CN113566845A - 一种月球遥感器辐射定标方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种月球遥感器辐射定标方法和系统，包括模拟静止的同步轨道卫星，分别获取预设时刻卫星和月球在轨期间相对于地球的J2000空间坐标；根据J2000空间坐标等计算地球全圆盘图像中会出现完整月球的时间点；获取对应的地球全圆盘图像；恢复地球全圆盘图像的正常比例；通过红外图像与可见光图像的联通域提取月球图像；从月球图像中剔除类地球图像和受杂散光影响严重的月球图像；根据剔除后的月球图像，利用A/D转换获取月球圆盘积分辐照度；获取距离修正系数和月相修正系数；根据月球圆盘积分辐照度、距离修正系数和月相修正系数获得同步轨道卫星的相对辐射序列。通过一个时间序列的数据分析遥感仪器，从而对其的衰减情况进行长期监测。

Description

一种月球遥感器辐射定标方法和系统

技术领域

本发明涉及卫星辐射定标技术领域，具体涉及一种月球遥感器辐射定标方法和系统。

背景技术

光学遥感仪器的在轨定标是实现其观测资料定量化应用的必要前提。遥感仪器在轨运行中，由于发射过程中的振动导致仪器各部件之间相对位置的变化、挥发性材料在光学部件上的沉积、环境温度的改变、宇宙辐射的影响和仪器自身衰减等因素，发射前进行的定标所确定的仪器响应率在轨运行中可能会发生改变，变化范围在4-25％。因此遥感仪器需要进行常规性的在轨定标，才能使获得的数据真实地反映探测目标信息。

静止轨道遥感仪器由于光学尺寸大、星体的结构限制等因素，一般缺少积分球或太漫反射板等星上定标器，其一般使用替代辐射定标目标来进行定标，如沙漠和深对流云DCC目标。沙漠目标可以同时用于可见光和近红外辐射定标，但是其受地球大气的影响，而且对静止轨道遥感仪器而言观测角过大，需要进行双向反射分布函数(BidirectionalReflectance Distribution Function，BRDF)校正。深对流云具有反射特征稳定、朗伯性好、受大气影响小且能连续跟踪等优势，但以深对流云为目标需要保证红外通道的辐射定标精度。

发明内容

本发明解决的一个主要问题是传统光学遥感仪器的在轨定标方法受环境影响大，导致获取数据不准确的问题。

根据本发明的一个方面，本发明提供一种月球遥感器辐射定标方法，包括：

模拟静止的同步轨道卫星，分别获取预设时刻所述同步轨道卫星和月球在轨期间相对于地球的J2000空间坐标；

根据所述同步轨道卫星和所述月球的所述J2000空间坐标、卫星扫描方式和卫星视场范围，计算地球全圆盘图像中出现完整月球的时间点；

获取所述时间点对应的所述地球全圆盘图像；

通过图像变化恢复所述地球全圆盘图像的正常比例；

通过红外图像与可见光图像的联通域从正常比例的所述地球全圆盘图像中提取月球图像；

从所述月球图像中剔除类地球图像和受杂散光影响的月球图像；

根据剔除处理后的所述月球图像，利用A/D转换获取月球圆盘积分辐照度；

对所述月球圆盘积分辐照度进行距离修正和月相修正，获取距离修正系数和月相修正系数；

根据所述月球圆盘积分辐照度、所述距离修正系数和所述月相修正系数获得所述同步轨道卫星的相对辐射序列。

进一步地，所述利用A/D转换获取月球圆盘积分辐照度还包括：

将卫星辐射计可见光通道的A/D转换关系定为系数K；

利用第一公式计算每一个像元的量化值对应的电压值，所述第一公式为：

V_i，j＝K×DN_i，j，

其中K为A/D转换系数；DN_i，j为像元(i,j)的灰度量化值；

利用第二公式计算所述月球圆盘积分辐照度，所述第二公式为：

M_m＝∑_i，j(V_i，j-V₀)RΩ_p，

其中，M_m是月球圆盘积分辐照度；i、j为像元索引；V_i，j为像元(i,j)的量化值对应的电压值；V₀为深空背景平均电压值；R是可见光通道的响应率；Ω_p是探元的瞬时视场。

