跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演方法及系统与流程

本发明属于电磁辐射理论、红外辐射测量交叉技术领域，更具体地，涉及一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演方法及系统。

背景技术：

目前国内外动目标红外辐射特性反演方法所涉及的传输路径均处于大气层内，然而该方法已经不能满足传输路径跨太空环境与大气层的应用需求。

跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演难点在于，测量系统与被观测目标之间的传输路径既有一段穿过大气也有一段穿过真空，辐射能量传播过程复杂。用于红外辐射特性反演的传输特性参数主要取决于测量系统、被观测目标以及地球之间的相对位置关系。这种相对关系变化多样，导致跨太空环境与大气层的传输路径模式存在多种不同类型。每种传输路径模式条件下的红外辐射传输特性参数计算方法不同。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演方法及系统，通过确定测量系统与被观测动目标之间的路径类型计算不同路径下被观测动目标红外辐射能量穿过大气的路程长度和角度，并利用相关参数计算红外辐射传输特性参数，最后根据多次测量的被观测动目标像方的红外辐射亮度平均值和红外辐射传输特性参数进行被观测动目标物方红外辐射亮度的反演计算。由此解决现有技术中的跨太空和大气层红外辐射传输特性参数计算和物方红外辐射亮度反演计算的技术难题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演方法，包括：

(1)确定跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型，其中，所述红外辐射传输路径类型包括大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径、太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径以及太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径；

(2)计算当前红外辐射传输路径类型下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r；

(3)根据测量系统以Δt为时间间隔连续测得的n次被观测动目标像方红外辐射亮度求像方平均辐射亮度L_t'：其中，表示第i个Δt测得的被观测动目标像方的红外辐射亮度，i＝1,…,n；

(4)根据测量系统测得的被观测动目标像方的平均辐射亮度L_t'计算被观测动目标物方的红外辐射亮度L_t：

优选地，步骤(2)具体包括：

(2-1)若跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径，则由测量系统高度、大气层最高高度、天顶角、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，测量系统高度和红外波段依据实际情况确定，地球半径为测量系统所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，天顶角的计算公式为：其中，A表示大气层内的测量系统的位置，B表示太空中的被观测动目标的位置，C表示OA延长线上的一点，分别为测量系统和被观测动目标距地心O的高度，为测量系统和被观测动目标之间的距离；

(2-2)若跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径，则由辐射传输路径上穿过大气的路程长度、大气层最高高度、被观测动目标高度、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，被观测动目标高度和红外波段依据实际情况确定，地球半径为被观测动目标所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，辐射传输路径上穿过大气的路程长度的计算公式为：其中，A表示太空中的测量系统的位置，B表示大气层内的被观测动目标的位置，C为辐射传输路径上与大气层边缘的交点，分别为被观测动目标和辐射传输路径上与大气层边缘的交点距地心O的高度，∠ABO可由A点、B点、O点的相对位置关系确定，辐射传输路径为从B向A传播的路径；

(2-3)若跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径，则由辐射传输路径上穿过大气的路程长度、大气层最高高度、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，红外波段依据实际情况确定，地球半径为被观测动目标所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，辐射传输路径上穿过大气的路程长度的计算公式为：其中，A表示太空中的测量系统的位置，B表示太空中的被观测动目标的位置，D、E为辐射传输路径上与大气层边缘的交点，为地心O点到的垂线，为大气层最高高度加上地球半径，辐射传输路径为从B向A传播的路径。

按照本发明的另一方面，提供了一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演系统，包括：

确定模块，用于确定跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型，其中，所述红外辐射传输路径类型包括大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径、太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径以及太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径；

第一计算模块，用于计算当前红外辐射传输路径类型下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r；

第二计算模块，用于根据测量系统以Δt为时间间隔连续测得的n次被观测动目标像方的红外辐射亮度求像方的平均辐射亮度L_t'：其中，表示第i个Δt测得的被观测动目标像方的红外辐射亮度，i＝1,…,n；

第三计算模块，用于根据测量系统测得的被观测动目标像方的平均辐射亮度L_t'计算被观测动目标物方的红外辐射亮度L_t：

优选地，所述第一计算模块包括：

第一计算子模块，用于在跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径时，由测量系统高度、大气层最高高度、天顶角、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，测量系统高度和红外波段依据实际情况确定，地球半径为测量系统所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，天顶角的计算公式为：其中，A表示大气层内的测量系统的位置，B表示太空中的被观测动目标的位置，C表示OA延长线上的一点，分别为测量系统和被观测动目标距地心O的高度，为测量系统和被观测动目标之间的距离；

第二计算子模块，用于在跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径时，由辐射传输路径上穿过大气的路程长度、大气层最高高度、被观测动目标高度、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，被观测动目标高度和红外波段依据实际情况确定，地球半径为被观测动目标所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，辐射传输路径上穿过大气的路程长度的计算公式为：其中，A表示太空中的测量系统的位置，B表示大气层内的被观测动目标的位置，C为辐射传输路径上与大气层边缘的交点，分别为被观测动目标和辐射传输路径上与大气层边缘的交点距地心O的高度，∠ABO可由A点、B点、O点的相对位置关系确定，辐射传输路径为从B向A传播的路径；

第三计算子模块，用于在跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径时，由辐射传输路径上穿过大气的路程长度、大气层最高高度、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，红外波段依据实际情况确定，地球半径为被观测动目标所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，辐射传输路径上穿过大气的路程长度的计算公式为：其中，A表示太空中的测量系统的位置，B表示太空中的被观测动目标的位置，D、E为辐射传输路径上与大气层边缘的交点，为地心O点到的垂线，为大气层最高高度加上地球半径，辐射传输路径为从B向A传播的路径。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下的技术优点：

