一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法与流程

1.本发明涉及一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法。


背景技术：

2.在轨辐射定标是光学卫星传感器遥感数据定量化应用的关键环节。光学遥感器发射前会进行严格的实验室定标，然而发射时的剧烈振动、在轨运行时成像条件的改变以及光学器件的老化等因素可能造成传感器的在轨响应状态发生变化。因此，为了保证遥感数据定量化产品的精度，光学卫星传感器有必要进行在轨运行期间的常态化定标。
3.传统的在轨辐射定标流程通常由人工手动检校卫星产品的辐射精度，发现系统误差存在后，制定人工外场试验计划，再进行手动定标处理，具有频率低、周期长、依赖大量人工操作的缺陷。面向卫星数量激增、大规模星座发射，传统的人工外场试验、手动定标处理的方式已不适应，需要改善定标流程，提升系统自动化水平。自动化辐射定标技术对于卫星在轨评定以及后续使用具有重要意义，能够为各类应用提供有效的数据支撑。


技术实现要素：

4.本发明解决.设计一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，为常态化绝对辐射定标处理全流程的各个环节提供有效的自动化方案，实现内外场联动的自动化定标数据处理。该方法能够改善传统辐射定标流程，有效提升卫星在轨辐射定标的自动化水平，进而满足在轨常态化辐射定标需求，不断提高遥感影像产品质量，为后续众多基于遥感产品的应用提供有效的数据支撑。
5.本发明的目的是通过如下技术方案予以实现的：一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，包括如下步骤：
6.(1)卫星在轨运行期间，定期自动进行卫星覆盖性分析和定标设备参数计算，提出卫星观测需求，生成光学载荷绝对辐射定标外场试验方案；
7.(2)自动化观测设备根据生成的外场试验方案，在卫星过顶时刻自动测量地表反射率，输入预设的辐射传输模型，计算得到卫星入瞳辐亮度；
8.(3)采用基于模板和特征值匹配的靶标快速提取方法，从卫星观测影像上提取靶标影像数据，查找各灰阶靶标的影像dn值；
9.(4)结合地面靶标的卫星入瞳辐亮度和对应的影像dn值，计算得到光学载荷绝对辐射定标系数，更新卫星定标数据产品。
10.2所述卫星在轨运行期间，根据定标场网和卫星轨道，定期自动进行卫星覆盖性分析和定标设备参数计算，进行光学载荷定标试验观测需求制定并提交，根据需求反馈，结合定标场和定标设备状态，生成针对可见光波段的绝对辐射定标外场试验方案，过程包括轨道推演、观测姿态计算、定标场覆盖分析、定标设备工作参数计算和外场试验方案制定。
11.所述轨道推演过程包括：基于轨道初始化条件和轨道动力学模型进行轨道推演，构建轨道模型，计算一段时间内的卫星轨道位置，提供任意时刻的轨道参数；轨道推演需完
成重力场摄动改正、太阳光压摄动改正、固体潮摄动改正、n体摄动改正、极潮摄动改正、大气摄动改正、海潮摄动改正七个摄动改正和依赖轨道初值的轨道积分计算。
12.所述观测姿态计算过程包括：根据目标成像起始时刻与结束时刻以及卫星的轨道数据，计算卫星成像过程中卫星的姿态。
13.所述定标场覆盖分析过程包括：利用轨道推演结果，使用观测姿态计算方法，针对匹配的定标场和定标设备进行星地几何关系计算，实现卫星对定标场或定标设备的可见时间窗口和卫星观测姿态参数的计算，并在此基础上生成光学载荷定标试验观测需求并提交；其中光学载荷需求参数包括卫星载荷参数、定标场地、定标类型、时间，以及卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角和太阳方位角。
14.所述定标设备工作参数计算过程包括：在确定了定标场的基础上，根据匹配得到的定标设备，调取光学载荷对应定标设备的工作参数信息，模拟定标时刻的大气特性参数仿真数据，并计算当前条件下定标设备的工作参数。
15.所述外场试验方案制定过程包括：根据生成的光学载荷定标试验观测需求和反馈结果，以及计算得到的测试场地定标设备工作参数，生成针对可见光波段的外场试验方案，包括定标需求信息、卫星相关信息、定标场相关信息、卫星及定标场网匹配结果、定标场覆盖分析结果、定标设备工作参数。