进一步地，所述获取距离修正系数还包括：

将太阳和所述月球之间的距离归一化到平均日地距离；

将所述同步轨道卫星和所述月球的之间的距离归一化到平均地月距离。

进一步地，所述距离修正系数的计算公式为：

其中，R_sm为日月距离，AU平均日地距离；R_im是同步轨道卫星和月球之间的距离；R_mean是地月距离；t为观测时间，f₁为修正系数的值。

进一步地，获取月相修正系数还包括：

通过第三公式拟合所述月球圆盘积分辐照度的对数与相位之间的关系，所述第三公式为：

lnM_m(g)＝c₀+c₁g+c₂g²+c₃g³，

其中，M_m(g)是月球圆盘积分辐照度与月球相位值间的关系值，g是月球相位角，c₀、c₁、c₂和c₃为多项式的拟合系数；

取月相范围的中间值作为归一化基准，利用第四公式计算所述月相修正系数，所述第四公式为：

其中，f₂为月相修正系数的值，mid为月相范围的中间值，M_m(mid)是月球圆盘积分辐照度与月球相位中间值的关系值。

进一步地，所述预设时刻为整点时刻和半小时时刻。

进一步地，所述月相范围为0°～35°。

进一步地，所述月相范围的中间值为17.5°。

根据本发明的另一个方面，还公开一种月球遥感器辐射定标系统，所述月球遥感辐射定标系统包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的月球遥感器辐射定标系数计算程序，所述月球遥感辐射定标系统运行时用于实现如前任一所述的一种月球遥感器辐射定标方法。

由于月球反射率稳定，光谱曲线平滑，辐射动态范围也与大多数卫星的动态范围相匹配，是卫星在轨辐射定标的良好定标源，特别在遥感器的长期辐射响应衰减跟踪中具有明显的优势。因此，本发明采用月球作为卫星在轨辐射定标的良好定标源，实现了静止气象卫星的在轨相对辐射定标。本发明所提出的在轨相对辐射定标方法在实际应用中能够通过一个时间序列的数据来对遥感仪器进行分析，因此可以对遥感仪器的衰减情况进行长期的监测，是一种非常具有实用性的在轨相对辐射定标方法。

附图说明

本发明构成说明书的一部分附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本发明一种静止轨道气象卫星在轨相对月球辐射定标方法的流程图；

图2是本发明卫星仿真软件模拟出的静止轨道卫星轨道；

图3是本发明卫星仿真软件计算获取得到的卫星以及月球的部分J2000坐标；

图4中(a)是本发明静止轨道卫星扫描方式的示意图，(b)是本发明静止轨道卫星视场的示意图；

图5中(a)是本发明获取到的地球全圆盘图像原始图像，(b)是本发明将原始图像还原后的图像；

图6是本发明从地球全圆盘图像中提取得到的月球图像；

图7是本发明静止轨道卫星辐射计可见光通道的A/D转换关系示意图；

图8是本发明将原始月球图像经过计算还原后的真实月球图像；

图9是本发明拟合月球圆盘积分辐照度的对数与相位之间的关系示意图；

图10是本发明线性拟合分析月球圆盘积分辐照度时间序列的结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，为本实施例公开的一种静止轨道气象卫星在轨相对月球辐射定标方法流程图，具体步骤为：

步骤一、利用卫星工具软件STK模拟静止同步轨道卫星，如图2所示，通过STK内置的报告方式获取卫星在轨期间任意整点时刻以及半小时时刻的卫星以及月球的相对地球的J2000空间坐标，如图3所示，其中第一列为获取坐标的时间点，第二到第四列为卫星J2000坐标的(X,Y,Z)坐标值，第五到第七列为月球J2000坐标的(X,Y,Z)坐标，执行步骤2。

步骤二、根据步骤一所获取的J2000空间坐标，以及从风云卫星遥感数据服务网了解到的卫星扫描方式和卫星视场范围，计算卫星获取的地球全圆盘图像中会出现月球且月球未被地球遮挡的时间点，卫星扫描方式和卫星视场范围示意图如图4所示。

以风云二号F星(FY-2F)为例，其绕地球运动，相对地面静止，辐射计在东西方向上依靠卫星自旋完成行扫描，南北方向则依靠扫描镜等光学系统的步进来完成行步进，每个探元的地球圆盘图像共有2500条扫描线。

风云二号F星搭载的辐射计的有效观测范围是：以星下点为基准，东西方向-10°～+10°，南北方向-10°～+10°，其中地球的角半径约为8.7°。

步骤三、根据步骤二所获取的时间点，在风云卫星遥感数据服务网下载对应时间的地球全圆盘图像，由于生成地球全圆盘图像共需扫描2500行，且每一行共有9164个像素单位，因此原始地球全圆盘图像为长方形，通过图像变换使其恢复为正常比例，例如图5(a)是从风云卫星遥感数据服务网下载的一幅由风云二号F星拍摄的含有月球图像的地球全圆盘图像，通过图像变换将其还原成如图5(b)所示的原始图像。

