CN115077491B - 一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，属于卫星遥感技术领域；在外景成像场景中构建三个矢量，外景成像目标平面法线矢量为

太阳辐射矢量为

光学成像系统视轴矢量为

根据选定目标及光学系统位置前提下，夹角α₁和α₃是固定值；当夹角α₁角度与太阳方位角A_{太阳方位角}角度数值偏差绝对值在10°，认为近似形成镜面反射，外景目标为高亮度目标，可以满足光学成像系统外景成像试验对高亮目标成像需求，两个夹角保持偏差10°范围内的时间段即为星载相机对外景高亮目标成像试验的最佳时机，可用于指导地面外景成像测试环境部署及评价。

Description

一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法

技术领域

本发明属于卫星遥感技术领域，涉及一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法。

背景技术

光学遥感卫星载荷主要为相机，尽管实验室环境已具备利用积分球标定相机辐射性能的能力，但太阳光是光学特性稳定的自然辐射源，其光谱特性和辐射特性是无法替代的，太阳光也是遥感卫星在轨成像的主要光源，外景成像试验同样利用太阳光作为目标光源可最有效的模拟相机在轨性能。

在工程研制过程中通常要求相机进行外景成像试验，重点关注相机对高亮目标成像性能，用于检验相机设计的动态成像性能与相机实际成像的一致性。

目前外景成像试验缺乏试验时机的计算方法，外景成像时存在太阳、目标、光学系统位置的不确定性，导致无法形成近似镜面反射，无法形成相机对高亮度目标成像的试验条件，对外场定标的有效性带来影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，分析了外景成像场景中太阳、目标及光学系统夹角关系，用于指导地面外景成像测试环境部署及评价。

本发明解决技术的方案是：

一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，包括：

建立外景成像试验场景，包括成像目标和光学成像系统；设外景成像目标平面法线矢量为

太阳辐射矢量为/>

光学成像系统视轴矢量为/>

定义光学成像系统视轴矢量

与外景成像目标平面法线矢量/>

的夹角为α₁；定义太阳辐射矢量/>

与外景成像目标平面法线矢量/>

的夹角为α₂；定义光学成像系统视轴矢量为/>

与正北方向夹角为α₃；

设定太阳方位角A_{太阳方位角}为太阳辐射矢量

在地面的投影与正北方向夹角的夹角；

确定成像试验的最佳时机的约束条件；

设定外景成像试验的月份为M；日期为D，设定成像目标所在经度为N_long，设定成像目标所在纬度为N_lat，设定从1月1日到当天日期D的天数为D_儒略日；

根据D_儒略日计算太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}；

以春分儒略日为0°基准进行经度修正，根据D_儒略日计算修正后经度N_经度修正；并根据N_经度修正计算修正时间T_时间修正；

根据修正时间T_时间修正计算当天当地正午时间T_{当天当地正午时间}；

设定外景成像试验的时间用hour和min表示，hour为小时，min为分钟；计算当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}；

根据当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}计算太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}；

根据太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}、太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}和成像目标所在纬度为N_lat计算太阳高度角A_{太阳高度角}；

根据太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}、太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}和太阳高度角A_{太阳高度角}计算太阳方位角A_{太阳方位角}；

确定成像试验的最佳时机。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，在选定成像目标和光学成像系统位置情况下，α₁和α₃为固定值。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，A_{太阳方位角}＝α₁+α₂+α₃。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，所述成像试验的最佳时机的约束条件为：

当夹角α₁与夹角α₂数值差值的绝对值在10°以内时，即|α₁-α₂|≤10°时，认为外景目标为高亮度目标，符合太阳光辐射与光学系统入射的近似镜面反射，满足光学成像系统外景成像试验对高亮目标成像需求，夹角α₁与夹角α₂保持偏差范围内的对应时间区间即为成像试验的最佳时机。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，A_{太阳倾斜角}的计算方法为：

A_{太阳倾斜角}＝23.45×sin(360/365×(D_儒略日-81))

式中，81为春分儒略日数值；

D_儒略日＝所在月数M第一天对应的儒略日+(所在日期D-1)

