星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法技术

本发明专利技术提供了一种星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法，包括：求解仪器不同旋转扫描角下的最外端指向探测目标的视向量簇，将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体系的X指向角、Y指向角，定义视向量关于角度变形的敏感度为：实际中心视向量与标称中心视向量之间的夹角偏差和角度变形量的比值，计算角度变形敏感度随旋转扫描角的变化，以角度变形敏感度曲线表征角度变形对视向量指向的影响。本发明专利技术所提出的方法适用于含有平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面等多种组件的微波遥感仪器，可用以定量分析微波遥感仪器各光路组件角度变形对视向量的影响。

Analytical Method of Angle Deformation of Spaceborne Microwave Remote Sensing Instrument on Visual Vector

The present invention provides an analysis method for the influence of the angle distortion of the spaceborne microwave remote sensing instrument on the visual vector, which includes: solving the cluster of the outermost visual vectors pointing to the detected target at different rotating scanning angles of the instrument, transforming the cluster of visual vectors into the satellite ontology, calculating the X and Y direction angles of the cluster of visual vectors in the satellite ontology, and defining the sensitivity of the visual vector to the angle distortion as follows: The ratio of angular deviation and angular deformation between the actual and the nominal central visual vectors is calculated. The angular deformation sensitivity changes with the rotation scanning angle, and the angular deformation sensitivity curve is used to characterize the effect of angular deformation on the direction of the visual vector. The method can be applied to microwave remote sensing instrument which contains many components, such as plane reflector, rotating parabolic reflector, rotating hyperboloid reflector and so on. It can be used to quantitatively analyze the effect of the angle distortion of each optical path component of microwave remote sensing instrument on the visual vector.