16.所述自动化观测设备根据生成的外场试验方案，在卫星过顶时刻自动测量地表反射率，输入预设的辐射传输模型，计算得到卫星入瞳辐亮度，包括：地面定标场布设多反射率人工靶标，采用无人值守的自动化工作模式，每个测试目标点处的观测设备根据外场试验方案自动测量卫星过顶时刻的地表反射率、大气光学特性参数，以及天空漫射辐射与总辐射比数据，并传输回定标系统，计算光学遥感器入瞳辐亮度。
17.所述光学遥感器入瞳辐亮度计算过程为：
18.当光学遥感器对大面积灰阶靶标观测时，考虑到靶标上空的大气程辐射与周围环境辐射为常数，根据辐射传输模型，此时光学遥感器入瞳辐亮度表示为：
[0019][0020]
式中l1为目标反射辐射引入的辐亮度；r(λ)为光学相机的光谱响应函数；α为天空漫射总辐射比；λ为波长；es为大气外光谱辐照度；μs为太阳天顶角的余弦；μv为光学相机观测天顶角余弦；t
gas
(θs，θv)为吸收气体透过率；ρa为大气固有反射率；τ为大气光学厚度；s为大气球面反照率；td(θs)为太阳-地面漫射透过率；ρb为周围环境反射率；ρ
t
为目标反射率；t
′d(θv)为光学遥感器-地面漫射透过率；θs为太阳天顶角；θv为光学相机观测天顶角；
[0021]
根据式(1)，代入每个采样点测量得到的外场数据和卫星覆盖性分析得到的卫星过顶时刻卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角和太阳方位角，计算得到不同反射率大面积灰阶靶标上测试目标点的光学遥感器入瞳辐亮度l。
[0022]
所述采用基于模板和特征值匹配的靶标快速提取方法，从卫星观测影像上提取靶标影像数据，查找各灰阶靶标的影像dn值，包括：
[0023]
首先进行靶标粗略定位，读入每一片影像数据和rpc参数，输入靶标的经纬度位置，对该片进行裁剪获得靶标大致位置影像；
[0024]
然后对待匹配靶标粗略影像进行量化位数重采样，保持待匹配靶标粗略影像与模
板量化位数的一致性；
[0025]
进而对待匹配靶标粗略影像进行分辨率重采样，保持待匹配靶标粗略影像与模板分辨率一致，重采样方法采用三次卷积插值方法；
[0026]
通过特征值匹配选择出和模板相关系数最大的搜索窗口，提取最终靶标精确影像，进而查找各灰阶靶标采样点的影像dn值。
[0027]
结合地面靶标的卫星入瞳辐亮度和对应的影像dn值，计算得到光学载荷绝对辐射定标系数，更新卫星定标数据产品，包括：
[0028]
将目标反射辐射和非目标反射辐射分离，得到绝对辐射定标系数k的计算公式为：
[0029][0030]
式中l
ρ＝1
(λ)为地面反射率为1时目标反射引入的光谱辐亮度；dn
slo
为靶标反射率与图像dn值线性回归得到的斜率。
[0031]
获得绝对辐射定标系数后，按照公式(3)利用绝对辐射定标系数将dn值图像转换为辐亮度图像，更新卫星定标数据产品。
[0032]
l＝k*dn(3)
[0033]
式中l为光谱辐亮度，k为计算得到的绝对辐射定标系数，dn为遥感影像像元亮度值。
[0034]
本发明与现有技术相比的有益效果是：
[0035]
(1)针对传感器在轨相应状态变化导致的绝对辐射定标精度下降的问题，进行高频率的卫星在轨运行期间光学载荷常态化辐射定标，并及时更新定标产品，能够保证绝对辐射定标精度，对于卫星在轨评定以及后续应用具有重要意义。
[0036]
(2)本发明设计了一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，平台定期自动生成在轨绝对辐射定标方案，地面定标场自动观测卫星过顶时刻的外场数据，利用基于模板和特征值匹配的快速靶标提取技术自动输出靶标影像数据，进而实现内外场联动的自动化定标数据处理。因此，相比于传统人工手动定标处理方法，本设计改善了定标处理流程，显著提升定标过程的自动化水平。
附图说明
[0037]
图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述，步骤如下：
[0039]
(1)卫星在轨运行期间，定期自动通过卫星覆盖性分析和定标设备参数计算，提出卫星观测需求，生成光学载荷绝对辐射定标外场试验方案。
[0040]
卫星在轨运行期间，根据定标场网和卫星轨道进行观测需求制定并提交，根据需求反馈，结合定标场和定标设备状态生成针对可见光波段的外场试验方案，包括轨道推演、观测姿态计算、定标场覆盖分析、定标设备工作参数计算和外场试验方案制定部分。
[0041]
a)首先，基于轨道初始化条件和轨道动力学模型进行轨道推演，构建轨道模型，计
