一種靜軌面陣遙感相機分時動態成像模擬方法與流程
2023-05-09 21:09:44
本發明涉及一種靜軌面陣遙感相機分時動態成像模擬方法，屬於工程科學技術中的遙感成像模擬技術領域，在遙感成像仿真方面能夠發揮重要作用。
背景技術：
地球靜止軌道衛星運行高度約為36000公裡，其軌道平面與地球的赤道平面重合，地球靜止軌道衛星從地球上看是靜止於赤道上空的某點，因此靜軌對地觀測系統具有隨時觀測的優點，時間解析度的優勢十分明顯，採用面陣探測器的凝視型遙感相機則能夠充分利用靜止軌道對地觀測的優勢，實現多光譜譜段的分時動態成像，即能夠實現單譜段單次成像、全譜段單次成像、單譜段連續成像、全譜段連續成像等不同模式。
針對靜軌面陣遙感相機進行成像建模與仿真，可以深化人們對於此類型遙感相機成像過程和成像數據特性的理解，也可用於預測此類型載荷的成像質量並提供仿真數據，為新載荷的系統設計和地面數據處理系統建立提供支持。
目前還沒有專門針對靜軌面陣遙感相機的成像仿真模型，傳統的遙感相機成像仿真模型一般依賴於載荷的基本特性參數，對載荷本身的物理成像過程描述不夠全面，這導致傳統相機仿真模型無法在成像模式上對新相機進行成像模擬，限制了相機仿真模型的應用能力。
技術實現要素：
本發明的目的是：提供一種靜軌面陣遙感相機分時動態成像模擬方法，建立了針對靜軌面陣遙感相機的動態成像模型，克服了現有相機仿真模型無法在成像模式上進行仿真及現有成像模擬方法對高時頻動態成像適用性不高的問題，實現了面陣遙感相機在對地觀測時分時動態成像模擬，有效地提高了遙感相機仿真的真實性，極大地提高了成像仿真模型的應用能力。
本發明的技術解決方案是：基於真實的靜軌面陣遙感相機成像過程，結合凝視相機成像模式，構建出充分考慮了時空變化特性的分時成像仿真機制，並在遙感相機結構參數層面上計算不同時間、不同成像模式情況下的相機輸出DN值，實現分時動態成像的真實模擬。
本發明一種靜軌面陣遙感相機分時動態成像模擬方法，其步驟如下：
步驟一：輸入指定成像區域對應的高時頻入瞳輻亮度圖像；
步驟二：設置面陣遙感相機的成像指令；
步驟三：設置面陣遙感相機系統參數；
步驟四：根據步驟二確定的成像指令，利用步驟一輸入的入瞳輻亮度、步驟三輸入的相機系統參數進行模擬計算，得到DN值，並生成DN值圖像；
步驟五：根據步驟四得到的DN值圖像判斷成像指令是否全部執行完成，是則輸出0級仿真數據，否則重複步驟四。
所述步驟二中，設置面陣遙感相機的成像指令如下：
任意選擇成像模式中的1種或多種進行組合，形成成像指令，其中所述成像模式如下：
a)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意1個波段進行1次仿真成像，定義該模式為單譜段單次成像；
b)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意M(M≥2)個波段進行1次仿真成像，定義該模式為多譜段單次成像；M≥2
c)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意1個波段進行T1、T2、…TN時刻的連續仿真成像，定義該模式為單譜段連續成像；N≥2
d)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意M個波段進行T1、T2、…TN時刻的連續仿真成像，定義該模式為多譜段連續成像。
所述步驟四中，生成DN值圖像的方法如下：
a)單譜段單次成像模式時，假設對T1時刻的λ1波段入瞳輻亮度L(T1,λ1)進行成像模擬，從而得到DN值，DN值計算公式如下：
其中，C是轉換因子，G、B分別是運算放大器的增益和偏置，Nfull位探測器滿阱電子數，bit為量化位數，N(T1,λ1)是探測器在T1時刻λ1波段產生的光生電子數，
其中，A為探測器探元面積；t(T1,λ1)為T1時刻λ1波段時相機的積分時間；ε為光學孔徑面積遮攔比；η(λ1)為量子效率；F為相機的F數；h為普朗克常數；c為光速；τ(λ1)為光學系統透過率；R(λ1)光譜響應函數；
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1時刻λ1波段的圖像信息，、Z維對應成像時刻T1和波段λ1組合(T1,λ1)，其中Z維的維度為1。
b)多譜段單次成像模式時，假設對T1時刻的λ1、λ2、…λM波段入瞳輻亮度L(T1,λ1,λ2...λM)進行成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，N(T1,λ1,λ2...λM)是探測器在T1時刻λ1、λ2、…λM波段產生的光生電子數；
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1時刻λ1、λ2、…λM波段的圖像信息，Z維對應成像時刻T1和波段λ1、λ2、…λM組合(T1,λ1)、(T1,λ2)…(T1,λM)，其中Z維的維度為M；
c)單譜段連續成像模式時，假設對T1、T2、…TN時刻的λ1波段入瞳輻亮度L(T1,T2...TN,λ1)進行連續成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，N(T1,T2...TN,λ1)是探測器在T1、T2、…TN時刻λ1波段產生的光生電子數。
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1、T2、…TN時刻λ1波段的圖像信息，Z維對應成像時刻T1、T2、…TN和波段λ1組合(T1,λ1)、(T2,λ1)…(TN,λ1)，其中Z維的維度為N；
d)多譜段連續成像模式時，假設對T1、T2、…TN時刻的λ1、λ2、…λM波段入瞳輻亮度L(T1,T2...TN,λ1,λ2...λM)進行成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，N(T1,T2...TN,λ1,λ2...λM)是探測器在T1、T2、…TN時刻λ1、λ2、…λM波段產生的光生電子數。
