基于低空成像信息的热红外成像仿真研究

提出了一种由低空飞行获取的以红外图像为数据源的中远红外仿真方法。首先通过大气辐射传输模型计算出测量条件下的程辐射和大气透过率,反演出地面温度,然后再由大气传输模型计算出仿真条件下的程辐射和大气透过率,并仿真卫星高度下的红外图像。以飞艇为平台,并搭载中远红外成像系统进行飞行,对获取的数据进行仿真模拟。试验结果表明,这种利用大气辐射传输模型和基于低空成像信息的遥感图像仿真方法可以用于模拟相同地区相同波段范围的卫星图像。     

零视距地物长波红外特征场景仿真研究

为仿真地物长波红外场景图像,根据地表温度随时间变化的规律,并结合气象状况、背景材质、热特性参量、热状态等参数,在对太阳辐射、大气长波辐射、大气温度和地表热传导等影响地表温度变化的因素进行分析的基础上,建立了基于热平衡理论和热传导过程的方程。解算出多种常见地表一日之中的温度变化情况,并将其应用于由相同景物可见光纹理图像反演出的相应红外纹理图像中。在考虑景物表面自身发射、反射的辐射计算模型的前提下,生成了具有相似红外纹理细节的地表红外场景。结果表明,该方法可生成接近真实感的红外场景,有效地模拟仿真地物的长波红外特征。     

QuickBird数字遥感图像光谱辐射定标

通过高分辨率的QuickBird数字遥感图像辐射定标的基础工作,包括数字图像的物理属性、数字图像的数学基础及注记、图像数据格式等,利用洪河幅QuickBird数字遥感图像记录的来自地气系统的光谱辐射亮度信息,提出辐射定标的计算方法。运用像元DN值转换为波段积分辐射亮度,然后再计算光谱辐射亮度,该辐射定标后的QuickBird图像体现了各种地物的光谱特征的定量信息,QuickBird图像只有经过定标才能与其他传感器图像定量比较分析,从而使反演图像具有应用价值。其意义是为下一步对所需要的专题信息提取进行的图像融合和增强处理提供重要的基础条件,为遥感图像的反演提供了地物光谱信息,这样把对地物波谱特征的研究与建立遥感应用模型结合起来,从而达到对地物定量分析的目的。     

新一代高分辨率卫星遥感器全色波段展宽研究

遥感器的研制任务中,工作波段的选择对于目标探测与识别至关重要。文章利用MODTRAN4模型模拟将卫星光学遥感器的工作波段从0.50～0.85 μm展宽到0.45～0.90 μm所引起的大气效应和成像质量的变化。实验结果表明,波段展宽后虽然会引起大气透过率、路径程辐射、邻近效应等不利因素的稍微增加,但是相对于入瞳辐亮度、目标-背景对比度以及模拟图像的质量的提高几乎可以忽略。总的来说,0.45～0.90 μm的波段设置优于0.50～0.85 μm,在已发射高分辨率卫星遥感器中得到更广泛的应用。     

起伏地形的高光谱遥感地气耦合辐射建模研究

邻近效应会影响高光谱遥感的定量化应用,而地气耦合辐射是邻近效应的重要组成部分。高光谱遥感数据多受地形背光和阴影的影响,不利于描述地物的光谱特性,并且地形的相互遮蔽使得辐射在大气、地表之间的耦合过程变得更加复杂。为了满足高光谱数据模拟快速性的要求,在深入分析辐射传输过程的基础上,利用邻近地物和目标地物的相对方位以及局地地形特征描述背景等效反射率,计算地气耦合辐射对传感器入瞳辐亮度的贡献,从而在起伏地形下实现了精确的地气耦合辐射建模。将此建模方法应用于高光谱遥感成像仿真,通过对实测图像的模拟,验证模型的有效性。结果表明,模拟图像与实测图像在视觉效果上具有较好的一致性;在地形起伏区域,仿真中采用改进后的地气耦合模型可提高模拟图像与实测图像的光谱相似度,同时在地形平坦区域保持了较高的仿真精度。     

大气传输特性对目标与背景红外辐射特性的影响

本文对影响大气红外辐射透过率和大气自身的红外辐射因素及计算方法进行了讨论，利用大气传输特性分析软件－LOWTRAN7分析计算了大气红外辐射的透过率和大气自身的红外辐射，并讨论了大气辐射与吸收对目标与背景红外辐射特性的影响，对利用理论模型得到的目标与背景红外辐射图像进行了修正，获得了比较接近实际的红外模拟热图像。     

基于强度图像和地物偏振反射率数据的光学遥感偏振成像仿真分析

为获得满足偏振成像探测器的研制所需的偏振成像样本,并解决现有偏振遥感仿真分析中普遍缺乏实测数据支持的问题,提出了一种基于强度图像和实测地物偏振反射率数据的偏振成像仿真方法,介绍了其实现过程,并且得到了不同大气几何条件下的卫星高度偏振仿真图像。通过与强度仿真图像定量的对比表明,偏振成像对比度受大气能见度的影响较弱,在低能见度及后向散射条件下或者某些特定方向上优势更为突出。偏振成像的清晰度对观测方向较为敏感这一属性可以指导选择特定的方向进行偏振探测,并最终提升雾霾条件下偏振成像对地遥感的目标识别能力。     

