一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型的製作方法

2023-06-04 15:20:41 1

一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型，用於判斷衛星傳感器在觀測水面時是否會受到太陽耀光的影響以及影響程度，其步驟如下：根據天文學知識計算全球任意時間與地點的太陽天頂角與方位角；根據衛星觀測日期、時間、地面點經緯度、衛星星曆與軌道參數，計算衛星傳感器的觀測幾何，進而計算星下點軌跡；根據風速與風向等海面狀況參數計算波浪水面的二向反射率，用於描述波浪水面的太陽耀光分布模式；基於大氣輻射傳輸模型，進一步計算大氣層頂部的太陽耀光的時空分布模式。本發明分別能計算衛星在對地觀測時在全球範圍內是否會出現太陽耀光、特定區域出現太陽耀光的時間段與太陽耀光的分布模式等。此外本發明是一種基於幾何模型推演的優化算法，具有精度高、運算速度快等優點，且對衛星軌道參數沒有特殊要求，具有業務化推廣應用的前景。
【專利說明】一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型(-)所屬【技術領域】
[0001]本發明涉及一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，屬於光學遙感領域，在海洋水色遙感與海面目標遙感探測方面具有重要意義。
(二)【背景技術】
[0002]波浪水面太陽耀光是一種常見的自然現象，是水面鏡面反射太陽輻射的結果。靜止水面可以看作光滑的表面，當強光源入射時，在與入射線方向關於法線對稱的反射線方向上形成強烈的鏡面反射。當有風浪存在時，水面形成傾角而造成太陽耀光(或稱太陽耀斑)。當水面出現太陽耀光時，反射能量劇增，嚴重幹擾了目標自身的信號，給水環境遙感監測與水下生態系統研究、海面目標識別等帶來極大的困難。
[0003]如果對遙感(或航攝)時間、太陽高度、太陽方位與航向等相互關係缺乏周全的設計，將會導致水體遙感的失敗。因此能否避開鏡面反射，使遙感影像能正確地反映水質的光學特性差異，是水體遙感的關鍵問題之一。對於海面目標監測與跟蹤，當海面大型艦船淹沒在海面太陽耀光背景當中時，導致艦船目標和背景海面難以區分。由於水面太陽耀光掩蓋了水體的真實物理特性，嚴重幹擾了水下與水面特徵的獲取。因此需要對太陽耀光的空間分布模式進行深入探討。不同位置的水面狀態、觀測角度、太陽光入射角度都會影響探測器接收信號的強弱，遙感圖像覆蓋範圍廣，不同地點上述因素差異又很大，不同像元受耀光汙染的程度並不相同，因此需要對太陽耀光的影響因素進行分析，以確定太陽耀光的時空分布特徵，為太陽耀光背景海面目標探測提供理論依據。
[0004]本發明通過天文學知識計算了太陽天頂角與方位角，通過給定的衛星軌道參數，計算了全球不同時間與地點的衛星觀測天頂角與方位角，進而計算了衛星星下點軌跡分布。建立了波浪水面太陽耀光模型，進而通過大氣輻射傳輸模型，模擬了大氣層頂的太陽耀光分布模式，由此可以計算太陽耀光在全球出現的時間、地點與分布模式。
(三)
【發明內容】