【技术实现步骤摘要】
星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法
本专利技术涉及遥感仪器变形对观测视向量的影响分析方法，具体地，涉及一种星载微波遥感仪器光路组件角度变形对视向量的影响分析方法。
技术介绍
图像导航配准是影响气象卫星遥感图像产品质量的关键指标，直接反映了遥感图像信息与目标之间的空间对应关系。对气象卫星业务图像产品定位的定量应用有着重要作用，如对区域复杂情况的精确定位，准确跟踪恶劣天气以及生成云图动画等。卫星平台姿态指向、轨道定点位置和热环境、力学环境存在长周期和短周期变化，使得仪器视线偏离标称方向，导致图像像素与地理位置的对应关系产生偏差。卫星平台的姿态指向变化可由星上姿态敏感器精确测量后进行补偿或校正；轨道定点位置变化可由地面站测定后进行补偿或校正。而热环境、力学环境等因素引起的卫星平台、仪器在轨变形机理复杂，难以直接精确测量每个部件的变形，且不同组件变形对图像的影响各不相同。因此各国遥感卫星制造商均针对遥感仪器的成像特性设计相应的补偿方案，如美国的GOES系列、俄罗斯的Electro-L、日本的Himawari-8、欧洲的MTG中国的风云四号气象卫星。但是，上述卫星有效载荷中均没有微波遥感仪器。作为我国乃至全球未来气象预报体系的重要组成部分，我国率先部署静止轨道微波遥感卫星。其中微波探测仪是主载荷。由于静止轨道微波探测频段向高频扩展，为满足空间分辨率要求，其天线反射面口径远大于常规天线口径，受限于火箭整流罩尺寸，需要将天线先折叠起来，入轨后再展开完成部署。展开动作可能造成微波各反射面的相对角度和位置偏离标称值。其次，卫星在轨运行时，展开机构的挠性振动导致反射面的角度和位置偏离标称值。与光学遥感卫星不同的是，微波遥感天线反射面不仅由平面反射面还由曲面反射面构成。平面反射面的位移不改变光路反射方向，因此光学遥感星不需要对反射面位移误差建模。而曲面反射面位移直接导致光路方向变化，进而改变对地观测视向量指向，因此在微波遥感卫星光路建模中，不可忽略反射面位移误差。最后，相比于光学遥感卫星，微波遥感卫星反射面数量更多，视向量需要经过多重反射后才进入成像系统。综上各种因素可知，当前的考虑仪器变形的卫星图像定位配准研究的研究对象多为光学遥感仪器。而微波遥感仪器比光学遥感仪器的光路建模更加复杂，具有一定特殊性。为实现微波遥感仪器的高精度图像定位，有必要针对微波遥感仪器的结构特性，分析光路组件角度变形对对地观测视向量的影响模式和大小。经检索：J.L.Fiorello等人编写的NOAA研究报告(1989年，编号N90-13422)介绍了图像定位配准概念和原理，提出了通过光学仪器观测恒星获取仪器变形参数的方法，但该方法不适用于微波遥感仪器。吕旺的博士学位论文《静止气象卫星成像导航配准研究》(2017年)以风云四号辐射成像仪作为研究对象，进行了图像导航配准研究。针对由热环境、应力等因素引起的遥感仪器在轨变形问题，提出双模型建模方法。用物理模型详细描述机械变形对视向量的影响，用等效模型作为补偿算法。但该方法仅对带平面镜扫描反射成像的光学遥感仪器有效。专利号CN104764443A的专利技术专利《一种光学遥感卫星严密成像几何模型构建方法》介绍了一种利用卫星相机内外方位元素构建光学遥感卫星影像的的严密成像几何模型的方法。但该方法不适用于微波遥感仪器。张过、祝彦敏、费文波、李德仁在《测绘通报》第五期(2009年)的文章《高分辨SAR-GEC影像严密成像几何模型及其应用研究》中，提出了构建SAR影像GEC产品严密成像几何模型的方法。但是该方法简化了仪器内部畸变的建模，无法充分描述扫描式微波成像仪器的变形。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法。根据本专利技术提供的一种星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法，包括如下任一个或任多个步骤：将仪器的光路模型中的参数分为：角度变形参数、旋转扫描角以及结构参数；对于各个旋转扫描角，令待分析的角度变形参数和结构参数，代入光路模型，求解当前旋转扫描角下的仪器指向探测目标的视向量簇在卫星本体系的投影，其中，结构参数为零；计算视向量簇的X指向角和Y指向角，用以表征视向量簇在卫星本体系的指向；将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体的X指向角和Y指向角；计算关于角度变形参数的X指向角敏感度、Y指向角敏感度随旋转扫描角的变化曲线；计算统计波束和标称波束的交集面积、并集面积，解算聚散度随旋转扫描角的变化曲线。优选地，所述光路模型输出仪器指向探测目标的视向量簇；所述仪器指向探测目标的视向量簇，是指从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视向量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后，最终从主反射面出射的视线单位向量的集合。优选地，所述X指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系YZ面投影向量的夹角，令视向量沿+X轴方向时，X指向角为正；所述Y指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系XZ面投影向量的夹角，视向量沿+Y轴方向时，Y指向角为正；计算公式如下所示：其中，表示X指向角，θ表示Y指向角其中，表示X指向角，θ表示Y指向角，X1表示矢量X在卫星本体系x轴的投影，X2表示矢量X在卫星本体系y轴的投影，X3表示矢量X在卫星本体系z轴的投影，{·}表示集合。优选地，定义视向量关于角度变形的敏感度为实际中心视向量与标称中心视向量之间的Y指向角偏差与角度变形量的比值，或者是X指向角偏差与角度变形量的比值，以角度变形敏感度随旋转扫描角的变化曲线表征角度变形对视向量指向的影响：其中，α表示扫描角；Δβ表示反射面的角度变形量；Φ()表示X指向角敏感度；Θ()表示Y指向角敏感度；分别表示变形后的X指向角、变形前的X指向角；表示变形前后X指向角的变化量；θ()、分别表示变形后的Y指向角、变形前的Y指向角；Δθ()表示变形前后Y指向角的变化量。优选地，定义聚散度V(α)为实际波束与标称波束之间的足迹面积交集与足迹面积并集之比，以聚散度随旋转扫描角的变化曲线表征角度变形对微波能量聚焦程度的影响：s(α)表示实际波束的足迹面积；表示标称波束的足迹面积。sI(α)表示实际波束与标称波束的足迹面积交集，sJ(α)表示实际波束与标称波束的足迹面积并集。根据本专利技术提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法的步骤。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术提供的星载微波遥感仪器角度变形对视向量的影响分析方法，其所建立的光路模型适用于含有曲面反射面、平面反射面以及旋转扫描机构等多种组件的星载微波遥感仪器。可定量分析星载微波遥感仪器上述任意光路组件角度变形的对视向量的影响。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为星载微波遥感仪器光路建模方法的流程图。图2为馈源出射波束、中心出射视线示意图。图3为某星载微波遥感仪器内部光路示意图。图4为视向量的X指向角、Y指向角示意图。图5为某星载微波遥感仪器存在某角度变形时的波束在卫星本体系的指向示意图。图6为某星载微波遥感仪器对地观测视向量关于某角度变形量的X指向角敏感度曲线和Y指向角敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，包括如下任一个或任多个步骤：将仪器的光路模型中的参数分为：角度变形参数、旋转扫描角以及结构参数；对于各个旋转扫描角，令待分析的角度变形参数和结构参数，代入光路模型，求解当前旋转扫描角下的仪器指向探测目标的视向量簇在卫星本体系的投影，其中，结构参数为零；计算视向量簇的X指向角和Y指向角，用以表征视向量簇在卫星本体系的指向；将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体的X指向角和Y指向角；计算关于角度变形参数的X指向角敏感度、Y指向角敏感度随旋转扫描角的变化曲线；计算统计波束和标称波束的交集面积、并集面积，解算聚散度随旋转扫描角的变化曲线。

【技术特征摘要】
1.一种星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，包括如下任一个或任多个步骤：将仪器的光路模型中的参数分为：角度变形参数、旋转扫描角以及结构参数；对于各个旋转扫描角，令待分析的角度变形参数和结构参数，代入光路模型，求解当前旋转扫描角下的仪器指向探测目标的视向量簇在卫星本体系的投影，其中，结构参数为零；计算视向量簇的X指向角和Y指向角，用以表征视向量簇在卫星本体系的指向；将视向量簇转换到卫星本体系下，计算视向量簇在卫星本体的X指向角和Y指向角；计算关于角度变形参数的X指向角敏感度、Y指向角敏感度随旋转扫描角的变化曲线；计算统计波束和标称波束的交集面积、并集面积，解算聚散度随旋转扫描角的变化曲线。2.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，所述光路模型输出仪器指向探测目标的视向量簇；所述仪器指向探测目标的视向量簇，是指从馈源出射波束-3dB包络渐近面上等间隔的波束边界视向量和波束中心视向量，经天线各反射面反射作用后，最终从主反射面出射的视线单位向量的集合。3.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器角度变形对视向量影响的分析方法，其特征在于，所述X指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系YZ面投影向量的夹角，令视向量沿+X轴方向时，X指向角为正；所述Y指向角，是卫星本体系+Z轴与视向量在卫星本体系XZ...

【专利技术属性】
技术研发人员：董瑶海，吕旺，刘华清，周徐斌，苏若斌，洪振强，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31