本文關鍵詞：天基紅外相機大氣背景測量數(shù)據(jù)處理與圖像仿真技術研究

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【摘要】：大氣是天基光學遙感鏈路上的重要環(huán)節(jié),對大氣輻射特性的認知程度直接影響到光電探測系統(tǒng)的設計與評估水平,進而影響到探測數(shù)據(jù)的信息質(zhì)量與有效性,是探測/遙感任務成功執(zhí)行的前提;另一方面,從大氣的光譜輻射特性中可以反演出地球系統(tǒng)在廣域時空范圍內(nèi)的物性狀態(tài)變化信息,是研究地球科學的重要手段。目前,實測積累與數(shù)字仿真是提高對大氣背景認識水平的兩種最有效手段。本文以我國首顆紅外大氣背景遙感衛(wèi)星的業(yè)務需求為應用背景,立足于測量數(shù)據(jù)的定量化處理與后期應用,對紅外大氣背景圖像數(shù)據(jù)的處理技術與仿真方法開展了深入系統(tǒng)的研究,在數(shù)據(jù)處理方面的研究成果已經(jīng)應用于該衛(wèi)星的地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),而在云層圖像仿真方面建立的模型與形成的方法可以為我國天基紅外成像探測系統(tǒng)的指標論證、性能評估以及大氣的物性參數(shù)反演等工作提供理論與數(shù)據(jù)支持。論文的研究工作從以下五個方面開展:在總體技術研究方面,闡述了我國大氣背景遙感衛(wèi)星紅外相機的工作原理、測量模式與系統(tǒng)組成;在此基礎上,根據(jù)相機的測量任務與實際工況,將輻射定標和幾何信息解算作為測量數(shù)據(jù)處理中的核心內(nèi)容,并設計了研究方案;結(jié)合實測圖像數(shù)據(jù)與實際應用需求,分別提出了基于大氣背景輻射亮度圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性和基于場景建模與輻射傳輸?shù)脑茖訄D像仿真方案。在測量數(shù)據(jù)的輻射定標處理技術方面,從紅外相機測量對象的輻射特性出發(fā),給出了紅外相機的輻射定標原理與黑體選擇依據(jù),并對地面定標試驗方法與結(jié)果進行了描述;根據(jù)在軌定標試驗制定了數(shù)據(jù)處理流程,結(jié)合實際下傳數(shù)據(jù),總結(jié)出三類無效數(shù)據(jù)的特征與相應剔除方法;分析了相機在軌響應衰減現(xiàn)象,建立了具有一定物理意義的相機響應衰減模型;在此基礎上,提出了相機內(nèi)部污染容限的判斷準則與定標系數(shù)的估計方法。在測量數(shù)據(jù)的幾何信息處理技術方面,根據(jù)相機的實際觀測模式與測量對象,將拍攝圖像分類為地球背景、臨邊背景與空間背景;分析了不同類型背景所關注的幾何信息差異,設計了不同的幾何解算內(nèi)容,并給出了相應的計算方法;利用衛(wèi)星實際下傳的姿軌等數(shù)據(jù),將幾何解算結(jié)果與STK進行了比對,驗證了計算模型的正確性,同時給出了實測圖像幾何解算結(jié)果的應用舉例。在實測大氣背景輻射亮度數(shù)據(jù)統(tǒng)計特性分析與仿真應用方面,分析了紅外短波實測圖像的輻射亮度分布與功率譜密度統(tǒng)計特性,在此基礎上,論證了利用分形理論進行云層仿真的可行性與合理性;引入二維多尺度疊加分形算法構(gòu)造云層圖像的紋理結(jié)構(gòu);通過數(shù)值實驗,研究了分形算法控制參數(shù)與生成圖像統(tǒng)計特征之間的關系,對算法的參數(shù)估計問題進行了探討;基于紅外相機實測云層圖像,驗證了仿真方法的有效性和可用性。在基于三維場景建模與輻射傳輸?shù)脑茖訄D像仿真方面,使用三維多尺度疊加分形算法構(gòu)造云層的空間含水量分布;給出了球形粒子與隨機取向的非球形粒子的單次散射特性計算方法;重點對水平取向平板粒子的鏡向散射相函數(shù)進行了建模研究,并利用T矩陣與Monte-Carlo法進行了模型驗證;根據(jù)云層和大氣的光學特性,建立了適用于吸收波段的三維輻射傳輸模型與相關k分布參數(shù)優(yōu)化方法,并使用球諧離散坐標法對計算精度進行了驗證;最后,利用上述仿真體系對不同結(jié)構(gòu)、不同高度、不同散射特性的三維云層進行了仿真應用。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V443.5;TP751
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本文編號：1285399