星载微波遥感仪器光路建模方法技术

本发明专利技术涉及一种遥感仪器建模技术领域的星载微波遥感仪器光路建模方法，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间投影的转换，然后通过各反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。本发明专利技术星载微波遥感仪器光路建模方法，适用于含有旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、平面反射面以及旋转轴系等多种机构的微波遥感仪器，所建立的模型可以描述星载微波遥感仪器中微波从馈源到地面之间的传播关系。

Optical Path Modeling Method of Spaceborne Microwave Remote Sensing Instrument

The invention relates to an optical path modeling method for space-borne microwave remote sensing instrument in the field of remote sensing instrument modeling technology. The independent components of microwave remote sensing instrument are divided into four categories: plane reflector, rotating parabolic reflector, rotating hyperboloid reflector and feed. According to the path sequence of line-of-sight reflection transmission, the line-of-sight state vector is realized by coordinate transformation matrix in the adjacent opposite direction. The projection transformation between the fixed coordinate systems of the radiation surface, and then the line-of-sight state vector is transformed by the state equation of each reflector to describe the reflection transmission of the light path. The light path modeling method of the space-borne microwave remote sensing instrument is suitable for the microwave remote sensing instrument with rotating parabolic reflector, rotating hyperboloid reflector, plane reflector and rotating shafting, etc. The established model can describe the propagation relationship of microwave from feed to ground in the space-borne microwave remote sensing instrument.

【技术实现步骤摘要】
星载微波遥感仪器光路建模方法
本专利技术涉及遥感仪器建模方法
，具体涉及一种星载微波遥感仪器光路建模方法。
技术介绍
随着对地观测遥感卫星图像的分辨率越来越高，其应用也越来越广泛和深入，对图像定位精度的要求也越来越高。遥感卫星图像定位的方法有很多，按其原理可以分为与遥感仪器成像模型无关的静态参数几何校正和基于遥感仪器成像模型的几何校正。在遥感卫星对地观测的初期，由于无法获取对地遥感仪器在成像瞬间的较高精度的位置、姿态等信息，无法建立共线方程等严密的传感器成像模型，因此大都采用与遥感仪器成像模型无关的静态参数几何校正。随着高精度定轨和定姿技术的发展，基于遥感仪器模型成像模型的几何校正方法逐渐成为高分辨率卫星图像产品生产的主要方法。与遥感仪器模型有关的几何校正方法的主要思想是：在遥感仪器的内方位元素(如光学相机的主距、主点位置、畸变参数)和外方位元素(星载仪器姿态、位置)信息已知的情况下，利用摄影视线与数字高程模型(DEM)相交获取对应的地面坐标，或采用立体模式的空间前方交会获取对应的地面坐标，从而实现卫星遥感影像对地定位。卫星严密成像几何模型的构建是基于遥感仪器成像模型的几何校正方案的核心。卫星平台姿态、轨道位置和热环境、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。卫星平台姿态、轨道变化均可精确测量后补偿或校正，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组件的变形，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光路特性设计相应的图像定位配准和补偿方案，包括美国的GOES系列卫星，俄罗斯的Electro-L，日本的Himawari-8，欧洲的第三代气象卫星MTG，我国的资源三号、FY-4等卫星。但是上述卫星基于遥感仪器成像模型的几何校正方案均是针对其光学遥感仪器，不适用于微波遥感仪器。我国将率先部署的静止轨道微波遥感卫星是全球未来气象预报体系的重要组成部分，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，需将天线折叠起来，入轨后再展开部署。展开动作可能造成各反射面的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，微波遥感天线兼有平面反射面和曲面反射面。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配准，首先需针对微波遥感仪器的结构特性建立光路模型。经对现有技术的检索，J.L.Fiorello等人编写的NOAA研究报告(0989年，编号N90-13422)介绍了图像导航定位概念和原理，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。李晓坤、王淦泉、陈桂林在《科学技术与工程》第7卷第6期(2007年3月)的文章《风云四号气象卫星扫描成像仪——可见光通道恒星敏感》中，介绍了风云四号卫星扫描成像仪通过恒星敏感解算仪器内部形变的方法。但该方法仅对光学遥感仪器有效。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。但是该方法对仪器内部畸变做了简化处理，无法充分描述扫描式微波成像仪器的变形。因此，有必要设计一种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轴系等多种机构、所建立的模型可以描述不同构型的星载微波遥感仪器中光路从馈源到主反射再到地面之间的传播关系的星载微波遥感仪器光路建模方法。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的是提供一种星载微波遥感仪器光路建模方法，本专利技术的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轴系等多种机构、所建立的模型可以描述不同构型的星载微波遥感仪器中光路从馈源到主反射再到地面之间的传播关系。本专利技术涉及一种星载微波遥感仪器光路建模方法，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间投影的转换，然后通过各反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。具体地，采用视线状态向量表征微波波束视线。进一步地，所述视线状态向量，视线状态向量X是7维向量，由视线在反射面的落点坐标[x,y,z]T、视线方向单位矢量[u,v,w]T和1构成：X＝[xyzuvw1]T依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵描述视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换。进一步地，所述坐标转换矩阵，a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，左乘视线状态向量X在a坐标系的投影Xa，再加上a坐标系原点在b坐标系的投影Ab，得到视线状态向量X在b坐标系的投影Xb：Xb＝TbaXa进一步地，所述a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，是6×6阶矩阵，形式如下：所述Rba表示a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵。具体地，通过各反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。进一步地，在当前反射面固连坐标系下，当前反射面的出射视线状态向量Xout等于当前反射面的状态转移矩阵M左乘当前反射面的入射视线状态向量Xin：Xout＝MXin进一步地，状态转移矩阵的表达式为：所述I3×3是单位矩阵，n＝[nx,ny,nz]T是视线落点处的反射面外法向单位矢量在反射面固连坐标系的投影。进一步地，所述k是入射视线单位方向矢量与出射视线落点坐标的耦合系数，表达式如下：当反射面为平面z＝0时：k＝-zin/win当反射面为旋转抛物面x2+y2+az＝0,a＜0时：当反射面为旋转双曲面x2+y2+az2＝0,z≤0,a＜0时：其中，k是入射视线单位方向矢量与出射视线落点坐标的耦合系数，本专利技术的星载微波遥感仪器光路建模方法，包括以下步骤：步骤1，将星载微波遥感仪器中的独立光路组件划分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四种类型；根据独立组件的类型，定义与独立组件固连的平面反射面固连坐标系、旋转抛物面反射面固连坐标系、旋转双曲面反射面固连坐标系、旋转轴系固连坐标系和馈源固连坐标系；所述平面反射面固连坐标系，坐标系原点取为反射面几何中心，z轴为平面正法向，x轴在平面内指向一特征方向，y轴由右手定则确本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间投影的转换，然后通过各反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。

