一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法技術

本發明專利技術提供了一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法，包含以下步驟：(1)以行星球心為原點建立平行于地心直角坐標系的行星直角坐標系；(2)將行星表面離散化，并對行星表面的離散面元遍歷，判斷其是否處于視場范圍內；(3)判斷各離散面元是否處于日照區域，根據其法線方向和太陽直射方向的夾角，以及行星表面太陽直射點溫度和陰影溫度，計算該面元溫度；(4)根據黑體輻射和小面源輻射模型，計算行星紅外輻射量。本發明專利技術在已知行星位置信息的前提下，實現了行星表面溫度從太陽直射點到陰影區域的過渡，進而通過黑體輻射模型，計算行星的紅外輻射。仿真表明，本發明專利技術能夠有效的完成傳感器視場內行星紅外輻射的仿真。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于空間目標探測和識別的
，涉及一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法。
技術介紹
空間背景的紅外特性涉及了空間恒星、行星和黃道帶的紅外輻射，空間背景的紅外輻射計算是空間目標探測和識別的重要依據，其中的黃道帶影響較弱，恒星由于距離遠，并且具有較恒定的輻射光譜，但對于行星的輻射特性，還沒有非常有效的仿真計算模型。根據VSOP87C理論可以求得太陽系內行星的初始位置，即行星在地心坐標系、日心坐標系下的位置信息，因此可以借助太陽和行星的幾何關系計算行星表面溫度，進而計算行星的紅外輻射。太陽系的行星在圍繞太陽運動的同時，自身也在進行自轉，不同的時刻，太陽會照射到行星的不同位置，同時，在地球上觀測時，不同的時刻會觀測行星不同的部分，由于觀測區域和太陽照射區域都是時變的，導致在地球上觀測行星的紅外輻射時面臨較大的困難。本專利技術通過將行星表面離散化為多個面元，由于面元面積較小，可以看作溫度均勻的輻射源，通過判斷面元法線與太陽直射方向的夾角可以估計面元的溫度，通過對全部面元的輻射求和可以計算行星的紅外輻射。太陽系行星的紅外輻射計算結果將應用于空間目標探測和識別。
技術實現思路
視場范圍內的行星溫度是行星輻射量仿真的重要參數之一。由于行星表面存在日照區域以及陰影區域，而從太陽直射點到陰影區域的溫度是按照一定的規律過渡的，傳統的溫度計算方法并沒有考慮這一點，將日照區域的溫度統一認為直射點的溫度，從而影響了行星表面溫度計算的準確度。本專利技術針對行星表面進行離散化處理，建立平行于地心直角坐標系，以行星球心為原點的直角坐標系，對行星上的離散化面元依次遍歷，判斷其是否處于傳感器視場范圍內，對于處于日照區域的面元，計算其法線方向和太陽直射方向的夾角，從而可以計算該面元的溫度，對于陰影區域的點，不同的點，由于其溫度變化微弱，采用陰影溫度統一處理，可以提高溫度的計算準確度。由于對行星表面進行了離散化處理，因此每個離散單元均可以看作是小面元,是溫度均勻的輻射源，根據黑體輻射模型和小面源輻射模型，通過對全部面元的輻射求和可以計算行星的紅外輻射。本專利技術解決其技術問題采用的技術方案為：一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法，包括以下具體步驟：步驟(1)、建立以行星球心為原點的平行于地心直角坐標系的行星直角坐標系在已知太陽系各行星在地心直角坐標系、日心直角坐標系下的位置信息前提下，計算視場范圍內行星表面溫度的時候，若采用地心直角坐標系，行星表面的點就很難用坐標直接表示出來，而采用日心直角坐標系存在同樣的問題，因此就需要建立新的坐標系，為了計算和表示方便，本專利技術建立了平行于地心直角坐標系，以行星球心為原點的行星直角坐標系。在實際應用中，為了方便計算，首先根據傳感器視場指向將地平坐標系轉換到沿視線方向坐標系下，得到視線方向坐標系下的行星位置信息，判斷該行星是否可以被探測到，若該行星位于視場范圍內，進行步驟(2)，否則，改變傳感器視軸指向繼續遍歷。步驟(2)、將行星表面離散化，并對離散面元遍歷，判斷其是否處于視場觀測范圍內由于行星直角坐標系，地心直角坐標系，太陽直角坐標系是兩兩平行的，因此行星坐標系下的地球和太陽位置信息就可以通過簡單的坐標轉換得到。