(1)本方法适用于测量系统和被观测动目标之间的辐射能量传输路径跨太空和大气层的情况；

(2)本方法给出了多种不同的跨太空和大气层辐射能量传输路径类型，以及相应的辐射传输特性参数计算方法，具有很高的实用价值。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演方法的流程示意图；

图2为大气层内的测量系统观测太空中的被观测动目标时相对位置关系示意图；

图3为太空中的测量系统观测大气层内被观测动目标时相对位置关系示意图；

图4为太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标时相对位置关系示意图；

图5为本发明实施例公开的一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，为本发明实施例公开的一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演方法的流程示意图，在图1所示的方法中，具体包括以下步骤：

(1)确定跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型，其中，上述红外辐射传输路径类型包括大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径、太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径以及太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径；

其中，如图2所示为大气层内的测量系统观测太空中的被观测动目标时相对位置关系示意图，大气层内的测量系统的位置由A点表示，被观测的太空动目标的位置由B点表示，被观测动目标的辐射能量由B点向A点传播。

如图3所示为太空中的测量系统观测大气层内被观测动目标时相对位置关系示意图，太空中的测量系统的位置由A点表示，被观测的大气层内动目标的位置由B点表示，被观测目标的辐射能量由B点向A点传播。

如图4所示为太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标时相对位置关系示意图，太空中的测量系统的位置由A点表示，被观测的太空中的动目标位置由B点表示，被观测目标的辐射能量由B点向A点传播。

其中，图2、图3以及图4分别对应三种不同的红外辐射传输路径。

(2)计算当前红外辐射传输路径类型下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r；

其中，步骤(2)具体包括以下子步骤：

(2-1)若跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径，则由测量系统高度、大气层最高高度、天顶角、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，测量系统高度和红外波段依据实际情况确定，地球半径为测量系统所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，天顶角的计算公式为：其中，如图2所示，A表示大气层内的测量系统的位置，B表示太空中的被观测动目标的位置，C表示OA延长线上的一点，分别为测量系统和被观测动目标距地心O的高度，为测量系统和被观测动目标之间的距离。

可选地，可以利用以上参数结合Modtran软件获得大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r。

例如，大气层最高高度设定为100公里，高度为20km的测量系统对高度为2000km和距离其2576.439km的动目标探测时，从空载红外系统到空间动目标的大气红外8～12μm的透过率ρ＝0.926和9程辐射L_r＝0.4858(W·m^-2·sr^-1)。

(2-2)若跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径，则由辐射传输路径上穿过大气的路程长度、大气层最高高度、被观测动目标高度、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，被观测动目标高度和红外波段依据实际情况确定，地球半径为被观测动目标所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，辐射传输路径上穿过大气的路程长度的计算公式为：其中，如图3所示，A表示太空中的测量系统的位置，B表示大气层内的被观测动目标的位置，C为辐射传输路径上与大气层边缘的交点，分别为被观测动目标和辐射传输路径上与大气层边缘的交点距地心O的高度，∠ABO可由A点、B点、O点的相对位置关系确定，辐射传输路径为从B向A传播的路径。

可选地，可以利用以上参数结合Modtran软件获得太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r。

例如，从高度36000km太空测量系统到大气层内高度15km目标的大气红外4.2～4.45μm的透过率ρ＝0.2014和程辐射L_r＝1.364×10^-2(W·m^-2·sr^-1)。

(2-3)若跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型为太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径，则由辐射传输路径上穿过大气的路程长度、大气层最高高度、地球半径以及红外波段计算该辐射传输路径条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r，其中，红外波段依据实际情况确定，地球半径为被观测动目标所处纬度处的半径值，大气层最高高度设定为预设值，辐射传输路径上穿过大气的路程长度的计算公式为：其中，如图4所示，A表示太空中的测量系统的位置，B表示太空中的被观测动目标的位置，D、E为辐射传输路径上与大气层边缘的交点，为地心O点到的垂线，为大气层最高高度加上地球半径，辐射传输路径为从B向A传播的路径。

可选地，可以利用以上参数结合Modtran软件获得太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r。

例如，高度1500km的测量系统对高度500km和与其距离2098.12km的空间目标进行观测时在红外8～12μm的透过率ρ＝0.6076和程辐射L_r＝2.84(W·m^-2·sr^-1)。

(3)根据测量系统以Δt为时间间隔连续测得的n次被观测动目标像方的红外辐射亮度求像方的平均辐射亮度L_t'：其中，表示第i个Δt测得的被观测动目标像方的红外辐射亮度，i＝1,…,n；

(4)根据测量系统测得的被观测动目标像方的平均辐射亮度L_t'计算被观测动目标物方的红外辐射亮度L_t：

如图5所示，为本发明实施例公开的一种跨太空和大气层的动目标红外辐射特性反演系统的结构示意图。在图5所示的系统中包括：

确定模块，用于确定跨太空与大气层的红外辐射传输路径类型，其中，所述红外辐射传输路径类型包括大气层内测量系统观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径、太空中的测量系统观测大气层内的被观测动目标条件下的辐射传输路径以及太空中的测量系统透过大气层观测太空中的被观测动目标条件下的辐射传输路径；

第一计算模块，用于计算当前红外辐射传输路径类型下的红外辐射传输特性参数透过率ρ和程辐射L_r；

第二计算模块，用于根据测量系统以Δt为时间间隔连续测得的n次被观测动目标像方的红外辐射亮度求像方的平均辐射亮度L_t'：其中，表示第i个Δt测得的被观测动目标像方的红外辐射亮度，i＝1,…,n；

第三计算模块，用于根据测量系统测得的被观测动目标像方的平均辐射亮度L_t'计算被观测动目标物方的红外辐射亮度L_t：

其中，各模块的具体实施方式可以参考方法实施例中的描述，本发明实施例将不做复述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。