高轨光学遥感卫星的太阳耀光自主抑制方法及系统与流程

1.本发明涉及光线遥感卫星抗干扰技术领域，具体涉及一种高轨光学遥感卫星的太阳耀光自主抑制方法及系统。


背景技术：

2.耀光是阳光经海面的镜面面元反射后形成的强辐射信号，其幅度远大于海洋目标信号，且容易造成光学成像信息饱和而失真，使得光学成像能力受限。卫星遥感图像中，太阳耀光产生在特定图像区域，而高轨光学遥感成像的几何特性，又会使得其受太阳耀光影响在特定时间段内丧失对特定目标区域的观测能力，降低遥感卫星的观测效能。
3.对于耀光强度未造成成像探测器大面积像元饱和，仅对成像产生污染干扰的情形，可进行耀光校正和移除。基于估计传感器接收辐射中耀光的占比并从接收信号中扣除耀光的方法，主要分为两类：
①
对分辨率为100～1000m的大尺度水色遥感应用，基于cox-munk海表统计模型对耀光进行估计和校正，并在 seawifs和meris等传感器中得到应用；
②
对分辨率为1～10m的高分辨率遥感应用，基于水在近红外波段具有良好的吸收特性和近红外波段的离水辐射近似为零这一特点，以近红外辐射估计接收到的耀光辐射强度并将耀光扣除，该方法应用于ikonos、aviris等遥感卫星。该方法对系统设计和后续图像处理的能力提出了更高的需求。
4.耀光造成探测器大面积像元饱和的应用中，像素信息易丢失，无法进行校正，须对耀光强度进行抑制。传统的抑制方法主要采取“回避”与“剔除”策略：
①“
回避”就是在传感器探测时尽可能回避存在严重太阳耀光的区域；
②“
剔除”就是将遥感影像中受太阳耀光污染严重的像素剔除，不参与后续的信息提取。“回避”策略受限于传感器任务需求，“剔除”策略会因大量像素被剔除而出现很多数据空白区，因此这两种耀光抑制方法的应用具有很大的局限性。
5.如已知的，光学偏振遥感作为一种新型的对地观测成像手段，在目标探测与识别方面与传统光辐射遥感手段相比有其独特的优势，用于削弱海面杂波耀光、海雾、以及天空背景散射辐射干扰，解决传统光学遥感无法解决的能力受限的一些问题，具有很大的应用和发展潜力。基于耀光的显著偏振特性，国内外研究者们提出了一些利用偏振特性进行耀光抑制的方法，例如：《太阳耀光的偏振分析》(《红外与毫米波学报》2007，26)提出了一种利用单个偏振片进行太阳耀光抑制的方法，该方法对观测天顶角较大时对耀光具有较好削弱作用，但随着偏振方向与水平偏振片位置的夹角变化，其削弱作用逐渐降低；《mid-infrared imaging system based on polarizers for detecting marine targetscovered in sun glint》(《optics express》2016，24)设计了一种基于双偏振片的可见光偏振检测系统，该系统可一定程度抑制耀光干扰，但目标偏振特性损失较大。以上抑制方法，用单片或两片偏振片实现对太阳耀光的抑制与削减，但在实际星上应用中，实现单个或两个角度偏振片不能很好地适应随不同季节、时间变化的太阳耀光偏振特性；若继续增加偏振片角度调整机构，又会进一步硬件的复杂性和成本。


技术实现要素：

6.为了避免太阳耀光的强辐射干扰造成光学成像探测器饱和，进而造成光学遥感卫星成像失真，本公开提供了一种高轨光学遥感卫星的太阳耀光主动抑制方法与系统，解决了高轨光学遥感卫星无法在耀光区域获得高保真遥感图像的问题。该方法适用于设计有偏振片的高轨光学遥感卫星且卫星具备敏捷机动能力。
7.本公开提供一种高轨光学遥感卫星的太阳耀光自主抑制方法，包括以下步骤：
8.确定高轨成像耀光时段和区域；
9.获取成像计划任务参数，包括成像时间t0，和任务目标点的经纬度参数(l0, b0)，确定对应的卫星侧摆ψ、俯仰角度ω，以及卫星从当前位置到指向成像目标所需时间t{ψ,ω}；
10.进行星上任务冲突判断；
11.判断所述成像任务是否受耀光影响，若是，则：
12.指令相机进入偏振成像模式，相机将偏振片切入光路；
13.根据所述成像计划任务参数，计算卫星偏航角κ；
14.判断偏航角是否超过阈值θ0，若未超过阈值，则执行姿态机动{ψ,ω}，在t0时刻对目标进行0
°
偏振成像；
