一种地球红外背景辐射仿真方法及系统与流程

本发明涉及仿真技术领域。更具体地，涉及一种地球红外背景辐射仿真方法及系统。

背景技术

地球红外背景辐射包含大气临边红外背景辐射和地球地表红外背景辐射，其中大气临边红外背景辐射取决于地球大气气体的种类及其温度，地球地面红外背景辐射除以上因素外还取决于地表温度、地表发射率。由于气体能吸收并辐射一定红外波段的能量，大气临边红外背景辐射计算很复杂。目前，红外辐射的计算方法为采用逐线积分法计算两点间的红外辐射，由于两点间的红外辐射与探测点位置，探测角度、大气成分、探测波段、气溶胶、被探测点温度、被探测点发射率、太阳方位、天气情况等诸多因素有关，因此采用逐线积分法计算两点间的红外辐射时计算量很大。而基于逐线积分法计算地球某一背景的红外背景辐射时，计算量更大，达不到快速仿真的要求。

因此，需要提供一种计算量小、计算速度快的地球红外背景辐射仿真方法及系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种计算量小、计算速度快的地球红外背景辐射仿真方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明第一方面提供了一种地球红外背景辐射仿真方法，包括：

建立地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库；

获取基本探测信息；

建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，并进行坐标转换以得到每条探测视线在地球坐标系下的视线方程；

根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数；

根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据，生成地球红外背景辐射图。

优选地，所述建立地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球红外辐射数据库进一步包括：

根据经纬度将地球划分为多个区域，建立存储有每块区域经纬度的不同时间对应的气溶胶、地表温度、地表发射率和天气情况的地球环境数据库；

利用逐线积分法建立包含长波段大气红外辐射数据库和短波段大气红外辐射数据库的大气临边红外辐射数据库，其中，长波段大气红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度和时间，短波段大气红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、时间和太阳方位；

利用逐线积分法建立包含长波段地球红外辐射数据库和短波段地球红外辐射数据库的地球地表红外辐射数据库，其中，长波段地球红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、被探测点温度、被探测点发射率和时间，短波段地球红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、被探测点温度、被探测点发射率、时间和太阳方位。

优选地，所述基本探测信息包括探测器位置、探测时间、探测波段和探测方向。

优选地，所述建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量进一步包括：

设探测器的分辨率为m×n，视场角度为α×β，探测器上下探测角度为α，探测器左右探测角度为β，将探测器的探测区域分为m×n个探测区域，每个探测区域的序号为(i，j)，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，其中，第(i，j)个探测区域的探测视线的方向向量为(t,b,c)，

t＝(2×i-1)×tanα/m

b＝(2×j-1)×tanβ/n

c＝-1。

优选地，所述根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数进一步包括：

根据坐标转换，获得地球坐标系下每条探测视线的视线方程，再根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线与地球的关系以及每条探测视线的探测角度，若探测视线与地球的关系为探测视线与地球相交则计算得到交点的经纬度，若探测视线与地球的关系为探测视线与地球不相交则计算得到探测视线上与地球最近点的经纬度。

优选地，所述根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据，生成地球红外背景辐射图进一步包括：

对于与地球相交的探测视线，根据交点的经纬度及探测时间查询地球环境数据库以获取气溶胶、天气情况、被探测点的地表温度和被探测点的地表发射率；对于与地球不相交的探测视线，根据与地球最近点的经纬度查询及探测时间查询地球环境数据库以获取气溶胶和天气情况；

根据交点或与地球最近点的纬度确定大气成分，根据探测时间、大气成分、气溶胶、探测角度、探测波段、太阳方位以及由地球环境数据库获取的参数查询大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，获取地球背景红外辐射数据，生成地球红外背景辐射图。

本发明第二方面提供了一种执行本发明第一方面提供的方法的地球红外背景辐射仿真系统，包括数据库、输入模块、几何模块、计算模块和输出模块，数据库包括地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库；

输入模块，获取基本探测信息；

几何模块，建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，并进行坐标转换以得到每条探测视线在地球坐标系下的视线方程；

计算模块，根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数；根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据；

输出模块，根据地球红外背景辐射数据生成地球红外背景辐射图。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案能够快速完成地球红外背景辐射的仿真，仿真过程中的计算量小且计算速度快。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；