對行星表面上的點進行離散化處理，依次遍歷，求得各離散面元到地球的距離，以及和地球的連線與視軸方向的夾角，根據傳感器視場大小以及地球視線和行星相切點到地球的距離，來判斷各離散面元是否處于視場內。假設P為行星表面一點，為了方便離散化處理，用球坐標系的形式表示其中r為行星半徑，θ為行星上任意一點與Z軸之間的夾角，為行星上任意一點到XOY平面的投影與球心的連線和X軸的夾角。將θ,離散化處理之后，然后將球坐標表示的形式轉換到以行星為原點的直角坐標系下的離散面元P(x,y,z)。根據坐標系平行的特性，行星表面離散面元在地心坐標系下的坐標P'(x',y',z')為行星球心在地心坐標系下的坐標加上P相對行星球心的偏移量。根據傳感器視軸指向(A,H)將P'(x',y',z')投影到沿視線方向的坐標系下Pr(xr,yr,zr)，A為傳感器的方位角，H為俯仰角。然后計算Pr(xr,yr,zr)到地球的連線和視軸之間的夾角α：接下來需要判斷當前面元P是否處于地球觀測視場范圍內，還需要對其到地球觀測位置的距離進行判斷，由于地球只能觀測到面向地球的一側，當視線與行星相切時，求得可以觀測到的點距離地球的最遠距離為：其中，為地球到行星球心的距離，r為行星半徑。所以僅當P才位于視場范圍內，FOV為傳感器視場范圍。步驟(3)、判斷視場內離散面元是否位于日照區域，并進行面元溫度計算在對行星上的離散面元位置判斷完成后，需要繼續判斷其是否位于日照區域，同樣地，計算各離散面元和太陽之間的距離，根據太陽光線和行星相切點到太陽的距離，判斷各離散面元是否處于日照區域，然后計算各離散面元法線方向和太陽直射方向的夾角，求得各離散面元的溫度。已知日心坐標系下的行星位置，根據坐標系平行的特性，對日心坐標系下的行星坐標改變符號，即可得到以行星球心為原心的坐標下的太陽坐標，S為太陽位置。求得太陽和行星面向太陽一側點可以達到的最大距離：為太陽到行星球心的距離，S為太陽的位置，r為行星半徑。所以僅當行星表面面元P與太陽的距離滿足時，P才位于日照區域。對于日照區域內的面元P，根據余弦定理可以求得行星表面面元P法線方向和太陽直射方向的夾角為β：則行星表面各離散面元的溫度tp可以按照下式計算：其中，tsunsub為太陽直射行星點的溫度；tshadow為行星陰影溫度。步驟(4)、計算行星紅外輻射求出行星某個離散小面元溫度之后，由于面元面積較小，可以看作溫度均勻的輻射源，可利用普朗克函數求解給定波長下行星的光譜輻射出射度，然后求出輻射亮度，根據小面源輻射照度模型，求得視場內的行星面元輻射照度，將各離散面元的輻射求和即可得到給定波長下行星的紅外輻射量。最后，若給定傳感器的起止波長值，可通過對整個波段上積分求和得到該波段內行星的紅外輻射量。本專利技術與現有技術相比的優點在于：(1)本專利技術所建立的直角坐標系以行星球心為原心，并且與地心坐標系平行，在已知行星位置信息前提下，只需要通過簡單的向量運算就可以完成行星表面面元的表示和遍歷；(2)本專利技術所采用的離散化方法對行星表面進行遍歷，日照區域各離散面元的溫度根據其法線方向和太陽直射方向夾角求得，從直射點到陰影區域逐漸過渡，而不是采用單一的直射點溫度；(3)本專利技術將行星表面離散化為多個面元，由于面元面積較小，可以看作溫度均勻的輻射源，通過對全部面元的輻射求和可以完成行星紅外輻射的仿真。附圖說明圖1為本專利技術基于離散化處理計算行星表面溫度的流程圖；圖2為本專利技術建立的平行于地心坐標系的以行星直角坐標系；圖3為本專利技術判斷行星上的面元是否處于視場范圍內的示意圖；圖4為本專利技術采用的小面源輻射模型。具體實施方式下面結合附圖以及具體實施方式進一步說明本專利技術。在視場內行星紅外輻射仿真過程中，本專利技術采用行星表面的離散化處理，建立平行于地心坐標系的行星球心直角坐標系，依次遍歷行星表面的面元，判斷其是否處于視場范圍內，對于視場范圍內的面元，通過判斷面元法線方向與太陽直射方向的夾角可以估計面元的溫度，通過對全部面元的輻射求和可以計算行星的紅外輻射。