15.若超过，则根据当前时刻t、姿态机动时间t{κ}，判断t t
{ψ,ω}
t
{κ}
《t0，若满足，则执行姿态机动{ψ,ω,κ}，在t0时刻对目标进行精确偏振成像，偏振成像角κ；否则执行姿态机动{ψ,ω}，在t0时刻对目标进行0
°
偏振成像。
16.进一步地，所述确定高轨成像耀光时段和区域的步骤，具体方法包括：
17.根据高轨卫星轨道位置a(xa,ya,za)，目标点经纬度p(l，b)和成像时刻 tm，计算太阳天顶角θs、卫星观测角θv、以及太阳方位角与观测方位角的差值
18.根据下式计算目标耀光角θ
glit
：
[0019][0020]
遍历全年时间和地球经纬度网格，设置时间步长为1小时，目标经纬度以1 度为网格大小，计算耀光角的集合{θ
glit
}＝f{xa,ya,za，l,b,tm}；
[0021]
以耀光角θ
glit
不大于5
°
为阈值，且同时满足θs θv∈[101,111]和为判断条件，获得全年海面耀光分布时段区间包络为 [t
min
,t
max
]n、区域范围包络为[l
min
,l
max
]n、[b
min
,b
max
]n，其中，n＝2，t
min
为北京时间最小值，t
max
为北京时间最大值，l
min
、b
min
为经度值和纬度值最小值，l
max
、 b
max
为经度值和纬度值最大值。
[0022]
进一步地，所述进行星上任务冲突判断的步骤，具体包括：
[0023]
设当前时刻为t，相机成像准备时间为t
camera
，判断是否满足：
[0024]
t
0-t＞t{ψ,ω}且t
0-t＞t
camera
；
[0025]
若满足，则不存在冲突，继续执行后续的步骤；
[0026]
若不满足，则该任务存在冲突，不可执行，结束流程。
[0027]
进一步地，判断所述成像任务是否受耀光影响的步骤，具体方法为：
[0028]
计算目标耀光角度；
[0029]
如果耀光角≤5
°
，并且：
[0030]
如果目标成像时间和经纬度满足t0∈[t
min
,t
max
]n且l0∈[l
min
,l
max
]n且b0∈ [b
min
,b
max
]n，
[0031]
则受到耀光影响。
[0032]
进一步地，所述根据所述成像计划任务参数，计算卫星偏航角κ的步骤，具体包括：
[0033]
针对太阳光被海面反射，进入相机光学系统的过程，计算入射到相机光学系统中光束的偏振角：
[0034][0035]
其中，rs和r
p
为经海面反射的s光和p光的反射比，根据菲涅尔反射公式，经海面反射的s光和p光的反射比为：
[0036][0037][0038]
星上需要旋转的偏航角角度为κ＝90-β；
[0039]
以上角度均以东西方向为参考，平行赤道方向为0
°
，顺时针为正。
[0040]
进一步地，所述判断偏航角是否超过阈值θ0的步骤中，所述θ0的确定以太阳耀光的剥离程度为判据：
[0041]
在与入射偏振光的振动方向夹角为θ的角度上通过检偏器后观测所得的光强为
[0042][0043]
其中，i0为反射光中线偏振光强，p为偏振度；
[0044]
当时，θ0＝θ＝5
°
，即阈值θ0取为5
°
。
[0045]
本公开还提供了一种高轨光学遥感卫星的太阳耀光主动抑制系统，包括：
[0046]
上注模块：用于获取卫星成像计划任务参数，并进行任务上注；
[0047]
任务调度模块：用于接收所述卫星成像计划任务参数，并进行系列相关的计算和判断决策，发出相应的控制指令，包括：星上任务冲突判断，目标是否在耀光区判断，精准耀光角计算，偏振模式设置，卫星姿态角及机动时间计算；
[0048]
姿态机动模块：用于控制卫星按计算得到的姿态角，进行姿态机动并姿态保持，使得相机视轴直接指向目标点；
[0049]
相机偏振模块，用于根据指令将偏振片切入/切出相机成像光路，其中偏振片为相机滤光盒部件中的单品偏振片，安装方位为偏振片垂直光轴；
[0050]
相机成像模块：用于执行成像开机指令，在指定时刻对目标成像；
[0051]
其中，各模块之间指令和信息的传递由星上总线和星上通信协议完成。
[0052]