图1示出本发明实施例提供的地球红外背景辐射仿真方法的流程图。

图2示出探测区域的几何模型示意图。

图3示出本发明实施例提供的地球红外背景辐射仿真系统的示意图。

图4示出实现本发明实施例提供的地球红外背景辐射仿真系统的计算机系统的结构示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种地球红外背景辐射仿真方法，包括：

建立地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，通过建立数据库，可以使仿真地球某一红外背景辐射时的计算时间大幅减少；

获取基本探测信息；

建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，并进行坐标转换以得到每条探测视线在地球坐标系下的视线方程；

根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数；

根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据，生成地球红外背景辐射图。

在本实施例的一些可选的实现方式中，建立地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球红外辐射数据库进一步包括：

根据经纬度将地球划分为多个区域，建立存储有每块区域经纬度的不同时间对应的气溶胶、地表温度、地表发射率和天气情况的地球环境数据库；进一步，本实现方式中，根据经纬度将地球划分为2000×1000个区域；

由于地表温度、地表发射率、气溶胶、天气情况与地球的经纬度有关，所以本实现方式将这四个参数存储在地球环境数据库中，地球环境数据库是根据地球经纬度将地球划分为2000×1000个区域，地球环境数据库中存储有每块区域经纬度的不同时间对应的气溶胶、地表温度、地表发射率和天气情况。地球环境数据库用于快速查询某一时间某一经纬度的气溶胶、地表温度、地表发射率、天气情况。

大气临边红外辐射数据库包含长波段大气红外辐射数据库和短波段大气红外辐射数据库。大气临边红外辐射的被探测点不在地球上，所以被探测点温度和被探测点发射率都是固定不变的且太阳方位会影响短波段的红外辐射而对长波段的红外辐射影响不大，所以探测器探测方向上的长波段大气红外辐射只受探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度和时间这些参数的影响，而短波段的大气红外辐射除以上参数外还受到太阳方位的影响，所以短波段的大气临边红外辐射数据库的建立还需要考虑太阳方位的影响。

利用逐线积分法建立包含长波段大气红外辐射数据库和短波段大气红外辐射数据库的大气临边红外辐射数据库，其中，长波段大气红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度和时间及其对应的红外辐射，短波段大气红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、时间和太阳方位及其对应的红外辐射；

地球地表红外辐射数据库包含长波段地球红外辐射数据库和短波段地球红外辐射数据库。地球地表红外辐射数据库与大气临边红外辐射数据库的不同在于被探测点位置的不同，地球红外辐射数据库中被探测点在地球上，而大气临边辐射数据库中被探测点不在地球上。因此长波段地球红外辐射数据库的建立需要考虑探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、被探测点温度、被探测点发射率和时间。而短波段地球红外辐射数据库的建立需要考虑探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、被探测点温度、被探测点发射率、时间和太阳方位。

利用逐线积分法建立包含长波段地球红外辐射数据库和短波段地球红外辐射数据库的地球地表红外辐射数据库，其中，长波段地球红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、被探测点温度、被探测点发射率和时间及其对应的红外辐射，短波段地球红外辐射数据库存储有探测器高度、大气成分、气溶胶、天气情况、探测角度、被探测点温度、被探测点发射率、时间和太阳方位及其对应的红外辐射。

通过建立上述数据库可以使仿真地球某一红外背景辐射的计算时间大量减少，达到快速工程化的要求。

在本实施例的一些可选的实现方式中，基本探测信息包括探测器位置、探测时间、探测波段和探测方向。

在本实施例的一些可选的实现方式中，建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量进一步包括：

如图2所示，设探测器的分辨率为m×n，视场角度为α×β，探测器上下探测角度为α(最大角度)，左右探测角度为β(最大角度)，将探测器的探测区域分为m×n个探测区域，每个探测区域的序号为(i，j)，每个探测区域的中心到探测器原点的方向为探测视线的方向，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，其中，第(i，j)个探测区域的探测视线的方向向量为(t,b,c)，

t＝(2×i-1)×tanα/m

b＝(2×j-1)×tanβ/n

c＝-1。

在本实施例的一些可选的实现方式中，根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数进一步包括：根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线与地球的关系以及每条探测视线的探测角度，若探测视线与地球的关系为探测视线与地球相交则计算得到交点的经纬度，若探测视线与地球的关系为探测视线与地球不相交则计算得到探测视线上与地球最近点的经纬度，即探测参数包括每条探测视线的探测角度、各探测视线与地球是否相交、与地球相交的探测视线的交点的经纬度以及与地球不相交的探测视线上与地球最近点的经纬度。