步骤四、由于静止气象卫星观测到的月球出现的位置和月相角的大小并不固定，因此不可能通过固定的区域获取月球图像。利用卫星的可见光和红外通道的同时拍摄的特性，通过红外和可见光图像的联通域进行月球图像的选取。由于红外图像上地球和月球的亮温远大于冷空间，所以红外阈值可以很容易地区分地球图像、月球图像和冷空间。通过红外与可见光图像的匹配，从地球静止轨道气象卫星的可见光图像中找到月球图像，将月球图像置中，形成120×120像素大小的包含有月球的图像数据，如图6所示。

步骤五、在月相角较大时月球被照亮部分以及亮度比较小，会带来较大的误差，因此将月相角范围设定为0°～35°。同时还需要剔除月球与地球比较接近的图像，因为地球数据会影响月球照度的计算。杂散光也是影响月球数据的一个重要原因，通过计算分析空间杂散光大小剔除出受杂散光影响较为严重的图像。

步骤六、由于获取的月球图像像素个数较少，因此将月球图像当做一个整体，考察月球圆盘积分辐照度。卫星辐射计可见光通道的A/D转换采用均方根量化，通过该转换关系将图像的灰度值转化为对应的电压值，转换关系示意图如图7所示，电压值与实际的反照率成线性关系，该电压值即月球圆盘积分辐照度。

获取月球圆盘积分辐照度，具体由以下步骤实现：

(1)将卫星辐射计可见光通道的A/D转换关系定为系数K；

(2)计算每一个像元的量化值对应的电压值，其具体由公式：

V_i，j＝K×DN_i，j (1)

给出，其中K为A/D转换系数；DN_i，j为像元(i,j)的灰度量化值；

(3)计算月球圆盘积分辐照度，其具体由公式：

M_m＝∑_i，j(V_i，j-V₀)RΩ_p (2)

给出，其中M_m是月球圆盘积分辐照度；i、j为像元索引；V_i，j为像元(i,j)的量化值对应的电压值；V₀为深空背景平均电压值；R是可见光通道的响应率；Ω_p是探元的瞬时视场。

以风云二号F星为例，其分别对4个探元进行独立考察，从原始数据中展开分离出4个探元的数据，即单幅图像是单探元扫描成像的结果，所以不用考虑不同探元之间响应不一致的问题。且其采用的业务定标系数是发射前基于太阳源定标获取的，在此之前未进行过更新，所以探元的响应率R对于考察的数据是不变的。本文仅考察月球观测序列的相对变化趋势，并不关注辐照度的绝对值，因此可略去R和Ω_p，上式(2)可简化为：

M_m＝∑_i，j(V_i，j-V₀) (3)

采用阈值法对提取出来的120×120的月球图像进行进一步提取，将月球圆盘外的两个像素点宽的区域定义为空间背景，其对应的电压平均值作为背景信号，根据上式求取所有像元的电压和。

步骤七、通过将由于每一行扫描时间差异以及月球相对地球移动所导致的月球图像的倾斜还原，如图8所示，该图像为FY-2F在2014年3月19日05:30时观测得到的，其月相角为1.681°，测量其东西方向的直径和南北方向的直径，相差不到一个像素，基本成正圆，未发现明显过采样情况，因此可以省略过采样修正。但仍需对步骤六得到的月球圆盘积分辐照度进行距离修正以及月相修正，距离修正就是将日月距离归一化到平均日地距离，将卫星和月球的距离归一化到平均地月距离，同时借鉴ROLO月球模型中月球圆盘等效反照率与相位角的关系，拟合月球圆盘积分辐照度的对数与相位之间的关系，获取距离修正系数以及月相修正系数，如图9所示。

上述距离修正系数，具体实现过程如下：

距离修正就是将日月距离归一化到平均日地距离，将卫星和月球的距离归一化到平均地月距离，修正系数具体由公式：

计算得出，其中，f₁为修正系数的值，R_sm为日月距离，单位AU，AU即为平均日地距离；R_im是卫星和月球之间的距离；R_mean是地月距离，一般取384400km；t为观测时间。

相位修正系数的具体实现过程如下：

(1)月相角定义为“太阳到月球”与“地球到月球”两个矢量之间的角度，0°为满月，180°为新月。月球相位不仅会影响遥感仪器观测到的被照射面积，而且由于月球表面地形分布不均匀，月球不同区域的表面反射率也不一样，所以月球相位也影响月面的反射率。为了消除相位角的影响，借鉴ROLO模型中月球圆盘等效反照率与相位角的关系，拟合月球圆盘积分辐照度的对数与相位之间的关系，其具体由公式：

lnM_m(g)＝c₀+c₁g+c₂g²+c₃g³ (5)

