天基紅外相機(jī)大氣背景測量數(shù)據(jù)處理與圖像仿真技術(shù)研究.pdf

1、大氣是天基光學(xué)遙感鏈路上的重要環(huán)節(jié)，對大氣輻射特性的認(rèn)知程度直接影響到光電探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評估水平，進(jìn)而影響到探測數(shù)據(jù)的信息質(zhì)量與有效性，是探測/遙感任務(wù)成功執(zhí)行的前提；另一方面，從大氣的光譜輻射特性中可以反演出地球系統(tǒng)在廣域時(shí)空范圍內(nèi)的物性狀態(tài)變化信息，是研究地球科學(xué)的重要手段。目前，實(shí)測積累與數(shù)字仿真是提高對大氣背景認(rèn)識水平的兩種最有效手段。
　　本文以我國首顆紅外大氣背景遙感衛(wèi)星的業(yè)務(wù)需求為應(yīng)用背景，立足于測量數(shù)據(jù)的定量化處

2、理與后期應(yīng)用，對紅外大氣背景圖像數(shù)據(jù)的處理技術(shù)與仿真方法開展了深入系統(tǒng)的研究，在數(shù)據(jù)處理方面的研究成果已經(jīng)應(yīng)用于該衛(wèi)星的地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，而在云層圖像仿真方面建立的模型與形成的方法可以為我國天基紅外成像探測系統(tǒng)的指標(biāo)論證、性能評估以及大氣的物性參數(shù)反演等工作提供理論與數(shù)據(jù)支持。論文的研究工作從以下五個(gè)方面開展：
　　在總體技術(shù)研究方面，闡述了我國大氣背景遙感衛(wèi)星紅外相機(jī)的工作原理、測量模式與系統(tǒng)組成；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)相機(jī)的測量任務(wù)

3、與實(shí)際工況，將輻射定標(biāo)和幾何信息解算作為測量數(shù)據(jù)處理中的核心內(nèi)容，并設(shè)計(jì)了研究方案；結(jié)合實(shí)測圖像數(shù)據(jù)與實(shí)際應(yīng)用需求，分別提出了基于大氣背景輻射亮度圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性和基于場景建模與輻射傳輸?shù)脑茖訄D像仿真方案。
　　在測量數(shù)據(jù)的輻射定標(biāo)處理技術(shù)方面，從紅外相機(jī)測量對象的輻射特性出發(fā)，給出了紅外相機(jī)的輻射定標(biāo)原理與黑體選擇依據(jù)，并對地面定標(biāo)試驗(yàn)方法與結(jié)果進(jìn)行了描述；根據(jù)在軌定標(biāo)試驗(yàn)制定了數(shù)據(jù)處理流程，結(jié)合實(shí)際下傳數(shù)據(jù)，總結(jié)出三類無效數(shù)據(jù)

4、的特征與相應(yīng)剔除方法；分析了相機(jī)在軌響應(yīng)衰減現(xiàn)象，建立了具有一定物理意義的相機(jī)響應(yīng)衰減模型；在此基礎(chǔ)上，提出了相機(jī)內(nèi)部污染容限的判斷準(zhǔn)則與定標(biāo)系數(shù)的估計(jì)方法。
　　在測量數(shù)據(jù)的幾何信息處理技術(shù)方面，根據(jù)相機(jī)的實(shí)際觀測模式與測量對象，將拍攝圖像分類為地球背景、臨邊背景與空間背景；分析了不同類型背景所關(guān)注的幾何信息差異，設(shè)計(jì)了不同的幾何解算內(nèi)容，并給出了相應(yīng)的計(jì)算方法；利用衛(wèi)星實(shí)際下傳的姿軌等數(shù)據(jù)，將幾何解算結(jié)果與STK進(jìn)行了比對，驗(yàn)

5、證了計(jì)算模型的正確性，同時(shí)給出了實(shí)測圖像幾何解算結(jié)果的應(yīng)用舉例。
　　在實(shí)測大氣背景輻射亮度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性分析與仿真應(yīng)用方面，分析了紅外短波實(shí)測圖像的輻射亮度分布與功率譜密度統(tǒng)計(jì)特性，在此基礎(chǔ)上，論證了利用分形理論進(jìn)行云層仿真的可行性與合理性；引入二維多尺度疊加分形算法構(gòu)造云層圖像的紋理結(jié)構(gòu)；通過數(shù)值實(shí)驗(yàn)，研究了分形算法控制參數(shù)與生成圖像統(tǒng)計(jì)特征之間的關(guān)系，對算法的參數(shù)估計(jì)問題進(jìn)行了探討；基于紅外相機(jī)實(shí)測云層圖像，驗(yàn)證了仿真方法的有

6、效性和可用性。
　　在基于三維場景建模與輻射傳輸?shù)脑茖訄D像仿真方面，使用三維多尺度疊加分形算法構(gòu)造云層的空間含水量分布；給出了球形粒子與隨機(jī)取向的非球形粒子的單次散射特性計(jì)算方法；重點(diǎn)對水平取向平板粒子的鏡向散射相函數(shù)進(jìn)行了建模研究，并利用T矩陣與Monte-Carlo法進(jìn)行了模型驗(yàn)證；根據(jù)云層和大氣的光學(xué)特性，建立了適用于吸收波段的三維輻射傳輸模型與相關(guān)k分布參數(shù)優(yōu)化方法，并使用球諧離散坐標(biāo)法對計(jì)算精度進(jìn)行了驗(yàn)證；最后，利用上述