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天基红外相机大气背景测量数据处理与图像仿真技术研究

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作者:
张寅
导师:
丛明煜,王治乐
学科专业:
光学工程 
文献出处:
哈尔滨工业大学 2016年
关键词:
大气辐射定量遥感论文  天基红外测量相机论文  辐射定标论文  云层辐射亮度图像仿真论文  镜向散射相函数论文  相关分布论文  

摘要:大气是天基光学遥感链路上的重要环节,对大气辐射特性的认知程度直接影响到光电探测系统的设计与评估水平,进而影响到探测数据的信息质量与有效性,是探测/遥感任务成功执行的前提;另一方面,从大气的光谱辐射特性中可以反演出地球系统在广域时空范围内的物性状态变化信息,是研究地球科学的重要手段。目前,实测积累与数字仿真是提高对大气背景认识水平的两种最有效手段。本文以我国首颗红外大气背景遥感卫星的业务需求为应用背景,立足于测量数据的定量化处理与后期应用,对红外大气背景图像数据的处理技术与仿真方法开展了深入系统的研究,在数据处理方面的研究成果已经应用于该卫星的地面数据处理系统,而在云层图像仿真方面建立的模型与形成的方法可以为我国天基红外成像探测系统的指标论证、性能评估以及大气的物性参数反演等工作提供理论与数据支持。论文的研究工作从以下五个方面开展:在总体技术研究方面,阐述了我国大气背景遥感卫星红外相机的工作原理、测量模式与系统组成;在此基础上,根据相机的测量任务与实际工况,将辐射定标和几何信息解算作为测量数据处理中的核心内容,并设计了研究方案;结合实测图像数据与实际应用需求,分别提出了基于大气背景辐射亮度图像数据统计特性和基于场景建模与辐射传输的云层图像仿真方案。在测量数据的辐射定标处理技术方面,从红外相机测量对象的辐射特性出发,给出了红外相机的辐射定标原理与黑体选择依据,并对地面定标试验方法与结果进行了描述;根据在轨定标试验制定了数据处理流程,结合实际下传数据,总结出三类无效数据的特征与相应剔除方法;分析了相机在轨响应衰减现象,建立了具有一定物理意义的相机响应衰减模型;在此基础上,提出了相机内部污染容限的判断准则与定标系数的估计方法。在测量数据的几何信息处理技术方面,根据相机的实际观测模式与测量对象,将拍摄图像分类为地球背景、临边背景与空间背景;分析了不同类型背景所关注的几何信息差异,设计了不同的几何解算内容,并给出了相应的计算方法;利用卫星实际下传的姿轨等数据,将几何解算结果与STK进行了比对,验证了计算模型的正确性,同时给出了实测图像几何解算结果的应用举例。在实测大气背景辐射亮度数据统计特性分析与仿真应用方面,分析了红外短波实测图像的辐射亮度分布与功率谱密度统计特性,在此基础上,论证了利用分形理论进行云层仿真的可行性与合理性;引入二维多尺度叠加分形算法构造云层图像的纹理结构;通过数值实验,研究了分形算法控制参数与生成图像统计特征之间的关系,对算法的参数估计问题进行了探讨;基于红外相机实测云层图像,验证了仿真方法的有效性和可用性。在基于三维场景建模与辐射传输的云层图像仿真方面,使用三维多尺度叠加分形算法构造云层的空间含水量分布;给出了球形粒子与随机取向的非球形粒子的单次散射特性计算方法;重点对水平取向平板粒子的镜向散射相函数进行了建模研究,并利用T矩阵与Monte-Carlo法进行了模型验证;根据云层和大气的光学特性,建立了适用于吸收波段的三维辐射传输模型与相关k分布参数优化方法,并使用球谐离散坐标法对计算精度进行了验证;最后,利用上述仿真体系对不同结构、不同高度、不同散射特性的三维云层进行了仿真应用。

摘要

Abstract

主要符号表

主要缩略语表

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 大气背景红外定量遥感卫星

1.2.2 定量遥感数据产品的基本处理方法

1.2.3 大气背景红外图像仿真技术

1.2.4 大气场景建模与辐射传输计算

1.2.5 存在的主要问题

1.3 本文的主要研究内容

第2章 数据处理与图像仿真总体技术研究

2.1 天基红外测量相机工作原理与组成

2.1.1 工作原理

2.1.2 观测模式

2.1.3 系统组成

2.2 测量数据处理总体技术

2.2.1 辐射定标处理

2.2.2 几何信息解算

2.3 大气背景图像统计特性分析与仿真应用总体技术

2.4 基于场景建模与辐射传输的图像仿真总体技术

2.4.1 云层空间结构建模

2.4.2 云层单次散射特性

2.4.3 大气场景成像辐射传输

2.5 本章小结

第3章 红外相机在轨辐射定标数据处理技术

3.1 引言

3.2 辐射定标原理

3.3 地面辐射定标

3.4 在轨辐射定标

3.4.1 在轨辐射定标试验与数据处理流程

3.4.2 异常定标数据分类及剔除方法

3.4.3 辐射标定结果

3.5 空间污染条件下相机的响应衰减模型及其应用

3.5.1 测量相机响应衰减现象与成因分析

3.5.2 测量相机响应衰减建模

3.5.3 污染容限判断准则

3.5.4 辐射定标系数估计方法

3.6 本章小结

第4章 红外相机测量图像观测几何信息解算技术

4.1 引言

4.2 地球背景测量图像观测几何信息解算

4.2.1 观测区域地理定位

4.2.2 观测区域光照条件解算

4.3 临边测量图像观测几何信息解算

4.3.1 临边观测几何

4.3.2 计算结果验证与应用

4.4 空间背景测量图像观测几何信息解算

4.4.1 视线赤经赤纬定位坐标系统建模

4.4.2 计算结果验证与应用

4.5 本章小结

第5章 红外相机大气背景图像统计特性分析与仿真应用

5.1 引言

5.2 红外吸收波段云层辐射特性分析

5.3 红外相机云层辐射亮度图像统计特性分析

5.3.1 实测云层图像的功率谱密度

5.3.2 实测云层图像的辐射亮度分布

5.4 基于多尺度叠加算法的云层辐射亮度图像仿真建模

5.4.1 多尺度叠加分形算法

5.4.2 算法参数与图像统计特征关系分析

5.5 模型的参数估计与验证

5.6 本章小结

第6章 基于场景建模与辐射传输的云层图像仿真

6.1 引言

6.2 三维云层空间结构建模

6.2.1 云层粒子的微观物理结构

6.2.2 基于RSA算法的三维云层结构建模

6.3 云层粒子散射特性计算

6.3.1 辐射传输计算中的散射理论

6.3.2 球形粒子米氏散射

6.3.3 随机取向非球形粒子的散射特性计算方法

6.3.4 水平取向冰云粒子镜向散射相函数建模

6.4 三维有云大气辐射传输建模

6.4.1 三维有云大气有限元模型

6.4.2 三维有云大气辐射传输计算

6.4.3 红外吸收波段辐射场快速解算方法

6.4.4 天基探测器像面辐射亮度计算

6.4.5 模型精度验证与性能分析

6.5 波段辐射传输计算中的相关k分布方法

6.5.1 相关k分布原理

6.5.2 吸收波段相关k分布参数优选算法

6.5.3 算法性能分析

6.6 云层辐射亮度图像仿真实例

6.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢

个人简历