当M＝1，即月份为1月时，1月第一天的儒略日为1；

当M＝2，即月份为2月时，2月第一天的儒略日为32；

当M＝3，即月份为3月时，3月第一天的儒略日为60；

当M＝4，即月份为4月时，4月第一天的儒略日为91；

当M＝5，即月份为5月时，5月第一天的儒略日为121；

当M＝6，即月份为6月时，6月第一天的儒略日为152；

当M＝7，即月份为7月时，7月第一天的儒略日为182；

当M＝8，即月份为8月时，8月第一天的儒略日为213；

当M＝9，即月份为9月时，9月第一天的儒略日为244；

当M＝10，即月份为10月时，10月第一天的儒略日为274；

当M＝11，即月份为11月时，11月第一天的儒略日为305；

当M＝12，即月份为12月时，12月第一天的儒略日为335。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，修正后经度N_经度修正的计算方法为：

N_经度修正＝360÷364×(D_儒略日-81)

修正时间T_时间修正的计算方法为：

T_时间修正＝9.87×sin(2×N_经度修正)-7.53×cosN_经度修正-1.5×sinN_经度修正。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，当天当地正午时间T_{当天当地正午时间}的计算方法为：

T_{当天当地正午时间}＝(12×60-4×(N_{当地子午线}-N_long)-T_时间修正)/60

式中，N_{当地子午线}为当地子午线经度；

当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}的计算方法为：

T_{当天当地正午修正时间}＝T_{当天当地正午时间}-(hour+(min/60))；

太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}的计算方法为：

T_{太阳时修正角度}＝15×T_{当天当地正午修正时间}。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，太阳高度角A_{太阳高度角}的计算方法为：

A_{太阳高度角}＝asind(cosN_lat×cosA_{太阳倾斜角}×cosA_{太阳时修正角度}+sinN_lat×A_{太阳倾斜角})。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，太阳方位角A_{太阳方位角}的计算方法为：

当外景成像试验时间为中午12点之前时：

A_{太阳方位角}＝180-asind(cosA_{太阳倾斜角}×sinA_{太阳时修正角度}/cosA_{太阳高度角})

当外景成像试验时间为中午12点或12点之后时：

A_{太阳方位角}＝180-asind(cosA_{太阳倾斜角}×sinA_{太阳时修正角度}/cosA_{太阳高度角})-360。

在上述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，确定成像试验的最佳时机的方法为：

穷尽外景成像试验的时间hour和min，计算出太阳方位角A_{太阳方位角}的全部数值；根据太阳方位角A_{太阳方位角}计算全部的α₂值，将α₁与α₂带入成像试验最佳时机的约束条件，确定满足成像试验最佳时机的约束条件的α₂值，即得到成像试验的最佳时机。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明公开了一种外景高亮度目标成像试验实际计算的方法，场景建立简洁，各矢量及夹角关系明确，便于后续数据计算；

(2)本发明公开了一种外景高亮度目标成像试验实际计算的方法，可计算输入为外景成像试验月份、试验日期、目标所在经度、纬度、目标法线与正北方向夹角前提下，得到外景成像时机与太阳方位角的关系，根据约束条件|α₁-α₂|≤10°，明确最佳外景成像时机。

附图说明

图1为本发明成像试验时机计算流程图；

图2为本发明外景成像试验场景各矢量示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，分析了外景成像场景中太阳、目标及光学系统夹角关系，可用于指导地面外景成像测试环境部署及评价。

星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

建立外景成像试验场景，包括成像目标和光学成像系统。在外景成像场景中构建得到三个矢量，分别为外景成像目标平面法线矢量为

太阳辐射矢量为/>

光学成像系统视轴矢量为/>

定义光学成像系统视轴矢量/>

与外景成像目标平面法线矢量/>

的夹角为α₁；定义太阳辐射矢量/>

与外景成像目标平面法线矢量/>

的夹角为α₂；定义光学成像系统视轴矢量为/>

与正北方向夹角为α₃，如图2所示。根据目标位置和光学成像系统位置，夹角α₁可通过目标平面法线与正北方向夹角及光学系统光轴矢量与正北方向夹角α₃求得，在选定成像目标和光学成像系统位置情况下，α₁和α₃为固定值。