基于反射点源的高分辨率光学卫星传感器在轨调制传递函数检测

调制传递函数(MTF)可用来评估高分辨率光学卫星传感器像质,在轨MTF检测对于高分辨率卫星遥感数据的应用和未来卫星遥感器的发展具有重要意义。提出一种基于反射点源的直接检测方法,利用遥感影像数据计算得到成像系统的点扩展函数(PSF),进而获取系统的MTF值。根据成像关系和点光源图像数据,并利用非线性方程优化求解的方式得到被测光学卫星传感器成像系统的一维线扩展函数值,进而验证了可近似用高斯模型来表征高分辨率光学卫星传感器的PSF。实验结果表明,基于反射点源的光学卫星传感器在轨MTF检测结果与基于刃边靶标的在轨MTF检测结果的差异小于5%,能够实现高分辨率光学卫星传感器的在轨MTF检测。     

中国遥感卫星辐射校正场陆表热红外发射率光谱野外测量

中国遥感卫星辐射校正场陆表发射率光谱是利用陆表场地进行遥感器红外通道绝对辐射定标的关键因子之一。基于光谱平滑的温度与发射率分离反演迭代算法,利用高精度的BOMEM MR154傅里叶变换红外光谱仪和红外标准板,对敦煌戈壁陆表发射率光谱进行测量。获得了不同时间和地点测量的陆表发射率光谱数据,并与利用CE312通道式红外辐射计在相同区域的测量结果进行比较分析。结果表明各个通道发射率的差别均在0.012以内,具有较好的一致性。利用该发射率光谱测量结果,可以在敦煌戈壁——中国遥感卫星辐射校正陆面场,对目前国内外主流的遥感卫星热红外通道进行在轨场地绝对辐射定标。     

中红外大气辐射传输解析模型及遥感成像模拟

为了建立完整的星载高分辨率中红外成像模拟系统,并为航天器载荷设计等相关工作提供有力参考,需要对大气辐射传输这一环节进行重点考虑,设计出切实可行,精度较高的大气辐射传输数值成像模拟方法。针对中红外大气辐射传输具有大气散射和自身发射的特性,将整个大气辐射传输过程进行了合理分解,并利用MODTRAN4对各辐射分量进行求解,以查找表方式实现了大气辐射传输成像模拟。此外,针对大气散射导致的邻近效应进行了分析,将原有PSF模型扩展至中红外波段,并与大气辐射传输解析模型相互耦合共同完成模拟成像。最后对模型进行了初步验证和成像模拟,结果表明：模型具有较好的模拟精度,通过给定观测几何和大气条件,并根据地表输入的温度和发射率等,实现逐像元的大气辐射传输计算。     

基于高光谱辐亮度图像进行目标探测的大气状态影响分析

基于高光谱辐亮度图像直接进行目标探测可以提高数据处理效率,满足实时处理的要求。然而遥感器所获取的辐亮度光谱信息会受到大气的影响。通过对高光谱成像过程的模拟,分析大气状态变化对辐亮度图像中目标探测性能的影响。研究结果表明：高光谱辐亮度图像可以直接用于目标探测,不同的大气状态对RXD异常探测影响很小,而MF探测则受输入光谱准确度的影响,待检测目标的辐亮度光谱要求与辐亮度图像获取时的大气状态一致,才有良好的效果。     

Method of Calculating the Radiance of Point-Source Target in Infrared Image

In traditional method of obtaining the radiance of target in infrared image, a target is often considered as an extended source. In that way, we only need the atmosphere transmittance, path radiance, and target apparent temperature to calculate the blackbody equivalent temperature of the target. However, in real infrared system imaging process, the target may be so far from the sensor that the target should be taken as a point source. In that case, the traditional data analysis method is not applicable anymore. A new method of calculating the radiance of small target is presented, which is based on the infrared system imaging theory. And the parameter needed to be input in this method is easily obtained. This method is tested by three different imaging systems. They are Thermal Vision AGEMA 900, AGEMA 1000, and Airborne Surveillance Pod Imaging System. The method is programmed into software, IRIDAS (Infrared Radiation Image Data Analysis Software) version 1.0. This software includes infrared imaging system calibration, atmosphere modification calculation, target and background selection and radiance calculation. This method can be used in infrared data anaylsis, infrared system evaluation and testing, target and background characteristics obtaining.     

