本發(fā)明屬于星載成像載荷在軌絕對輻射定標(biāo)領(lǐng)域，具體涉及一種星載可見光相機(jī)對月絕對輻射定標(biāo)方法和定標(biāo)裝置。

背景技術(shù)：

1、在遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用要求不斷增加的情況下，進(jìn)一步提高遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用精度的訴求已得到普遍認(rèn)可，遙感器輻射定標(biāo)的重要性逐漸受到廣泛共識，對輻射定標(biāo)精度的要求也隨之明顯。

2、傳統(tǒng)場地定標(biāo)方式局限性表現(xiàn)為：1）定標(biāo)場地數(shù)量不足且分布不均，難以適應(yīng)載荷的多樣性；2）現(xiàn)有場地輻射和光譜特性單一，難以兼顧多參數(shù)的在軌定標(biāo)要求；3）定標(biāo)場地面積不一，難以滿足不同視場尺度載荷的相對定標(biāo)要求；4）受限于大氣、地面景物特性等因素的影響，場地定標(biāo)精度難以滿足遙感數(shù)據(jù)定量應(yīng)用的需要。定標(biāo)精度很難提高。為避免地表和大氣對輻射定標(biāo)精度的影響，早期的星載定標(biāo)中采用內(nèi)置燈的方式，該種方法采用人工光源，但是存在非全光路和與太陽光譜分布差異大等缺點(diǎn)，影響了定標(biāo)精度。后期的星載定標(biāo)回歸到太陽本身，在軌漫反射板定標(biāo)是將一塊漫反射板搭載在衛(wèi)星上，放置在遙感器的前端，但是這種定標(biāo)方式中漫反射板只能供自身一個遙感器使用，一定程度上限制了定標(biāo)的精度，同時也無法實現(xiàn)遙感器間的數(shù)據(jù)交換。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是采用月球開展星載可見光相機(jī)的在軌絕對定標(biāo)。月球是除太陽之外我們能夠觀測到的最大最亮的光源，也是除太陽外視張角最大的地外目標(biāo)物，依靠反射太陽光可作為二次光源，利用月球?qū)πl(wèi)星進(jìn)行定標(biāo)具有很多其他定標(biāo)源難以比擬的優(yōu)勢：

2、（1）月球的光譜特性非常穩(wěn)定，其表面的反射率變化率約為10-8/年，月亮光譜具有能夠覆蓋可見近紅外全部譜段等優(yōu)點(diǎn)，使月亮非常適合作為衛(wèi)星太陽反射通道的參考輻射基準(zhǔn)源；

3、（2）月球定標(biāo)不受大氣的影響，背景為深空，異源雜散光影響可以降至最低，具備適合的動態(tài)范圍；

4、（3）與傳統(tǒng)的外場同步試驗定標(biāo)方法受觀測時間和次數(shù)的限制，定標(biāo)頻次一般僅為一年一次，月球定標(biāo)方法只要觀測時月相角滿足一定范圍之內(nèi)，通過月球反射的太陽光輻亮度在目前對地成像參數(shù)的動態(tài)范圍之內(nèi)，在提高定標(biāo)精度的基礎(chǔ)上，可顯著提高定標(biāo)的頻次，可以實現(xiàn)對遙感儀器輻射定標(biāo)響應(yīng)的全壽命動態(tài)監(jiān)測。

5、因此，針對現(xiàn)有在軌絕對定標(biāo)精度不高的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種星載可見光相機(jī)對月絕對輻射定標(biāo)方法，建立了從太陽到月球再到待定標(biāo)相機(jī)的傳遞鏈路模型，擺脫了大氣傳輸路徑，能夠得到精確的入瞳輻亮度，進(jìn)而得到精確的絕對定標(biāo)系數(shù)。

6、本發(fā)明的思路是將太陽、月球和待定標(biāo)相機(jī)的空間坐標(biāo)統(tǒng)一到地心坐標(biāo)系中，通過軌道規(guī)劃實現(xiàn)月球垂直于高軌面陣相機(jī)的視軸方向，可以得到太陽和月球、月球和待定標(biāo)相機(jī)之間的距離以及太陽光的入射角度，進(jìn)而得到遙感器接收到的太陽輻亮度。

7、本發(fā)明的目的通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

8、一種星載可見光相機(jī)對月絕對輻射定標(biāo)方法，該方法包括如下步驟：

9、s1：根據(jù)星歷分別建立太陽和月球在地心坐標(biāo)系中的空間位置運(yùn)動方程，得出太陽的位置矢量rsun、速度矢量vsun，以及月球的位置矢量rlunar和速度矢量vlunar；