给出，其中，M_m(g)是月球圆盘积分辐照度与月球相位值间的关系值，g是月球相位角，c₀、c₁、c₂和c₃为多项式的拟合系数；

(2)选取的月球图像相位范围为0°-35°，取中间值17.5°作为归一化基准，则相位修正系数由公式：

计算得出，其中f₂为月相修正系数的值，mid为月相范围的中间值，M_m(mid)是月球圆盘积分辐照度与月球相位中间值的关系值。

步骤八、将月球圆盘积分辐照度乘上距离修正系数以及月相修正系数后即为卫星的相对辐射序列，如该探测器未发生衰减，该序列应保持不变，即M_mf₁f₂保持不变，从序列的实际变化趋势可以看出，风云二号F星的可见光通道存在明显的响应衰减，通过线性拟合分析该时间序列，其实际变化趋势即卫星的衰减率，最终得出卫星的年衰减率约为2.16％，如图10所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (9)

1.一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，包括：

模拟静止的同步轨道卫星，分别获取预设时刻所述同步轨道卫星和月球在轨期间相对于地球的J2000空间坐标；

根据所述同步轨道卫星和所述月球的所述J2000空间坐标、卫星扫描方式和卫星视场范围，计算地球全圆盘图像中出现完整月球的时间点；

获取所述时间点对应的所述地球全圆盘图像；

通过图像变化恢复所述地球全圆盘图像的正常比例；

通过红外图像与可见光图像的联通域从正常比例的所述地球全圆盘图像中提取月球图像；

从所述月球图像中剔除类地球图像和受杂散光影响的月球图像；

根据剔除处理后的所述月球图像，利用A/D转换获取月球圆盘积分辐照度；

对所述月球圆盘积分辐照度进行距离修正和月相修正，获取距离修正系数和月相修正系数；

根据所述月球圆盘积分辐照度、所述距离修正系数和所述月相修正系数获得所述同步轨道卫星的相对辐射序列。

2.如权利要求1所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，所述利用A/D转换获取月球圆盘积分辐照度还包括：

将卫星辐射计可见光通道的A/D转换关系定为系数K；

利用第一公式计算所述月球图像中每一个像元的量化值对应的电压值，所述第一公式为：

V_i，j＝K×DN_i，j，

其中K为A/D转换系数；DN_i，j为像元(i，j)的灰度量化值；

利用第二公式计算所述月球圆盘积分辐照度，所述第二公式为：

M_m＝∑_i，j(V_i，j-V₀)RΩ_p，

其中，M_m是月球圆盘积分辐照度；i、j为像元索引；V_i，j为像元(i，j)的量化值对应的电压值；V₀为深空背景平均电压值；R是可见光通道的响应率；Ω_p是探元的瞬时视场。

3.如权利要求1所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，所述获取距离修正系数还包括：

将太阳和所述月球之间的距离归一化到平均日地距离；

将所述同步轨道卫星和所述月球的之间的距离归一化到平均地月距离。

4.如权利要求3所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，

所述距离修正系数的计算公式为：

其中，R_sm为日月距离，AU平均日地距离；R_im是同步轨道卫星和月球之间的距离；R_mean是地月距离；t为观测时间，f₁为修正系数的值。

5.如权利要求1所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，获取月相修正系数还包括：

通过第三公式拟合所述月球圆盘积分辐照度的对数与相位之间的关系，所述第三公式为：

lnM_m(g)＝c₀+c₁g+c₂g²+c₃g³，

其中，M_m(g)是月球圆盘积分辐照度与月球相位值间的关系值，g是月球相位角，c₀、c₁、c₂和c₃为多项式的拟合系数；

取月相范围的中间值作为归一化基准，利用第四公式计算所述月相修正系数，所述第四公式为：

其中，f₂为月相修正系数的值，mid为月相范围的中间值，M_m(mid)是月球圆盘积分辐照度与月球相位中间值的关系值。

6.如权利要求1所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，所述预设时刻为整点时刻和半小时时刻。

7.如权利要求5所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，所述月相范围为0°～35°。

8.如权利要求5所述的一种月球遥感器辐射定标方法，其特征在于，所述月相范围的中间值为17.5°。

9.一种月球遥感器辐射定标系统，其特征在于，所述月球遥感辐射定标系统包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的月球遥感器辐射定标系数计算程序，所述月球遥感辐射定标系统运行时用于实现如权利要求1-8任一所述的一种月球遥感器辐射定标方法。

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