[0005]本發明涉及一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型。技術解決方案是:通過建立天空光偏振場半球型模型，由光學幾何參數經過推導得到天空光偏振狀態，再由天空光的偏振狀態得到水面反射天空光的偏振狀態。其具體步驟如下:
[0006](I)太陽天頂角與方位角計算；
[0007]( 2 )衛星遙感器觀測幾何條件計算；
[0008](3)波浪海面太陽耀光反射率分布建模；
[0009](4)大氣層頂太陽耀光反射率分布模式計算；
[0010](5)全球太陽耀光出現的時間段與區域分布計算。
[0011]I根據權利I要求所述的一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特徵在於:
[0012]步驟(1)中所述的「太陽天頂角與方位角計算」，其實現步驟如下:[0013](I)太陽天頂角計算以地心為原點，建立三維坐標系，根據球面幾何知識，太陽天頂角93的餘弦為
[0014]cos Θ s=sin δ sin Φ +cos δ cos Φ cost
[0015]其中，δ表示太陽赤糹韋，Φ表示地面點糹韋度，t表示太陽時角，Φ表示地面點諱度。太陽赤糹韋依賴於計算日期對應的一年中的天數(day of the year),根據天文學相關知識可以用如下的傅立葉級數近似計算:
[0016]δ=0.006918-0.399912cos(A)+0.070257sin(A)-0.006758cos(2A)
[0017]+0.000907sin(2A)_0.002697cos(3A)+0.001480sin(3A)
[0018]其中，A=2J/365, J 是儒略曆天數(Julian day)。
[0019]太陽時角的計算如下:首先根據格林威治標準時(Greenwich Mean time, GMT)計算經度為λ處地面點的平太陽時(Mean Solar Time, MST)
[0020]MST=GMT+λ /15
[0021]之後將平太陽時修正為真太陽時(True Solar Time1TST)
[0022]TST=MST+ET
[0023]其中，ET為真 太陽時與平太陽時的差值，表達式如下:
[0024]
【權利要求】
1.一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型。其特徵在於包含以下步驟: (1)太陽天頂角與方位角計算； (2)衛星遙感器觀測幾何條件計算； (3)波浪海面太陽耀光反射率分布建模； (4)大氣層頂太陽耀光反射率分布模式計算； (5)全球太陽耀光出現的時間段與區域分布計算。
2.根據權利I要求所述的一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特徵在於: 步驟(1)中所述的「太陽天頂角與方位角計算」，其實現步驟如下: (1)太陽天頂角計算 以地心為原點，建立三維坐標系，根據球面幾何知識，太陽天頂角Θs的餘弦為 cos Θ s=sin δ sin Φ +cos δ cos Φ cost 其中，δ表示太陽赤緯，Φ表示地面點緯度，t表示太陽時角，Φ表示地面點緯度。太陽赤糹韋依賴於計算日期對應的一年中的天數(day of the year),根據天文學相關知識可以用如下的傅立葉級數近似計算:
δ=0.006918-0.399912cos(A)+0.070257sin(A)-0.006758cos(2A)+0.000907sin(2A)-0.002697cos (3A)+0.001480sin(3A) 其中，A=2 3i J/365, J 是儒略曆天數(Julian day)。 太陽時角的計算如下:首先根據格林威治標準時(Greenwich Mean time, GMT)計算經度為λ處地面點的平太陽時(Mean Solar Time1MST) MST=GMT+λ/15 之後將平太陽時修正為真太陽時(True Solar Time1TST)
TST=MST+ET 其中，ET為真太陽時與平太陽時的差值，表達式如下:

3.根據權利I要求所述的一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特徵在於: 步驟(2)中所述的「衛星遙感器觀測幾何條件計算」，其計算過程如下: 為了得到衛星傳感器的觀測天頂角與方位角，首先需要計算一定時刻衛星星下點軌跡的經緯度。星下點軌跡經緯度是根據目標衛星給定或假設的軌道要素及時間信息解算得出的，計算中認為目標衛星繞地球作理想圓軌道運行，忽略了地球章動及星體攝動等因素對衛星軌道的影響，其計算過程如下: 目標衛星的軌道要素包括升交點赤經Ω、軌道面傾角1、衛星軌道長半軸a、衛星橢圓軌道離心率e、近地點角距《、真近點角匕在上述軌道六要素中只有真近點角為關於時間的函數，必須明確某一時刻衛星的真近點角才能寫出f的函數，因此，假設衛星某次經過升交點的時刻。 根據軌道運動學定律，求解出衛星角速度W:
4.根據權利I要求所述的一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特徵在於: 步驟(3)中所述的「波浪海面太陽耀光分布建模」，其計算步驟如下: 波浪水面的太陽耀光反射率為
5.根據權利I要求所述的一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型，其特徵在於:步驟(4)中所述的「大氣層頂太陽耀光分布模式計算」，具體計算過程如下:根據步驟(1)計算得到的太陽天頂角與方位角，步驟(2)計算得到的衛星觀測天頂角與方位角，給定海面風速與風向，輸入到步驟(3)建立的波浪水面太陽耀光反射率模型中，計算得到波浪水面太陽耀光的反射率,將其輸入到大氣輻射傳輸模型中，計算得到衛星高度經大氣衰減後的海面太陽耀光分布模式。
6.根據權利I要求所述的一種在軌衛星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型，其特徵在於:步驟(5)中所述的「計算全球太陽耀光出現的時間段與區域分布」，具體計算過程如下:根據步驟(4)計算得到的衛星平臺太陽耀光分布模式的全球投影圖中，疊加全球水陸分界線，剔除太陽耀光出現在陸地表面情形，即得到實際太陽耀光分布位置；設定不同的衛星成像時間，即可模擬在全球任意位置太陽耀光是否會出現，以及出現的空間位置。
【文檔編號】G06F19/00GK103605887SQ201310562468
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】周冠華, 趙慧潔, 徐武健, 牛春躍 申請人:北京航空航天大學