设定太阳方位角A_{太阳方位角}为太阳辐射矢量

在地面的投影与正北方向夹角的夹角；A_{太阳方位角}＝α₁+α₂+α₃。

确定成像试验的最佳时机的约束条件；成像试验的最佳时机的约束条件为：

当夹角α₁与夹角α₂数值差值的绝对值在10°以内时，即|α₁-α₂|≤10°时，认为外景目标为高亮度目标，符合太阳光辐射与光学系统入射的近似镜面反射，满足光学成像系统外景成像试验对高亮目标成像需求，夹角α₁与夹角α₂保持偏差范围内的对应时间区间即为成像试验的最佳时机。

当夹角α₁与α₂数值偏差绝对值在10°以内时，即|α₁-α₂|≤10°，认为外景目标为高亮度目标，符合太阳光辐射与光学系统入射的近似镜面反射，可以满足光学成像系统外景成像试验对高亮目标成像需求，两个夹角保持偏差范围内的对应时间区间即为相机星载相机对外景高亮目标成像试验的最佳时机。由于太阳辐射能量可使得绝大多数遥感器成像工作于饱和状态，因此本专利计算中忽略太阳高度角引起的目标反射太阳辐亮度差异，仅考虑太阳方位角、目标与光学系统夹角等关系。

设定外景成像试验的月份为M；日期为D，设定成像目标所在经度为N_long，设定成像目标所在纬度为N_lat，设定从1月1日到当天日期D的天数为D_儒略日。

根据D_儒略日计算太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}。A_{太阳倾斜角}的计算方法为：

A_{太阳倾斜角}＝23.45×sin(360/365×(D_儒略日-81))

式中，81为春分儒略日数值；

D_儒略日＝所在月数M第一天对应的儒略日+(所在日期D-1)

当M＝1，即月份为1月时，1月第一天的儒略日为1；

当M＝2，即月份为2月时，2月第一天的儒略日为32；

当M＝3，即月份为3月时，3月第一天的儒略日为60；

当M＝4，即月份为4月时，4月第一天的儒略日为91；

当M＝5，即月份为5月时，5月第一天的儒略日为121；

当M＝6，即月份为6月时，6月第一天的儒略日为152；

当M＝7，即月份为7月时，7月第一天的儒略日为182；

当M＝8，即月份为8月时，8月第一天的儒略日为213；

当M＝9，即月份为9月时，9月第一天的儒略日为244；

当M＝10，即月份为10月时，10月第一天的儒略日为274；

当M＝11，即月份为11月时，11月第一天的儒略日为305；

当M＝12，即月份为12月时，12月第一天的儒略日为335。具体见表1：

表1

以春分儒略日为0°基准进行经度修正，根据D_儒略日计算修正后经度N_经度修正。修正后经度N_经度修正的计算方法为：

N_经度修正＝360÷364×(D_儒略日-81)。

并根据N_经度修正计算修正时间T_时间修正；修正时间T_时间修正的计算方法为：

T_时间修正＝9.87×sin(2×N_经度修正)-7.53×cosN_经度修正-1.5×sinN_经度修正。

根据修正时间T_时间修正计算当天当地正午时间T_{当天当地正午时间}；当天当地正午时间T_{当天当地正午时间}的计算方法为：

T_{当天当地正午时间}＝(12×60-4×(N_{当地子午线}-N_long)-T_时间修正)/60

式中，N_{当地子午线}为当地子午线经度，设定为-115°。

设定外景成像试验的时间用hour和min表示，hour为小时，min为分钟；计算当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}；当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}的计算方法为：

T_{当天当地正午修正时间}＝T_{当天当地正午时间}-(hour+(min/60))。

根据当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}计算太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}；太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}的计算方法为：

T_{太阳时修正角度}＝15×T_{当天当地正午修正时间}。

根据太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}、太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}和成像目标所在纬度为N_lat计算太阳高度角A_{太阳高度角}；太阳高度角A_{太阳高度角}的计算方法为：