10、根據(jù)星歷、軌道參數(shù)和地球軌道動力學(xué)模型計算待定標(biāo)的星載可見光相機(jī)在地心坐標(biāo)系中的位置矢量rrs和速度矢量vrs；

11、s2：根據(jù)s1的計算結(jié)果，分別計算月球和星載可見光相機(jī)的距離、太陽和月球之間的距離，以及太陽、月球與星載可見光相機(jī)主光軸之間的夾角；

12、s3：根據(jù)s2計算得到的太陽和月球之間的距離，計算入射到月球表面的太陽光譜輻照度；

13、s4：根據(jù)s3得到的太陽光譜輻照度，依據(jù)朗伯余弦定律及月球反射模型，計算待定標(biāo)的星載可見光相機(jī)i譜段對應(yīng)的月球反射的輻亮度lref,i；

14、s5：計算觀測月相角；

15、s6：將滿足如下三個條件時的軌道確定為月球定標(biāo)弧段，執(zhí)行s7；否則，返回s2；

16、（1）成像時月相角與參考月球輻射模型相角一致；

17、（2）待定標(biāo)星載可見光相機(jī)接收到的月球反射的輻亮度lref,i在待定標(biāo)星載可見光相機(jī)的響應(yīng)動態(tài)范圍之內(nèi)；

18、（3）月球定標(biāo)場區(qū)域處于待定標(biāo)星載可見光相機(jī)的視場內(nèi)；

19、s7：建立定標(biāo)時刻待定標(biāo)的星載可見光相機(jī)輸出dni值與月球反射的輻亮度lref,i之間的線性關(guān)系，計算待定標(biāo)星載可見光相機(jī)第i譜段對應(yīng)的絕對定標(biāo)系數(shù)ki和bi，完成定標(biāo)。

20、進(jìn)一步地，所述s1中，計算太陽的位置矢量rsun和速度矢量vsun具體包括如下子步驟：

21、（1）首先將給定的日期換算成儒略世紀(jì)數(shù)：

22、；

23、；

24、式中，t表示儒略世紀(jì)數(shù)，jd表示儒略日數(shù)，y表示年號，m表示月號，d表示日期數(shù)；

25、（2）根據(jù)步驟（1）得出的儒略世紀(jì)數(shù)，計算太陽相對地心的相對運(yùn)動為近似橢圓軌道的軌道參數(shù)，包括橢圓的偏心率e、平近點(diǎn)角m、太陽幾何平黃經(jīng)lo、太陽中心差c、真近點(diǎn)角v：

26、；

27、；

28、；

29、；

30、；

31、（3）根據(jù)步驟（2）得出的軌道根數(shù)，建立太陽在其近焦點(diǎn)坐標(biāo)系中的空間位置運(yùn)動方程，以太陽的狀態(tài)向量(rs,vs)表示：

32、；

33、；

34、其中，rs、vs?分別為太陽在近焦點(diǎn)坐標(biāo)系中的位置矢量和速度矢量，a為軌道半長軸，為地日引力參數(shù)，表示角動量；

35、（4）計算從太陽近焦點(diǎn)坐標(biāo)系到地球地心坐標(biāo)系的變換矩陣convsun：

36、；

37、式中，γ為太陽軌道傾角，為太陽軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)，為太陽軌道近地點(diǎn)幅角，及為兩個軌道修正量；

38、（5）根據(jù)步驟（3）得出的太陽在其近焦點(diǎn)坐標(biāo)系的狀態(tài)向量和步驟（4）得出的變換矩陣，建立太陽在地球地心坐標(biāo)系中空間位置運(yùn)動方程，得出太陽的位置矢量rsun和速度矢量vsun，以太陽的狀態(tài)向量（rsun?,vsun）表示：

39、；

40、。

41、進(jìn)一步地，計算月球的位置矢量rlunar和速度矢量vlunar與計算太陽的位置矢量rsun和速度矢量vsun的方法相同，即，根據(jù)月球星歷和軌道參數(shù)依次計算月球在近焦點(diǎn)坐標(biāo)系中的運(yùn)動狀態(tài)向量（rlunar_0，vlunar_0）、近焦點(diǎn)坐標(biāo)系到地心坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣convlunar以及月球在地心坐標(biāo)系中的狀態(tài)向量（rlunar，vlunar）。