在本实施例的一些可选的实现方式中，根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据，生成地球红外背景辐射图进一步包括：

对于与地球相交的探测视线，根据交点的经纬度及探测时间查询地球环境数据库以获取气溶胶、天气情况、被探测点的地表温度和被探测点的地表发射率；对于与地球不相交的探测视线，根据与地球最近点的经纬度查询及探测时间查询地球环境数据库以获取气溶胶和天气情况；

根据交点或与地球最近点的纬度确定大气成分，根据探测时间、大气成分、气溶胶、探测角度、探测波段、太阳方位以及由地球环境数据库获取的参数查询大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，获取地球背景红外辐射数据，生成地球红外背景辐射图，按指定的文件格式将地球红外背景辐射数据保存为数据文件并输出。

本实施例提供的地球红外背景辐射仿真方法能快速完成地球红外背景辐射的仿真。以探测器分辨率为m×n为例，计算一条探测视线距离地球最近距离的经纬度和探测角度等影响红外辐射的参数需要a秒，使用逐线积分法计算该探测视线的红外辐射所需的时间为b秒，而m×n次计算的时间为m×n×(a+b)秒，而根据相关参数建立红外辐射数据库查询相应红外辐射的时间很少可以忽略不计，查询红外辐射数据库完成m×n次的计算只需m×n×a秒。其中a远小于b，所以通过根据影响地球红外背景辐射的相应参数建立红外辐射数据库，可以有效缩短计算时间。

如图3所示，本发明的另一个实施例提供了一种地球红外背景辐射仿真系统，包括：数据库、输入模块、几何模块、计算模块和输出模块，数据库包括地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库；

输入模块，获取基本探测信息；

几何模块，建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，并进行坐标转换以得到每条探测视线在地球坐标系下的视线方程；

计算模块，根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数；根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据；

输出模块，根据地球红外背景辐射数据生成地球红外背景辐射图。

需要说明的是，本实施例提供的地球红外背景辐射仿真系统的原理及工作流程与上述地球红外背景辐射仿真方法相似，相关之处可以参照上述说明，在此不再赘述。

如图4所示，适于用来实现本实施例提供的地球红外背景辐射仿真系统的计算机系统，包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的程序或者从存储部分加载到随机访问存储器(ram)中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram中，还存储有计算机系统操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线被此相连。输入/输入(i/o)接口也连接至总线。

以下部件连接至i/o接口:包括键盘、鼠标等的输入部分；包括诸如液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分；包括硬盘等的存储部分；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分。通信部分经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器也根据需要连接至i/o接口。可拆卸介质，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分。

特别地，根据本实施例，上文流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在计算机可读介质上的计算机程序，上述计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。

附图中的流程图和示意图，图示了本实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或示意图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，上述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，示意图和/或流程图中的每个方框、以及示意和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

描述于本实施例中所涉及到的模块可以通过软件的方式实现，也可以通过硬件的方式来实现。所描述的模块也可以设置在处理器中，例如，可以描述为：一种处理器包括输入模块、几何模块、计算模块和输出模块。其中，这些模块的名称在某种情况下并不构成对该模块本身的限定。例如，几何模块还可以被描述为“几何建模模块”。

作为另一方面，本实施例还提供了一种非易失性计算机存储介质，该非易失性计算机存储介质可以是上述实施例中上述装置中所包含的非易失性计算机存储介质，也可以是单独存在，未装配入终端中的非易失性计算机存储介质。上述非易失性计算机存储介质存储有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被一个设备执行时，使得上述设备：

建立地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库；

获取基本探测信息；

建立探测器的几何模型，获取每条探测视线在探测器坐标系下的方向向量，并进行坐标转换以得到每条探测视线在地球坐标系下的视线方程；

根据每条探测视线在地球坐标系下的视线方程计算得到每条探测视线的探测参数；

根据基本探测信息和每条探测视线的探测参数查询地球环境数据库、大气临边红外辐射数据库和地球地表红外辐射数据库，以获取地球红外背景辐射数据，生成地球红外背景辐射图。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。