A_{太阳高度角}＝asind(cosN_lat×cosA_{太阳倾斜角}×cosA_{太阳时修正角度}+sinN_lat×A_{太阳倾斜角})。

根据太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}、太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}和太阳高度角A_{太阳高度角}计算太阳方位角A_{太阳方位角}；太阳方位角A_{太阳方位角}的计算方法为：

当外景成像试验时间为中午12点之前时：

A_{太阳方位角}＝180-asind(cosA_{太阳倾斜角}×sinA_{太阳时修正角度}/cosA_{太阳高度角})

当外景成像试验时间为中午12点或12点之后时：

A_{太阳方位角}＝180-asind(cosA_{太阳倾斜角}×sinA_{太阳时修正角度}/cosA_{太阳高度角})-360。

穷尽外景成像试验的时间hour和min，计算出太阳方位角A_{太阳方位角}的全部数值；根据太阳方位角A_{太阳方位角}计算全部的α₂值，将α₁与α₂带入成像试验最佳时机的约束条件，确定满足成像试验最佳时机的约束条件的α₂值，即得到成像试验的最佳时机。

实施例

根据成像环境及现有条件，设定α₁＝15°，α₃＝18°。

计算太阳方位角A_{太阳方位角}的输入参数见表2

表2

项目	数值
		经度Nlong	-116°
纬度Nlat	40°
		月份M	3
日期D	29
		观测方位角α1	15°

计算得到的中间变量见表3：

表3

项目	数值
		儒略日D儒略日	88
经度校正N经度校正	6.92°
		时间公式T时间公式	-5.29min
当地子午线N当地子午线	-115°
		当天当地时间的正午时间是T当天当地正午时间	12.02
太阳倾斜角A太阳倾斜角	2.82°
		外景试验时机	13:00～17:00
太阳时角度A太阳时角度	-18.68°～-78.68°
		太阳高度角A太阳高度角度	49.15°～10.48°
太阳方位角A太阳方位角	-24.27°～-84.84°

求得太阳方位角情况下，计算夹角α₁与夹角α₁角度差值，确定成像试验时机。

α₁+α₃＝33°，当|α₁-α₂|≤10°时，即

|α₁-(A_{太阳方位角}-(α1+α3))|＝|15-(A_{太阳方位角}-(33))|≤10°

38≤|A_{太阳方位角}|≤58

即外景试验时机2022年3月29日，13:28～14:40，东经116°，北纬40°。

本发明公开了一种外景高亮度目标成像试验实际计算的方法，场景建立简洁，各矢量及夹角关系明确，便于后续数据计算；可计算输入为外景成像试验月份、试验日期、目标所在经度、纬度、目标法线与正北方向夹角前提下，得到外景成像时机与太阳方位角的关系，根据约束条件|α₁-α₂|≤10°，明确最佳外景成像时机。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：包括：

建立外景成像试验场景，包括成像目标和光学成像系统；设外景成像目标平面法线矢量为

太阳辐射矢量为/>

光学成像系统视轴矢量为/>

定义光学成像系统视轴矢量

与外景成像目标平面法线矢量/>

的夹角为α₁；定义太阳辐射矢量/>

与外景成像目标平面法线矢量/>

的夹角为α₂；定义光学成像系统视轴矢量为/>

与正北方向夹角为α₃；

设定太阳方位角A_{太阳方位角}为太阳辐射矢量

在地面的投影与正北方向夹角的夹角；

确定成像试验的最佳时机的约束条件；

设定外景成像试验的月份为M；日期为D，设定成像目标所在经度为N_long，设定成像目标所在纬度为N_lat，设定从1月1日到当天日期D的天数为D_儒略日；

根据D_儒略日计算太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}；

以春分儒略日为0°基准进行经度修正，根据D_儒略日计算修正后经度N_经度修正；并根据N_经度修正计算修正时间T_时间修正；

根据修正时间T_时间修正计算当天当地正午时间T_{当天当地正午时间}；

设定外景成像试验的时间用hour和min表示，hour为小时，min为分钟；计算当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}；

根据当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}计算太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}；

