基于时空统一特性的航天光学遥感器成像仿真方法

摘要

基于时空统一特性的航天光学遥感器成像仿真方法，步骤为：（1）根据卫星轨道参数，计算得到在任意时刻GMT卫星位置与时间的关系以及卫星在GMT时刻星下点的经纬度；（2）根据卫星在GMT时刻星下点的经纬度，成像时刻地面目标反射率特性ρ以及太阳高度角θ，计算得到遥感器的入瞳辐亮度L(λ)；（3）结合遥感器参数和L(λ)，得到遥感器的信号S_target，将S_target依次经过线性放大、滤波和量化处理后，再叠加遥感器光学系统、遥感器探测器、遥感器电路和卫星平台的仿真MTF后，得到初始仿真图像；（4）对初始仿真图像进行压缩解压缩、辐射校正和MTF补偿后，得到用户所需的仿真图像。本发明方法可进行有效的光学遥感全链路成像仿真，大大提高光学遥感在轨成像质量。

主权项

基于时空统一特性的航天光学遥感器成像仿真方法，其特征在于步骤如下：(1)根据卫星轨道参数，确定卫星的地心距r和偏近点角E，$r=\frac{a(1-e^2)}{1+e\cos f},\cos E=\frac{e-\cos f}{1+e\cos f}$其中a为卫星轨道半长轴，e为卫星轨道偏心率，f为卫星轨道真近点角；(2)将近地点时刻t_p作为卫星在轨道上运动时间的起算点，计算得到在任意时刻GMT卫星位置与时间的关系，$\mathrm{GMT}-t_p=\sqrt{\frac{a^3}{\mu }}\left(\text{E-esinE}\right)$其中μ为地心引力常数；(3)确定卫星在GMT时刻星下点的经纬度，其中：经度S_lon＝sin^‑1[sinisin(ω+f)]纬度S_lat＝Ω+tan^‑1[cositan(ω+f)]‑ω_e(GMT‑t_p)i为卫星轨道倾角，ω为卫星轨道近地点幅角，Ω为卫星轨道升交点赤经，ω_e为地球自转角速度；(4)根据卫星在GMT时刻星下点的经纬度，计算得到GMT时刻的太阳高度角θ，θ_GMT为GMT时刻的太阳时角，θ＝arcsin[sin(S_lon)×sin(S_lat)+sin(S_lon)cos(S_lat)cosθ_GMT]；(5)根据卫星在GMT时刻星下点的经纬度，成像时刻地面目标反射率特性ρ，以及太阳高度角θ，采用大气模型传输方法计算得到遥感器的入瞳辐亮度L(λ)，$L\left(\lambda \right)=\tau \frac{\rho }{\pi }[\cos \theta E_0\left(\lambda \right)+{L_{\mathrm{solar}}}^{\downarrow }\left(\lambda \right)]+{L_{\mathrm{solar}}}^{\uparrow }\left(\lambda \right)$其中E₀(λ)是大气层顶的太阳辐照度，τ为大气透过率，L_solar^↓(λ)为太阳下行辐射，L_solar^↑(λ)为太阳上行辐射；(6)结合遥感器参数和步骤(5)所获得的入瞳辐亮度L(λ)，得到遥感器的信号$S_{t\arg \mathrm{et}}=\frac{A_{\det \mathrm{ector}}\pi (1-ϵ)n_{\mathrm{tdi}}{t}_{\mathrm{int}}}{4F^2\mathrm{hc}}\underset{{\lambda }_{\min }}{\overset{{\lambda }_{\max }}{\int }}\eta \left(\lambda \right)L\left(\lambda \right){\tau }_{\mathrm{optics}}\left(\lambda \right)\mathrm{\lambda d\lambda }$其中A_detector为探测器面积，ε为光学孔径面积遮拦比，对于无遮拦的光学系统ε＝0，F为系统f数，n_tdi为TDI级数，t_int为成像系统的像元积分时间，h为普朗克常数，c为光速，η(λ)为CCD量子效率，λ_max和λ_min为光谱响应范围的上限和下限，τ_optics(λ)为光学系统的光谱透过率；将S_target依次经过线性放大、滤波和量化处理后，叠加遥感器光学系统、遥感器探测器、遥感器电路和卫星平台的仿真MTF后，再加入探测器和电路的噪声，最终得到初始仿真图像；(7)对初始仿真图像进行压缩解压缩、辐射校正和MTF补偿处理后，得到用户所需的仿真图像。