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法，其特征在于：該方法的實現步驟如下：步驟(1)、建立以行星球心為原點的平行于地心直角坐標系的行星直角坐標系在已知太陽系各行星在地心直角坐標系、日心直角坐標系下的位置信息前提下，為了計算和表示方便，建立了平行于地心直角坐標系，以行星球心為原點的行星直角坐標系，首先根據傳感器視軸指向將地平坐標系轉換到沿視線方向坐標系下，得到視線方向坐標系下的行星位置信息，判斷該行星是否可以被探測到，若該行星位于視場范圍內，則進行步驟(2)，否則，改變視軸指向繼續遍歷；步驟(2)、將行星表面離散化，并對離散面元遍歷，判斷其是否處于視場觀測范圍內由于行星直角坐標系，地心直角坐標系，太陽直角坐標系是兩兩平行的，因此行星坐標系下的地球和太陽位置信息就可以通過簡單的坐標轉換得到，對行星表面進行離散化處理，依次遍歷各離散面元，求得各離散面元到地球的距離，以及和地球的連線與視軸方向的夾角，根據傳感器視場大小以及地球視線和行星相切點到地球的距離，來判斷各離散面元是否處于視場內，若處于視場內，則進行步驟(3)，否則，繼續遍歷各離散面元；步驟(3)、判斷視場內離散面元是否位于日照區域，并進行面元溫度計算在對行星上的離散面元位置判斷完成后，需要繼續判斷各離散面元是否位于日照區域，同樣地，計算各離散面元和太陽之間的距離，根據太陽光線和行星相切點到太陽的距離，判斷各離散面元是否處于日照區域，通過判斷面元法線方向與太陽直射方向的夾角可以估計面元的溫度；步驟(4)、計算行星紅外輻射求出行星某個離散小面元溫度之后，由于面元面積較小，可以看作溫度均勻的輻射源，通過對全部面元的輻射求和可以計算行星的紅外輻射，可以根據普朗克函數求解給定波長下行星的光譜輻射出射度，然后求出輻射亮度，根據小面源輻射照度模型，求得視場內的行星面元輻射照度，將各離散面元的輻射求和即可得到給定波長下行星的紅外輻射量；最后，若給定傳感器的起止波長值，可通過對整個波段上積分求和得到該波段內行星的紅外輻射量。...

【技術特征摘要】
1.一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法，其特征在于：該方法的實現步驟如下：步驟(1)、建立以行星球心為原點的平行于地心直角坐標系的行星直角坐標系在已知太陽系各行星在地心直角坐標系、日心直角坐標系下的位置信息前提下，為了計算和表示方便，建立了平行于地心直角坐標系，以行星球心為原點的行星直角坐標系，首先根據傳感器視軸指向將地平坐標系轉換到沿視線方向坐標系下，得到視線方向坐標系下的行星位置信息，判斷該行星是否可以被探測到，若該行星位于視場范圍內，則進行步驟(2)，否則，改變視軸指向繼續遍歷；步驟(2)、將行星表面離散化，并對離散面元遍歷，判斷其是否處于視場觀測范圍內由于行星直角坐標系，地心直角坐標系，太陽直角坐標系是兩兩平行的，因此行星坐標系下的地球和太陽位置信息就可以通過簡單的坐標轉換得到，對行星表面進行離散化處理，依次遍歷各離散面元，求得各離散面元到地球的距離，以及和地球的連線與視軸方向的夾角，根據傳感器視場大小以及地球視線和行星相切點到地球的距離，來判斷各離散面元是否處于視場內，若處于視場內，則進行步驟(3)，否則，繼續遍歷各離散面元；步驟(3)、判斷視場內離散面元是否位于日照區域，并進行面元溫度計算在對行星上的離散面元位置判斷完成后，需要繼續判斷各離散面元是否位于日照區域，同樣地，計算各離散面元和太陽之間的距離，根據太陽光線和行星相切點到太陽的距離，判斷各離散面元是否處于日照區域，通過判斷面元法線方向與太陽直射方向的夾角可以估計面元的溫度；步驟(4)、計算行星紅外輻射求出行星某個離散小面元溫度之后，由于面元面積較小，可以看作溫度均勻的輻射源，通過對全部面元的輻射求和可以計算行星的紅外輻射，可以根據普朗克函數求解給定波長下行星的光譜輻射出射度，然后求出輻射亮度，根據小面源輻射照度模型，求得視場內的行星面元輻射照度，將各離散面元的輻射求和即可得到給定波長下行星的紅外輻射量；最后，若給定傳感器的起止波長值，可通過對整個波段上積分求和得到該波段內行星的紅外輻射量。2.根據權利要求1中所述的一種基于離散化處理的行星紅外輻射仿真方法，其特征在于：所述步驟(2)中的根據行星表面各離散面元和地球連線與視軸方向的夾角，以及地球視線和行星相切點到地球的距離來判斷各離散面元是否處于視場范圍內的方法：假設P表示行星表面一點，用球坐標系的形式表示該點：其中r為行星半徑，θ為行星上任意一點與Z軸之間的夾角，為行星上任意一點到XOY平面的投影與球...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王文光，屈高龍，李晨鳴，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：北京;11