根据太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}、太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}和成像目标所在纬度为N_lat计算太阳高度角A_{太阳高度角}；

根据太阳倾斜角A_{太阳倾斜角}、太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}和太阳高度角A_{太阳高度角}计算太阳方位角A_{太阳方位角}；

确定成像试验的最佳时机；

成像试验的最佳时机的约束条件为：

当夹角α₁与夹角α₂数值差值的绝对值在10°以内时，即|α₁-α₂|≤10°时，认为外景目标为高亮度目标，符合太阳光辐射与光学系统入射的近似镜面反射，满足光学成像系统外景成像试验对高亮目标成像需求，夹角α₁与夹角α₂保持偏差范围内的对应时间区间即为成像试验的最佳时机。

2.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：在选定成像目标和光学成像系统位置情况下，α₁和α₃为固定值。

3.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：A_{太阳方位角}＝α₁+α₂+α₃。

4.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：A_{太阳倾斜角}的计算方法为：

A_{太阳倾斜角}＝23.45×sin(360/365×(D_儒略日-81))

式中，81为春分儒略日数值；

D_儒略日＝所在月数M第一天对应的儒略日+(所在日期D-1)

当M＝1，即月份为1月时，1月第一天的儒略日为1；

当M＝2，即月份为2月时，2月第一天的儒略日为32；

当M＝3，即月份为3月时，3月第一天的儒略日为60；

当M＝4，即月份为4月时，4月第一天的儒略日为91；

当M＝5，即月份为5月时，5月第一天的儒略日为121；

当M＝6，即月份为6月时，6月第一天的儒略日为152；

当M＝7，即月份为7月时，7月第一天的儒略日为182；

当M＝8，即月份为8月时，8月第一天的儒略日为213；

当M＝9，即月份为9月时，9月第一天的儒略日为244；

当M＝10，即月份为10月时，10月第一天的儒略日为274；

当M＝11，即月份为11月时，11月第一天的儒略日为305；

当M＝12，即月份为12月时，12月第一天的儒略日为335。

5.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：修正后经度N_经度修正的计算方法为：

N_经度修正＝360÷364×(D_儒略日-81)

修正时间T_时间修正的计算方法为：

T_时间修正＝9.87×sin(2×N_经度修正)-7.53×cosN_经度修正-1.5×sinN_经度修正。

6.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：当天当地正午时间T_{当天当地正午时间}的计算方法为：

T_{当天当地正午时间}＝(12×60-4×(N_{当地子午线}-N_long)-T_时间修正)/60

式中，N_{当地子午线}为当地子午线经度；

当天当地正午修正时间T_{当天当地正午修正时间}的计算方法为：

T_{当天当地正午修正时间}＝T_{当天当地正午时间}-(hour+(min/60))；

太阳时修正角度T_{太阳时修正角度}的计算方法为：

T_{太阳时修正角度}＝15×T_{当天当地正午修正时间}。

7.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：太阳高度角A_{太阳高度角}的计算方法为：

A_{太阳高度角}＝asind(cosN_lat×cosA_{太阳倾斜角}×cosA_{太阳时修正角度}+sinN_lat×A_{太阳倾斜角})。

8.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：太阳方位角A_{太阳方位角}的计算方法为：

当外景成像试验时间为中午12点之前时：

A_{太阳方位角}＝180-asind(cosA_{太阳倾斜角}×sinA_{太阳时修正角度}/cosA_{太阳高度角})

当外景成像试验时间为中午12点或12点之后时：

A_{太阳方位角}＝180-asind(cosA_{太阳倾斜角}×sinA_{太阳时修正角度}/cosA_{太阳高度角})-360。

9.根据权利要求1所述的一种星载相机对外景高亮目标成像试验时机计算的方法，其特征在于：确定成像试验的最佳时机的方法为：

穷尽外景成像试验的时间hour和min，计算出太阳方位角A_{太阳方位角}的全部数值；根据太阳方位角A_{太阳方位角}计算全部的α₂值，将α₁与α₂带入成像试验最佳时机的约束条件，确定满足成像试验最佳时机的约束条件的α₂值，即得到成像试验的最佳时机。

Images