算一段时间内的卫星轨道位置，提供任意时刻的轨道参数。理论轨道模拟基于轨道动力学平滑方法，但是卫星在轨运行时可能受到各种力因素的影响，产生的摄动是多方面的，需进行摄动改正，提高轨道推演精度。因此，轨道推演需完成重力场摄动改正、太阳光压摄动改正、固体潮摄动改正、n体摄动改正、极潮摄动改正、大气摄动改正、海潮摄动改正七个摄动改正和依赖轨道初值的轨道积分计算。
[0042]
b)然后进行观测姿态计算，根据目标成像起始时刻与结束时刻以及卫星的轨道数据，计算卫星成像过程中卫星的姿态。
[0043]
c)进行定标场覆盖分析，根据卫星轨道外推计算结果，利用卫星轨道外推计算结果，使用观测姿态计算方法，针对匹配的定标场和定标设备进行星地几何关系计算，实现卫星对定标场或定标设备的可见时间窗口和卫星观测姿态等参数的计算，并在此基础上生成光学载荷定标试验观测需求并提交；其中光学载荷需求参数包括卫星载荷参数、定标场地、定标类型、时间要求，以及卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角和太阳方位角等几何要求。
[0044]
d)在确定了定标场的基础上，根据匹配得到的定标设备，调取光学载荷对应定标设备(如地物光谱仪，太阳辐射计，大气测试设备等)的工作参数信息，模拟定标时刻的大气特性参数仿真数据，并计算当前条件下定标设备的工作参数。
[0045]
e)基于上述流程计算结果，包括光学载荷定标试验观测需求和反馈结果，以及测试场地定标设备工作参数，生成针对可见光波段的外场试验方案，包括定标需求信息、卫星相关信息、定标场相关信息、卫星及定标场网匹配结果、定标场覆盖分析结果、定标设备工作参数。
[0046]
(2)地面定标场布设多反射率人工靶标，自动化观测设备根据外场试验方案自动在卫星过顶时刻测量地表反射率等数据，输入预设的辐射传输模型计算得到卫星入瞳辐亮度。
[0047]
在定标场地靶标上每个测试目标点，布设asd野外光谱仪、自动太阳辐射计、光谱辐射计等设备，分别用于测量卫星过顶时刻的地表反射率、大气光学特性参数和天空漫射辐射与总辐射比等数据，并自动传输回定标系统，进行光学遥感器入瞳辐亮度的计算。
[0048]
当光学遥感器对大面积灰阶靶标观测时，考虑到靶标上空的大气程辐射与周围环境辐射为常数，根据辐射传输模型，此时光学遥感器入瞳辐亮度可表示为：
[0049][0050]
式中l1为目标反射辐射引入的辐亮度；r(λ)为光学相机的光谱响应函数；α为天空漫射总辐射比；λ为波长；es为大气外光谱辐照度；μs为太阳天顶角的余弦；μv为光学相机观测天顶角余弦；t
gas
(θs，θv)为吸收气体透过率；ρa为大气固有反射率；τ为大气光学厚度；s为大气球面反照率；rd(θs)为太阳-地面漫射透过率；ρb为周围环境反射率；ρ
t
为目标反射率；t
′d(θv)为光学遥感器-地面漫射透过率；θs为太阳天顶角；θv为光学相机观测天顶角。
[0051]
根据式(1)，代入每个采样点测量得到的外场数据和步骤(1)中卫星覆盖性分析得到的卫星过顶时刻卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角和太阳方位角等几何参数，即可计算得到不同反射率大面积灰阶靶标上测试目标点的光学遥感器入瞳辐亮度l。
[0052]
(3)采用基于模板和特征值匹配的靶标快速提取方法，从卫星影像上自动快速提取靶标，进而快速查找各灰阶靶标的影像dn值。
[0053]
a)首先进行靶标粗略定位，读入每一片影像数据和rpc参数，输入靶标的大致经纬度位置，对该片进行裁剪获得靶标大致位置影像。
[0054]
b)然后对待匹配靶标粗略影像进行量化位数重采样，保持待匹配靶标粗略影像与模板量化位数的一致性。
[0055]
c)进而对待匹配靶标粗略影像进行分辨率重采样，保持待匹配靶标粗略影像与模板分辨率一致，重采样方法采用三次卷积插值方法。
[0056]
d)通过特征值匹配选择出和模板相关系数最大的搜索窗口，提取最终靶标精确影像，进而快速查找各灰阶靶标采样点的影像dn值。
[0057]
(4)结合地面靶标的卫星入瞳辐亮度和对应图像dn值，计算得到光学载荷绝对辐射定标系数，更新卫星定标数据产品。
[0058]
将目标反射辐射和非目标反射辐射分离，得到绝对辐射定标系数计算公式为：
[0059][0060]
式中l
ρ＝1
(λ)为地面反射率为1时目标反射引入的光谱辐亮度；dn