【技术特征摘要】
1.一种星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，将微波遥感仪器的独立组件分为平面反射面、旋转抛物面反射面、旋转双曲面反射面、和馈源共四类独立组件，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵实现视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间投影的转换，然后通过各反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。2.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，采用视线状态向量表征微波波束视线。3.根据权利要求2所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，所述视线状态向量，视线状态向量X是7维向量，由视线在反射面的落点坐标[x,y,z]T、视线方向单位矢量[u,v,w]T和1构成：X＝[xyzuvw1]T，其中，X为视线状态向量。4.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，依据视线反射传输的路径顺序，通过坐标转换矩阵描述视线状态向量在相邻反射面固连坐标系之间的转换。5.根据权利要求4所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，所述坐标转换矩阵，a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，左乘视线状态向量X在a坐标系的投影Xa，再加上a坐标系原点在b坐标系的投影Ab，得到视线状态向量X在b坐标系的投影Xb：Xb＝TbaXa，a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，是6×6阶矩阵，形式如下：其中，Xa为左乘视线状态向量X在a坐标系的投影，Ab为a坐标系原点在b坐标系的投影，Xb为视线状态向量X在b坐标系的投影，Rba表示a坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵，Tba坐标系到b坐标系的坐标转换矩阵。6.根据权利要求1所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，通过各反射面的状态方程对视线状态向量做变换，以描述光路的反射传输。7.根据权利要求6所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，在当前反射面固连坐标系下，当前反射面的出射视线状态向量Xout等于当前反射面的状态转移矩阵M左乘当前反射面的入射视线状态向量Xin：Xout＝MXin其中，Xout为当前反射面的出射视线状态向量，M为当前反射面的状态转移矩阵，Xin为当前反射面的入射视线状态向量。8.根据权利要求7所述的星载微波遥感仪器光路建模方法，其特征在于，状态转移矩阵的表达式为：I3×3是单位矩阵，n＝[nx,ny,nz]T是视线落点处的反射面外法向单位矢量在反射面固连坐标系的投影，M为当前反射面的状态转移矩阵。9.根据权利要求8所述的星...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华清，吕旺，陆国平，周徐斌，朱振华，谢振超，
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