42、進(jìn)一步地，計算待定標(biāo)的星載可見光相機(jī)在地心坐標(biāo)系中的位置矢量rrs和速度矢量vrs，具體包括如下子步驟：

43、（1）根據(jù)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定軌給定星載可見光相機(jī)的軌道六根數(shù)，計算星載可見光相機(jī)在地心坐標(biāo)系中的初始狀態(tài)向量（rrs_0?，vrs_0）；

44、（2）根據(jù)下式計算經(jīng)歷δt時間后的衛(wèi)星的運(yùn)動狀態(tài)向量：

45、；

46、；

47、式中，rrs、vrs分別表示經(jīng)歷δt時間后的運(yùn)動狀態(tài)向量，f、g、、分別為拉格朗日系數(shù)及其一階導(dǎo)數(shù)，表達(dá)式如下：

48、；

49、；

50、；

51、；

52、式中，rrs_0表示初始狀態(tài)向量的模；rrs表示經(jīng)歷δt時間后運(yùn)動狀態(tài)向量的模，為軌道全局近點(diǎn)角，由下述全局開普勒方程迭代解出，表達(dá)式如下：

53、；

54、式中，為地球引力常數(shù)，為軌道半長軸的倒數(shù)，s(z)和c(z)為斯達(dá)姆夫函數(shù)，表達(dá)式如下：

55、；

56、；

57、（3）建立衛(wèi)星運(yùn)動狀態(tài)迭代求解模型，通過迭代計算求解星載可見光相機(jī)在地心坐標(biāo)系中最終的運(yùn)動狀態(tài)向量（rrs?，vrs）。

58、進(jìn)一步地，計算月球和星載可見光相機(jī)的距離、太陽和月球之間的距離的計算公式如下：

59、

60、；

61、其中，(xlunar，ylunar，zlunar)、(xrs，yrs，zrs)、(xsun，ysun，zsun)?分別為月球、待定標(biāo)的星載可見光相機(jī)、太陽在地心坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。

62、進(jìn)一步地，lref,i的計算公式如下：

63、；

64、；

65、；

66、；

67、其中，為星載可見光相機(jī)第i譜段的光譜響應(yīng)函數(shù)；為月球輻射模型提供的月球光譜反射率；λ為太陽入射到月球的波長，λ1和λ2為待定標(biāo)星載可見光相機(jī)第i譜段的光譜下限和上限；為入射到月球的太陽光譜輻照度；為過程量；ρi為星載可見光相機(jī)第i譜段的等效月球反射率；ei為入射到月球表面的第i譜段的等效太陽光譜輻照度；d為日月距離因子，大小為實時日月距離與標(biāo)準(zhǔn)日月距離的比值；θ為太陽入射光線與月球表面法線的夾角。

68、進(jìn)一步地，所述s5中觀測月相角的計算公式如下：

69、；

70、其中，in、em和分別為定標(biāo)弧段某時刻太陽在月球的入射天頂角、待定標(biāo)星載可見光相機(jī)觀測天頂角和二者的相對方位角。

71、進(jìn)一步地，所述s7中，絕對定標(biāo)系數(shù)ki和bi的計算公式如下：

72、；

73、；

74、其中，ki為i譜段定標(biāo)斜率，單位為；dni為星載可見光相機(jī)i譜段觀測值；bi為i譜段定標(biāo)截距，單位為；、為第i譜段的兩個月球反射輻亮度，、為兩個月球反射輻亮度對應(yīng)的數(shù)字量化值。

75、一種星載可見光相機(jī)對月絕對輻射定標(biāo)裝置，包括一個或多個處理器，用于實現(xiàn)星載可見光相機(jī)對月絕對輻射定標(biāo)方法。

76、一種電子設(shè)備，包括：

77、一個或多個處理器；

78、存儲裝置，用于存儲一個或多個程序，當(dāng)所述一個或多個程序被所述電子設(shè)備執(zhí)行時，使得所述電子設(shè)備實現(xiàn)星載可見光相機(jī)對月絕對輻射定標(biāo)方法。

79、本發(fā)明的有益效果如下：

80、（1）本發(fā)明中的光學(xué)相機(jī)接收的輻亮度能溯源到太陽輻照度。

81、（2）本發(fā)明的定標(biāo)方法可擺脫成像目標(biāo)特性或大氣條件影響，提高在軌輻射定標(biāo)精度。

82、（3）本發(fā)明中的月球可作為遙感衛(wèi)星在軌定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)源，只要光學(xué)衛(wèi)星弧段滿足要求即可進(jìn)行在軌定標(biāo)，提高了在軌輻射定標(biāo)的頻次。