slop
为靶标反射率与图像dn值线性回归得到的斜率。
[0061]
综上所述，结合步骤(2)得到的不同反射率大面积灰阶靶标上测试点的光学遥感器入瞳辐亮度l与步骤(3)得到的光学遥感器对不同反射率大面积灰阶靶标的观测dn值，通过最小二乘法计算得到光学遥感器的辐射定标系数。
[0062]
获得绝对辐射定标系数后，按照公式(3)利用绝对辐射定标系数将dn值图像转换为辐亮度图像，更新卫星定标数据产品。
[0063]
l＝k*dn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0064]
式中l为光谱辐亮度，k为计算得到的绝对辐射定标系数，dn为遥感影像像元亮度值。
[0065]
本发明技术方案针对卫星在轨常态化辐射定标要求，从绝对辐射定标方案自动生成入手，构建了内外场联动的自动化定标数据处理流程，显著提升辐射定标过程的自动化水平，为光学载荷在轨标定提供基础分析工具。
[0066]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于，包括：卫星在轨运行期间，定期自动进行卫星覆盖性分析和定标设备参数计算，提出卫星观测需求，生成光学载荷绝对辐射定标外场试验方案；自动化观测设备根据生成的外场试验方案，在卫星过顶时刻自动测量地表反射率，输入预设的辐射传输模型，计算得到卫星入瞳辐亮度；采用基于模板和特征值匹配的靶标快速提取方法，从卫星观测影像上提取靶标影像数据，查找各灰阶靶标的影像dn值；结合地面靶标的卫星入瞳辐亮度和对应的影像dn值，计算得到光学载荷绝对辐射定标系数，更新卫星定标数据产品。2.根据权利要求1所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述卫星在轨运行期间，根据定标场网和卫星轨道，定期自动进行卫星覆盖性分析和定标设备参数计算，进行光学载荷定标试验观测需求制定并提交，根据需求反馈，结合定标场和定标设备状态，生成针对可见光波段的绝对辐射定标外场试验方案，过程包括轨道推演、观测姿态计算、定标场覆盖分析、定标设备工作参数计算和外场试验方案制定。3.根据权利要求2所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述轨道推演过程包括：基于轨道初始化条件和轨道动力学模型进行轨道推演，构建轨道模型，计算一段时间内的卫星轨道位置，提供任意时刻的轨道参数；轨道推演需完成重力场摄动改正、太阳光压摄动改正、固体潮摄动改正、n体摄动改正、极潮摄动改正、大气摄动改正、海潮摄动改正七个摄动改正和依赖轨道初值的轨道积分计算。4.根据权利要求3所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述观测姿态计算过程包括：根据目标成像起始时刻与结束时刻以及卫星的轨道数据，计算卫星成像过程中卫星的姿态。5.根据权利要求4所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述定标场覆盖分析过程包括：利用轨道推演结果，使用观测姿态计算方法，针对匹配的定标场和定标设备进行星地几何关系计算，实现卫星对定标场或定标设备的可见时间窗口和卫星观测姿态参数的计算，并在此基础上生成光学载荷定标试验观测需求并提交；其中光学载荷需求参数包括卫星载荷参数、定标场地、定标类型、时间，以及卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角和太阳方位角。6.根据权利要求5所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述定标设备工作参数计算过程包括：在确定了定标场的基础上，根据匹配得到的定标设备，调取光学载荷对应定标设备的工作参数信息，模拟定标时刻的大气特性参数仿真数据，并计算当前条件下定标设备的工作参数。7.根据权利要求6所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述外场试验方案制定过程包括：根据生成的光学载荷定标试验观测需求和反馈结果，以及计算得到的测试场地定标设备工作参数，生成针对可见光波段的外场试验方案，包括定标需求信息、卫星相关信息、定标场相关信息、卫星及定标场网匹配结果、定标场覆盖分析结果、定标设备工作参数。8.根据权利要求7所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述自动化观测设备根据生成的外场试验方案，在卫星过顶时刻自动测量地表
