变化来测定光谱。假定目标输出的光强为I，波数为ν，由干涉引起的光强差为δ，则光谱图为：
Figure BDA0001939452800000065
对于连续光源，干涉图为不同光程差处所有不同波长光强的和。
步骤4：基于目标能量谱特性和大气热辐射的模型，目标的辐射运输方程：
Figure BDA0001939452800000066
其中s为辐射路径，Lλ为光谱辐射亮度，ελ为光谱发射系数，αλ为光谱吸收系数。
探测系统基于遥感成像，目标的中心在像面上的灰度值最亮，形状最大；目标与周边大气作用后，能量渐渐消散，由此成像的灰度值降低，形状变小。基于上述关于目标几何遥感特性影响因素的分析，目标几何形状的传递函数可近似表示为：
H＝f(L,τ,B,Lλ)
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，包括：
步骤1：确定目标运动特性模型，得到空间目标与探测系统的相对位置关系；
步骤2：获得大气热辐射模型；
步骤3：获得目标能量谱特性
步骤4：基于目标能量谱特性和大气热辐射模型，结合所述相对位置关系，获取目标的辐射运输方程；
在步骤1中：
空间目标的运动特性以轨迹坐标系来定义；轨迹坐标系的含义为：原点OM取在目标质心上，OMXM轴与目标质心速度矢量重合，OMYM轴位于包含速度矢量的铅垂面内，且垂直于OMXM轴，向上为正；OMZM轴满足右手螺旋定则；
探测系统在地球惯性系下定义；地球惯性坐标系的含义为：以地心OI为原点，ZI轴为地球的自转轴指向北极，XI轴指向春分点，YI轴按照右手螺旋定则确定；
对于轨迹坐标系与地球惯性系之间的转换，引入地面坐标系；地面坐标系定义为：原点Og选取在目标初始时刻位置点上，OgXg轴为轨迹面与水平面交线，指向目标为正，OgYg沿垂线向上，OgZg满足右手螺旋定则；
地球惯性系与地面坐标系通过地球的自转角速度确定的旋转矩阵来转换；地面坐标系与轨迹坐标系之间的转换由两次旋转实现，地面坐标系与轨迹坐标系之间的方位由轨迹倾角θ和轨迹偏角ψV确定；
则在轨迹坐标系下引入空气作用，包括阻力X，升力Y和侧向力Z，目标质心的运动学方程为：
Figure FDA0004037324250000011
其中，P为推力，α为攻角，β为侧滑角，γV为速度倾斜角；则空间目标与探测系统间的相对位置关系
Figure FDA0004037324250000012
为：
Figure FDA0004037324250000013
其中PM为空间目标在轨迹坐标系下的位置，P0为探测系统在地球惯性系下的位置，Γ为地球惯性系到轨迹坐标系的转换矩阵；m为目标的质量，V为目标的速度，t为时间，g为重力加速度。
2.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，在所述步骤2中：
在大气热辐射模型下，光的传输路径通过空间目标与探测系统的相对位置关系来确定，在已知目标与探测系统的相对位置关系的基础上，光在大气传输
Figure FDA0004037324250000021
的距离后，能量与大气透过率τ的关系为：
Figure FDA0004037324250000022
其中P(λ,L)为距离辐射源|L|处的辐射强度，P(λ,0)为辐射源的辐射强度，γ(λ)为衰减或消光系数；消光系数由吸收和散射构成；λ为光的波长；
其中，大气热辐射模型的输入因素包括光的传输路径、悬浮颗粒的散射，还包括气体分子的吸收或者水蒸气的吸收。
3.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，在所述步骤3中：
通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变化来测定光谱；假定目标输出的光强为I，波数为ν，由干涉引起的光强差为δ，则光谱图B(ν)为：
Figure FDA0004037324250000023
对于连续光源，干涉图为不同光程差处所有不同波长光强的和。
4.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，在所述步骤4中：
Figure FDA0004037324250000024
其中s为辐射路径，Lλ为光谱辐射亮度，ελ为光谱发射系数，αλ为光谱吸收系数；
探测系统基于遥感成像，目标的中心在像面上的灰度值最亮，形状最大；目标与周边大气作用后，能量渐渐消散，由此成像的灰度值降低，形状变小；基于关于目标几何遥感特性影响因素的分析，目标几何形状的传递函数H近似表示为：
Η＝f(L,τ,B,Lλ)。
5.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，目标运动特性模型给出目标空间运动位置信息，结合轨道参数解算空间目标与探测系统相对位置；大气热辐射模型以相对位置参数作为输入，考虑目标能量谱特性、大气对各谱段的吸收及辐射的影响，得到目标的能量辐射遥感特性；
结合大气环境模型，解算目标在大气的几何遥感特性，由此实现空间目标几何遥感特性的模拟。
6.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，目标运动特性模型考虑了飞行时序及不同气动环境的运动模型，进而得到目标与探测系统的相对位置关系；不同类型的空间目标在大气内以及大气外的飞行特性有所不同；不同空间环境具体表现为是否需要考虑20km以下的大气内、20km～200km的临近空间、200km以上的太空。
7.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，大气对辐射传输的影响包括：气体分子或水蒸气对光谱的选择性吸收引起的衰减；大气中悬浮微粒对光谱辐射的散射引起的衰减；大气物理特性的变化导致闪烁引起的亮度变化和光斑中心点的漂移；由Beer-lambert定律，光经过距离L传输后的能量由大气透过率决定；采用的大气热辐射模型包括LOWTRAN、FASCODE来进行大气透过率的计算。
8.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，目标能量谱特性考虑从目标辐射的整个能量中提取重点关注的谱段；能量谱特性通过傅里叶变换光谱实现；傅里叶变换光谱由物质的吸收光谱信号转换成时间域信号，再通过傅里叶数学变换转换成谱图信号。
9.根据权利要求1所述的基于时间序列的空间目标遥感特性建模方法，其特征在于，目标几何遥感特性按照不同飞行环境分为大气层内的几何遥感特性和真空中的几何遥感特性；当目标在大气层内，基于目标能量辐射和大气热辐射的模型，考虑目标与周边大气水分的相互作用，建立大气内的羽流扩散模型。
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