星载可见光相机成像仿真建模研究

针对星载可见光相机成像模拟在逼真度和灵活性方面的综合仿真应用需求,研究并提出了一种以三维场景为基础,以光线追踪技术为主要渲染核心,综合考虑卫星轨道和姿态、光照条件、物体光谱特性和周边环境、大气传输、遥感器成像性能等影响因素的全光路成像模拟技术的仿真模型.文中首先从完备性及可扩展性的角度尝试建立了成像仿真系统的综合模型框架,对整个成像链中的各个重要环节进行分层及模块化,并结合目前现有三维技术、光线追踪技术、传感器仿真技术的特点设计各模块之间的调用及接口关系,使其能在较好利用现有计算模型的同时能够对新的算法模型实现有效兼容.随后讨论了模型目前使用的镜头前辐亮度计算模块、光线路径计算模块和传感器效果仿真模块,并针对简单空间探测场景用C++编程语言实现了系统框架和关键模型,生成模拟图像,结果证明该模型在深空光照及大气效果方面有较好的表现,具备较高的仿真度和良好的适应性、扩展性,能够有效支撑卫星光学成像系统的指标论证、算法评估以及效能预估等应用.     

自校准多通道红外辐射计的设计与性能测试

为满足遥感器热红外波段自动化观测定标的需求,研制了具有自动化观测能力的自校准多通道红外辐射计。该设备需具有以下特色功能:1）采用电机驱动镀金反射镜的设计,实现0°～90°仰角的大气下行辐射和地表辐亮度的测量,为消除大气下行辐射对反演地表温度的影响提供了技术手段;2）采用滤光轮分光的方法实现了6个光谱通道的自动设置,结合多通道温度与发射率分离算法可以实现场地温度与发射率的分离,为卫星遥感器热红外波段绝对辐射定标提供了2个关键因子;3）采用内置2个控温精度分别优于0.04 K和0.05 K、发射率均高于0.994,稳定性均优于0.0014的黑体实现内部探测器的实时辐射定标,有效地消除了内部背景辐射对辐射测量的影响,定标不确定度小于0.167%。等效测温不确定度为0.2 K（@303 K, 11 μm）,为遥感器热红外波段场地自动化定标应用的开展奠定了基础。     

基于青海湖辐射校正场的FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外波段在轨辐射定标

2018年8月在青海湖辐射校正场开展了针对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道的在轨绝对辐射定标试验.采用走航式测量的方式获取了青海湖水表光谱辐亮度数据,结合探空数据,并基于辐射传输模型计算出卫星过境时刻的入瞳辐亮度和亮温,实现了对FY3D/MERSI-Ⅱ卫星遥感器热红外通道24(10.26~11.26μm)和通道25(11.50~12.50μm)的在轨辐射定标.利用国际公认精度的AQUA/MODIS和NPP/VⅡRS卫星遥感器对在轨辐射定标方法进行精度评估,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.0K,表明基于青海湖辐射定标场的在轨辐射定标方法具有较好的定标精度,获得的定标结果合理可靠.将利用青海湖进行的在轨定标结果与星上定标结果进行比较,在10.26~11.26μm和11.50~12.50μm波段范围,通道亮温的平均偏差分别小于0.5K和1.25K,表明FY3D/MERSI-Ⅱ在轨运行稳定.本次试验检验了FY3D/MERSI-Ⅱ星上定标结果,也为FY3D/MERSI-Ⅱ遥感数据的定量化应用提供了保障.     

ETM图像地物反射率光谱反演

用搭载在卫星Landsat-7上的多光谱成像仪ETM记录的来自地气系统的辐亮度光谱图像,反演地物反射率光谱,在ETM 1波段,反射率反演的不确定度基本上保证在17%以内,2,3波段在10%以内,优于目前常用的简易算法。用反演的地物辐亮度光谱合成的sRGB真彩色图像,清晰度欠佳,未作经验调整时明显偏色,用于航天对地真彩色摄影这一反演精度还不够,但用于目视判读明显优于原图像。     

高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨辐射定标

辐射定标是卫星遥感信息定量化的关键技术之一。高分辨率光学遥感卫星小目标法在轨定标将目标反射率的现场测量转换为实验室高精度测量,以实际测量代替气溶胶散射特性假设,通过简化辐射传输计算获取大气透过率与遥感器入瞳辐亮度,根据遥感器系统PSF检测结果将小目标的辐射响应与背景辐射相分离,降低对场区背景环境要求的同时提高了绝对辐射定标精度。试验结果分析表明,高分辨率光学遥感卫星传感器小目标法在轨辐射定标不确定度优于3%,与大面积辐射校正场或灰阶靶标法的定标结果差异3.65%,小目标法有望在全谱段范围实现高分辨率光学遥感卫星传感器的全动态范围定标与几何检校。     

空间遥感仪器探测器工作温度对信噪比的影响分析

临边观测是一种新的空间大气遥感探测方式,但大气散射光谱辐射随临边高度的增加而迅速减弱。所以信噪比是临边遥感仪器的关键性能指标。在深入分析典型仪器信号光谱辐射传输特性和噪声来源的基础上建立了随探测器制冷温度变化的信噪比模型,并在一台临边遥感光谱仪原理样机上模拟试验验证了空间环境下临边高度70km处的信噪比,理论分析和实验结果一致表明:探测器制冷到一定温度时,仪器的信噪比达到了一个极限值。在综合考虑功耗、散热等问题的基础上获得了探测器的最优工作温度。