本公开提供的高轨光学遥感卫星对太阳耀光进行自主抑制的方法及系统，通过预先计算耀光区域，精确对耀光自主抑制任务进行了必要性和可执行性选择，然后利用卫星姿态机动能力进行角度的旋转，实现偏振成像，有效抑制太阳耀光，同时避免了规避、剔除
等传统方法造成的成像效能损失，解决了高轨光学遥感卫星无法在耀光区域获得高保真遥感图像的问题。
[0053]
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
[0054]
(1)利用太阳耀光的强偏振性，通过加入偏振片并通过卫星姿态机动能力旋转角度的方式对太阳耀光进行抑制，避免规避、剔除等方法造成的成像效能损失；
[0055]
(2)无需增加复杂的控制器件精确控制偏振片的旋转角度，直接对卫星进行姿态机动调整即可实现耀光抑制下的保真成像；
[0056]
(3)通过预先进行耀光区域的计算并上注到卫星，预判了耀光抑制任务的前提条件，优化了卫星自主抑制耀光任务流程，降低了对于星上计算的需求；
[0057]
(4)通过判断耀光抑制的偏航最小转动角，通过最小代价实现卫星的耀光自主抑制，降低了卫星费效比。
附图说明
[0058]
图1为反射光中偏振度随入射角的变化示意图；
[0059]
图2为本公开的高轨光学遥感卫星耀光抑制方法流程示意图；
[0060]
图3为观测天顶角与观测方位角的计算示意图；
[0061]
图4为本公开的高轨光学遥感卫星耀光抑制偏振片旋转示意图；
[0062]
图5为高轨光学全年太阳耀光剥离程度变化示意图。
具体实施方式
[0063]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0064]
本发明提供了一种高轨光学遥感卫星自主耀光抑制方法，示例性实施流程如下所述。
[0065]
步骤1，确定高轨卫星耀光出现的时段、区域。
[0066]
水体反射率一般为0.2左右，但其反射特性随观测角度不同而有较大差异，在特定观测条件下，水体的反射率甚至会超过0.9，在此条件下会形成太阳耀光。太阳耀光会造成传感器饱和，严重影响对其他地物的观测。
[0067]
当海面某点的太阳方位角和观测方位角在同一主平面异侧(即卫星-太阳方位夹角约为180
°
条件下)，水面反射光中的线偏振光都会随入射角度的增加而增大，在入射角度达到水的布儒斯特角后又随之降低，如图1所示。
[0068]
布儒斯特角计算公式如下：
[0069][0070]
其中，n2为折射方折射率，n1为入射方折射率，假设水的折射率为1.33，则海面的布儒斯特角为53
°
。本发明将主平面
±5°
(即太阳-卫星方位夹角180
°±5°
)和布儒斯特角
±5°
均作为易产生耀光的必要条件。
[0071]
1.1)根据高轨卫星、太阳与目标点的几何位置关系，计算太阳天顶角θs、卫星观测角θv、以及太阳方位角与观测方位角的差值
[0072]
太阳天顶角θs的余弦值计算公式为：
[0073]
cosθs＝sin(sinb0sinδ cosb0cosδcosφ)
[0074]
太阳方位角的余弦值计算公式为：
[0075][0076]
上述两式中，δ为太阳赤纬，φ为太阳时角，太阳赤纬δ计算公式为
[0077]
δ＝0.3723 23.2567sinθ 0.1149sin2θ-0.1712sin3θ-0.7568cosθ 0.2656cos2θ 0.0201cos3θ
[0078]
其中，θ为日角，其计算公式为：
[0079][0080]
其中：
[0081]
t
sun
＝n δn-n0[0082]
其中，n为积日即成像时刻对应日期在年内的顺序号，δn为积日修正值。
[0083]
观测天顶角θv与观测方位角的计算方法，结合附图3说明，在wgs84坐标系下进行，其中地物p通过经纬度换算成wgs84坐标p(x0,y0,z0)，卫星坐标 a(xa,ya,za)可通过轨道外推获取，其中op为地心与地物的连线，平面α为地物相对于地球的切平面，n为平面α与z轴的交点，b则为卫星a在平面α上的投影点，c为卫星a在平面α的法线向量上的投影点。因此，地物p点的正北方向为为卫星a与地物p的连线在平面α上的投影。具体为：
[0084][0085]
其中，
[0086]
观测方位角余弦值计算公式为:
