一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型，用于判斷衛(wèi)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(jù)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(jù)衛(wèi)星觀測日期、時間、地面點經(jīng)緯度、衛(wèi)星星歷與軌道參數(shù)，計算衛(wèi)星傳感器的觀測幾何，進而計算星下點軌跡；根據(jù)風速與風向等海面狀況參數(shù)計算波浪水面的二向反射率，用于描述波浪水面的太陽耀光分布模式；基于大氣輻射傳輸模型，進一步計算大氣層頂部的太陽耀光的時空分布模式。本發(fā)明分別能計算衛(wèi)星在對地觀測時在全球范圍內是否會出現(xiàn)太陽耀光、特定區(qū)域出現(xiàn)太陽耀光的時間段與太陽耀光的分布模式等。此外本發(fā)明是一種基于幾何模型推演的優(yōu)化算法，具有精度高、運算速度快等優(yōu)點，且對衛(wèi)星軌道參數(shù)沒有特殊要求，具有業(yè)務化推廣應用的前景。
【專利說明】一種在軌衛(wèi)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(fā)明涉及一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，屬于光學遙感領域，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(xiàn)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，在與入射線方向關于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(xiàn)太陽耀光時，反射能量劇增，嚴重干擾了目標自身的信號，給水環(huán)境遙感監(jiān)測與水下生態(tài)系統(tǒng)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系缺乏周全的設計，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。對于海面目標監(jiān)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(qū)分。由于水面太陽耀光掩蓋了水體的真實物理特性，嚴重干擾了水下與水面特征的獲取。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(tài)、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，遙感圖像覆蓋范圍廣，不同地點上述因素差異又很大，不同像元受耀光污染的程度并不相同，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征，為太陽耀光背景海面目標探測提供理論依據(jù)。
[0004]本發(fā)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(wèi)星軌道參數(shù)，計算了全球不同時間與地點的衛(wèi)星觀測天頂角與方位角，進而計算了衛(wèi)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?shù)奶栆夥植寄Ｊ?，由此可以計算太陽耀光在全球出現(xiàn)的時間、地點與分布模式。
(三)
【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明涉及一種在軌衛(wèi)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(shù)經(jīng)過推導得到天空光偏振狀態(tài)，再由天空光的偏振狀態(tài)得到水面反射天空光的偏振狀態(tài)。其具體步驟如下:
[0006](I)太陽天頂角與方位角計算；
[0007]( 2 )衛(wèi)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(xiàn)的時間段與區(qū)域分布計算。
[0011]I根據(jù)權利I要求所述的一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特征在于:
[0012]步驟(1)中所述的“太陽天頂角與方位角計算”，其實現(xiàn)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(jù)球面幾何知識，太陽天頂角93的余弦為
[0014]cos Θ s=sin δ sin Φ +cos δ cos Φ cost
[0015]其中，δ表示太陽赤纟韋，Φ表示地面點纟韋度，t表示太陽時角，Φ表示地面點諱度。太陽赤纟韋依賴于計算日期對應的一年中的天數(shù)(day of the year),根據(jù)天文學相關知識可以用如下的傅里葉級數(shù)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 是儒略歷天數(shù)(Julian day)。
[0019]太陽時角的計算如下:首先根據(jù)格林威治標準時(Greenwich Mean time, GMT)計算經(jīng)度為λ處地面點的平太陽時(Mean Solar Time, MST)
[0020]MST=GMT+λ /15
[0021]之后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(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型。其特征在于包含以下步驟: (1)太陽天頂角與方位角計算； (2)衛(wèi)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(xiàn)的時間段與區(qū)域分布計算。
2.根據(jù)權利I要求所述的一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特征在于: 步驟(1)中所述的“太陽天頂角與方位角計算”，其實現(xiàn)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(jù)球面幾何知識，太陽天頂角Θs的余弦為 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。太陽赤纟韋依賴于計算日期對應的一年中的天數(shù)(day of the year),根據(jù)天文學相關知識可以用如下的傅里葉級數(shù)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 是儒略歷天數(shù)(Julian day)。 太陽時角的計算如下:首先根據(jù)格林威治標準時(Greenwich Mean time, GMT)計算經(jīng)度為λ處地面點的平太陽時(Mean Solar Time1MST) MST=GMT+λ/15 之后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(jù)權利I要求所述的一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特征在于: 步驟(2)中所述的“衛(wèi)星遙感器觀測幾何條件計算”，其計算過程如下: 為了得到衛(wèi)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(wèi)星星下點軌跡的經(jīng)緯度。星下點軌跡經(jīng)緯度是根據(jù)目標衛(wèi)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(wèi)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(wèi)星軌道的影響，其計算過程如下: 目標衛(wèi)星的軌道要素包括升交點赤經(jīng)Ω、軌道面傾角1、衛(wèi)星軌道長半軸a、衛(wèi)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于時間的函數(shù)，必須明確某一時刻衛(wèi)星的真近點角才能寫出f的函數(shù)，因此，假設衛(wèi)星某次經(jīng)過升交點的時刻。 根據(jù)軌道運動學定律，求解出衛(wèi)星角速度W:
4.根據(jù)權利I要求所述的一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布模型，其特征在于: 步驟(3)中所述的“波浪海面太陽耀光分布建?！?，其計算步驟如下: 波浪水面的太陽耀光反射率為
5.根據(jù)權利I要求所述的一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型，其特征在于: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(jù)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(wèi)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(wèi)星高度經(jīng)大氣衰減后的海面太陽耀光分布模式。
6.根據(jù)權利I要求所述的一種在軌衛(wèi)星成像波浪水面太陽耀光時空分布仿真模型，其特征在于:步驟(5)中所述的“計算全球太陽耀光出現(xiàn)的時間段與區(qū)域分布”，具體計算過程如下:根據(jù)步驟(4)計算得到的衛(wèi)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(xiàn)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(wèi)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(xiàn)，以及出現(xiàn)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(yōu)先權日:2013年11月13日
【發(fā)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