反射率，输入预设的辐射传输模型，计算得到卫星入瞳辐亮度，包括：地面定标场布设多反射率人工靶标，采用无人值守的自动化工作模式，每个测试目标点处的观测设备根据外场试验方案自动测量卫星过顶时刻的地表反射率、大气光学特性参数，以及天空漫射辐射与总辐射比数据，并传输回定标系统，计算光学遥感器入瞳辐亮度。9.如权利要求8所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述光学遥感器入瞳辐亮度计算过程为：当光学遥感器对大面积灰阶靶标观测时，考虑到靶标上空的大气程辐射与周围环境辐射为常数，根据辐射传输模型，此时光学遥感器入瞳辐亮度表示为：式中l1为目标反射辐射引入的辐亮度；r(λ)为光学相机的光谱响应函数；α为天空漫射总辐射比；λ为波长；e
s
为大气外光谱辐照度；μ
s
为太阳天顶角的余弦；μ
v
为光学相机观测天顶角余弦；t
gas
(θ
s
，θ
v
)为吸收气体透过率；ρ
a
为大气固有反射率；τ为大气光学厚度；s为大气球面反照率；r
d
(θ
s
)为太阳-地面漫射透过率；ρ
b
为周围环境反射率；ρ
t
为目标反射率；t
′
d
(θ
v
)为光学遥感器-地面漫射透过率；θ
s
为太阳天顶角；θ
v
为光学相机观测天顶角；根据式(1)，代入每个采样点测量得到的外场数据和卫星覆盖性分析得到的卫星过顶时刻卫星天顶角、卫星方位角、太阳天顶角和太阳方位角，计算得到不同反射率大面积灰阶靶标上测试目标点的光学遥感器入瞳辐亮度l。10.如权利要求9所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：所述采用基于模板和特征值匹配的靶标快速提取方法，从卫星观测影像上提取靶标影像数据，查找各灰阶靶标的影像dn值，包括：首先进行靶标粗略定位，读入每一片影像数据和rpc参数，输入靶标的经纬度位置，对该片进行裁剪获得靶标大致位置影像；然后对待匹配靶标粗略影像进行量化位数重采样，保持待匹配靶标粗略影像与模板量化位数的一致性；进而对待匹配靶标粗略影像进行分辨率重采样，保持待匹配靶标粗略影像与模板分辨率一致，重采样方法采用三次卷积插值方法；通过特征值匹配选择出和模板相关系数最大的搜索窗口，提取最终靶标精确影像，进而查找各灰阶靶标采样点的影像dn值。11.如权利要求10所述的一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，其特征在于：结合地面靶标的卫星入瞳辐亮度和对应的影像dn值，计算得到光学载荷绝对辐射定标系数，更新卫星定标数据产品，包括：将目标反射辐射和非目标反射辐射分离，得到绝对辐射定标系数k的计算公式为：式中l
ρ＝1
(λ)为地面反射率为1时目标反射引入的光谱辐亮度；dn
slop
为靶标反射率与图像dn值线性回归得到的斜率。获得绝对辐射定标系数后，按照公式(3)利用绝对辐射定标系数将dn值图像转换为辐
亮度图像，更新卫星定标数据产品。l＝k*dn
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中l为光谱辐亮度，k为计算得到的绝对辐射定标系数，dn为遥感影像像元亮度值。

技术总结
本发明提供一种光学载荷可见光波段在轨自动化绝对辐射定标方法，包括：卫星在轨运行期间，定期自动进行卫星覆盖性分析和定标设备参数计算，提出卫星观测需求，生成光学载荷绝对辐射定标外场试验方案；自动化观测设备根据外场试验方案自动测量卫星过顶时刻的地表反射率、大气光学特性参数等数据，并输入到辐射传输模型中计算得到卫星入瞳辐亮度；从卫星观测影像中自动提取靶标影像数据，进而快速查找各灰阶靶标采样点的影像DN值；结合地面靶标的卫星入瞳辐亮度和对应图像DN值，计算光学载荷绝对辐射定标系数，并更新卫星定标数据产品。本发明设计内外场联动的自动化定标数据处理流程，显著提升了定标过程的自动化水平。显著提升了定标过程的自动化水平。显著提升了定标过程的自动化水平。


技术研发人员：陈琰 肖倩 汪红强 魏晓珂 石江红 褚子清
受保护的技术使用者：航天恒星科技有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/15