[0087][0088]
其中，n点坐标可通过几何关系计算得到其中r为地球半径，则而另外由几何关系有：
[0089][0090]
则可根据余弦值计算公式得到观测方位角。
[0091]
根据下式计算耀光角θ
glit
：
[0092][0093]
遍历全年时间和地球经纬度网格，设置时间步长为1小时，目标经纬度以1 度为网格大小，计算耀光角的集合{θ
glit
}＝f{xa,ya,za，l,b,t}；
[0094]
1.2)以耀光角θ
glit
不大于5
°
为阈值，且同时满足θs θv∈[101,111]和为判断条件，获得出全年海面耀光分布时段区间包络为 [t
min
,t
max
]n、区域范围包络为[l
min
,l
max
]n、[b
min
,b
max
]n，其中，n＝2，t
min
为北京时间最小值，t
max
为北京时间最大值，l
min
、b
min
为经度值和纬度值最小值，l
max
、 b
max
为经度值和纬度值最大值。
[0095]
以3600km轨道高度、定点位置120
°
和2019年全年为例，可计算给出海面耀光分布区域和时间：海面耀光集中于东西两个区域，以东经120
°
为中心线，如图3所示：
[0096]
东侧的主要区域为(17
°
n，159
°
e)-(21
°
s，166
°
e)，
[0097]
西侧的主要区域为(18
°
n，73
°
e)-(21
°
s，82
°
e)。
[0098]
在东经120
°
线以东的区域，耀光出现的时间段为4:00-7:00(北京时间)，转换为当地时间约为7:00-10:00。在东经120
°
线以西的区域，耀光出现的时间段为 17:00-20:00(北京时间)，转换为当地时间约为14:00-17:00。每天出现的耀光区域面积约为22万平方公里。
[0099]
表1全年海面耀光分布表
[0100][0101][0102]
在卫星发射前，将全年海面耀光分布时段[t
min
,t
max
]n、区域范围[l
min
,l
max
]n、 [b
min
,b
max
]n上注到卫星星务计算机中。
[0103]
步骤2，获取卫星成像计划任务参数，并进行任务上注
[0104]
获取卫星成像计划任务参数：成像时间t0，任务中心点的经纬度参数(l0,b0)。
[0105]
步骤3，卫星星务计算机接收所述卫星成像计划任务参数，进行星上任务冲突判断
[0106]
3.1)根据卫星t0时刻的轨道位置坐标和目标经纬度(l0,b0)，反算卫星侧摆ψ、俯仰角度ω，通过星上姿态机动能力查找表获得卫星从当前位置到指向成像目标所需时间t{ψ,ω}；
[0107]
3.2)设当前时刻为t，相机成像准备时间为t
camera
，判断是否满足条件：t
0-t ＞t{ψ,ω}且t
0-t＞t
camera
；若满足则执行下一步骤；若不满足，则该任务不可执行，结束流程。
[0108]
步骤4，判断所述卫星成像计划任务是否受耀光影响：
[0109]
根据(1)式计算目标耀光角度；
[0110]
判断目标耀光角是否≤5
°
，且成像目标经纬度是否处于耀光区域内：即t0∈[t
min
,t
max
]n且l0∈[l
min
,l
max
]n且b0∈[b
min
,b
max
]n，
[0111]
是则发送偏振成像模式设置指令给相机，相机将偏振片切入光路。
[0112]
步骤5，卫星星务计算机根据t0、目标经纬度，计算卫星偏航角κ，用于实现偏振片偏转角κ
[0113]
5.1)针对太阳光被海面反射，进入相机光学系统的过程，计算入射到相机光学系统中光束的偏振角：
[0114][0115]
其中，rs和r
p
为经海面反射的s光和p光的反射比，根据菲涅尔反射公式，经海面反射的s光和p光的反射比为：
[0116][0117][0118]
5.2)星上需要旋转的偏航角角度为κ＝90
°‑
β。
[0119]
以上角度均以东西方向为参考，平行赤道方向为0
°
，顺时针为正，如图4 所示。
[0120]
步骤6，判断偏航角是否超过阈值θ0；若未超过阈值则执行姿态机动{ψ,ω}， t0时刻对目标进行0
°
偏振成像；否则，执行下一步；
[0121]