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1、T2、…TN時刻下λ1、λ2、…λM波段的圖像信息，Z維對應成像時刻T1、T2、…TN和波段λ1、λ2、…λM組合(T1,λ1)、(T1,λ2)…(T1,λM)、(T2,λ1)、(T2,λ2)…(T2,λM)、(TN,λ1)、(TN,λ2)…(TN,λM)，其中Z維的維度為N*M。
本發明一種靜軌面陣遙感相機分時動態成像模擬方法，與現有技術相比的優點在於：本發明通過設置成像指令，即利用單譜段單次成像、多譜段單次成像、單譜段連續成像、多譜段連續成像等成像模式模擬遙感相機的分時動態成像過程，真實反映了靜軌面陣遙感相機獲取數據的過程，克服了現有成像模擬方法對高時頻動態成像適用性不高的問題，有效地提高了遙感相機仿真的真實性。
附圖說明
圖1為本發明流程框圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發明的具體實施方法如下：
步驟一：輸入指定成像區域對應的高時頻入瞳輻亮度圖像
輸入指定成像區域對應高時頻入瞳輻亮度圖像，此處的高時頻是指氣候變化與生長季等能夠引起地物表面空間形態與輻射特性發生變化的時間頻率。
步驟二：面陣遙感相機成像指令設置
任意選擇成像模式中的1種或多種進行組合，形成成像指令，其中成像模式的定義如下：
a)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意1個波段進行1次仿真成像，定義該模式為單譜段單次成像；
b)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意M(M≥2)個波段進行1次仿真成像，定義該模式為多譜段單次成像；
c)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意1個波段進行T1、T2、…TN(N≥2)時刻的連續仿真成像，定義該模式為單譜段連續成像；
d)可見光至紅外0.4～14μm光譜範圍中的任意M(M≥2)個波段進行T1、T2、…TN(N≥2)時刻的連續仿真成像，定義該模式為多譜段連續成像。
步驟三：面陣遙感相機系統參數設置
設置面陣遙感相機系統參數，具體參數包括：探測器探元面積、積分時間、光學孔徑面積遮攔比、量子效率、相機F數、光學系統透過率、光譜響應函數、轉換因子、滿阱電子數、量化位數、運算放大器的增益和偏置。
步驟四：根據步驟二確定的成像指令，利用步驟一輸入的入瞳輻亮度、步驟三輸入的相機系統參數進行模擬計算，得到DN值，並生成DN值圖像，具體方式如下：
a)單譜段單次成像模式時，假設對T1時刻的λ1波段入瞳輻亮度L(T1,λ1)進行成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，C是轉換因子，G、B分別是運算放大器的增益和偏置，Nfull位探測器滿阱電子數，bit為量化位數，N(T1,λ1)是探測器在T1時刻λ1波段產生的光生電子數，
其中，A為探測器探元面積；t(T1,λ1)為T1時刻λ1波段時相機的積分時間；ε為光學孔徑面積遮攔比；η(λ1)為量子效率；F為相機的F數；h為普朗克常數；c為光速；τ(λ1)為光學系統透過率；R(λ1)光譜響應函數。
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1時刻λ1波段的圖像信息，、Z維對應成像時刻T1和波段λ1組合(T1,λ1)，其中Z維的維度為1。
b)多譜段單次成像模式時，假設對T1時刻的λ1、λ2、…λM波段入瞳輻亮度L(T1,λ1,λ2...λM)進行成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，N(T1,λ1,λ2...λM)是探測器在T1時刻λ1、λ2、…λM波段產生的光生電子數。
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1時刻λ1、λ2、…λM波段的圖像信息，Z維對應成像時刻T1和波段λ1、λ2、…λM組合(T1,λ1)、(T1,λ2)…(T1,λM)，其中Z維的維度為M。
c)單譜段連續成像模式時，假設對T1、T2、…TN時刻的λ1波段入瞳輻亮度L(T1,T2...TN,λ1)進行連續成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，N(T1,T2...TN,λ1)是探測器在T1、T2、…TN時刻λ1波段產生的光生電子數。
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1、T2、…TN時刻λ1波段的圖像信息，Z維對應成像時刻T1、T2、…TN和波段λ1組合(T1,λ1)、(T2,λ1)…(TN,λ1)，其中Z維的維度為N。
d)多譜段連續成像模式時，假設對T1、T2、…TN時刻的λ1、λ2、…λM波段入瞳輻亮度L(T1,T2...TN,λ1,λ2...λM)進行成像模擬，從而生成DN值，DN值計算公式如下：
其中，N(T1,T2...TN,λ1,λ2...λM)是探測器在T1、T2、…TN時刻λ1、λ2、…λM波段產生的光生電子數。
DN值圖像為數據立方體，XY維空間為T1、T2、…TN時刻下λ1、λ2、…λM波段的圖像信息，Z維對應成像時刻T1、T2、…TN和波段λ1、λ2、…λM組合(T1,λ1)、(T1,λ2)…(T1,λM)、(T2,λ1)、(T2,λ2)…(T2,λM)、(TN,λ1)、(TN,λ2)…(TN,λM)，其中Z維的維度為N*M。
步驟五：根據步驟四得到的DN值圖像，判斷DN值圖像的數量是否與本次成像指令中規定的成像模式次數相同。若相同，則成像指令全部執行完成，按照遙感數據存儲標準輸出0級仿真圖像；若不相同，則成像指令未全部執行完成，重複步驟四。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。