θ0的确定以太阳耀光的剥离程度为判据：
[0122][0123]
其中，i0为反射光中线偏振光强，p为偏振度。
[0124]
6.1)θ为0
°
时，太阳入射面在赤道面
[0125]
考虑较大太阳入射角时(＞50
°
)，易产生耀光现象，其偏振剥离程度如下表。由表可知，0
°
水平偏振对入射面在赤道面的太阳耀光可以起到较好的抑制作用。
[0126]
表2太阳光的偏振剥离程度分析表
[0127]
太阳光入射角度/
°
经反射后水体偏振度透过检偏器后的光强太阳耀光的剥离程度/％500.98490.0075i099.25600.92640.0368i096.32700.64360.1782i082.18
800.31210.3439i065.61
[0128]
6.2)θ不为0
°
时
[0129]
考虑到夏至、冬至等，太阳不直射赤道，太阳入射面不在赤道面，根据全年耀光分布区域不同，偏振片偏振方向与相机水平位置的夹角变化范围为
±
21
°
，对太阳耀光的剥离情况如图5所示。可以看出，0
°
偏振片设置可以对全年的强太阳耀光起到较好的抑制效果。
[0130]
根据计算，当θ0＝θ＝5
°
，满足时，将阈值θ0设置为5
°
。
[0131]
步骤7，通过姿态机动能力查找表获得姿态机动时间t{κ}；
[0132]
步骤8，判断t t{ψ,ω} t{κ}《t0，若满足则执行姿态机动{ψ,ω,κ}，t0时刻对目标进行精确偏振成像；否则，执行姿态机动{ψ,ω}，t0时刻对目标进行0
°
偏振成像。
[0133]
根据本公开的一种高轨光学遥感卫星的太阳耀光主动抑制系统实施例，包括：
[0134]
任务上注模块：获取卫星成像计划任务参数，并进行任务上注：成像时间t0，目标经纬度；
[0135]
任务调度模块：卫星星务计算机接收所述卫星成像计划任务参数，进行星上任务调度、耀光角计算和成像方式判断决策；
[0136]
姿态机动模块：卫星按计算得到的姿态角，进行姿态机动并进行姿态保持，使得相机视轴直接指向目标点。
[0137]
相机偏振模块：相机滤光盒部件中的单品偏振片，安装方位为偏振片垂直光轴；偏振片谱段范围为可见近红外谱段，消光比采用1000:1；相机偏振模块可根据指令将偏振片切入/切出相机成像光路。
[0138]
相机成像模块：相机执行成像开机指令组，t0时刻卫星对目标中心点精确对对准成像。
[0139]
在耀光抑制过程中，上述五大模块的信息流关系是：
[0140]
相机偏振模块在卫星发射前就安装在相机分系统的滤光盒部件中。
[0141]
成像前，上注模块接收卫星“成像计划任务上行注入指令”，包括成像时间 t0，任务目标点的经纬度参数(l0,b0)，并转发至任务调度模块。
[0142]
任务调度模块进行星上任务冲突判决、目标是否在耀光区判断、精准耀光角计算、偏振模式设置、卫星姿态角及机动时间计算等，根据计算和判断结果发送指令给相机偏振模块、姿态机动模块、和相机成像模块。
[0143]
相机偏振模块接收任务调度模块的“偏振模式成像设置”指令后，将偏振片切入光路，等待成像；
[0144]
姿态机动模块接收任务调度模块“按姿态{ψ,ω}机动”或者“按姿态{ψ,ω,κ}机动”指令，进行卫星姿态调整，使相机指向目标点；
[0145]
相机成像模块接收任务调度模块的“相机成像开”指令后，进行相机开机成像及图像输出。
[0146]
不同单元之间指令和信息的传递由星上总线和星上通信协议完成。
[0147]
本发明提供了一种高轨光学遥感卫星对太阳耀光进行自主抑制的方法及系统，该方法无需增加复杂器件，仅加入一片偏振片且无需对其进行旋转角度的精确控制，即可通过卫星姿态机动能力旋转角度的方法有效抑制太阳耀光，避免了规避、剔除等方法造成的
成像效能损失，解决了高轨光学遥感卫星无法在耀光区域获得高保真遥感图像的问题。
[0148]
同时，本发明采用预先计算耀光区域并上注和任务执行前进行多重判断的方式，精确对耀光自主抑制任务进行了必要性和可执行性选择，优化了卫星自主抑制耀光任务流程，降低了卫星费效比。
[0149]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。