本发明提供了一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法，包含以下步骤：(1)以行星球心为原点建立平行于地心直角坐标系的行星直角坐标系；(2)将行星表面离散化，并对行星表面的离散面元遍历，判断其是否处于视场范围内；(3)判断各离散面元是否处于日照区域，根据其法线方向和太阳直射方向的夹角，以及行星表面太阳直射点温度和阴影温度，计算该面元温度；(4)根据黑体辐射和小面源辐射模型，计算行星红外辐射量。本发明在已知行星位置信息的前提下，实现了行星表面温度从太阳直射点到阴影区域的过渡，进而通过黑体辐射模型，计算行星的红外辐射。仿真表明，本发明能够有效的完成传感器视场内行星红外辐射的仿真。
1.一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法，其特征在于：该方法的实现步骤如下：步骤(1)、建立以行星球心为原点的平行于地心直角坐标系的行星直角坐标系在已知太阳系各行星在地心直角坐标系、日心直角坐标系下的位置信息前提下，为了计算和表示方便，建立了平行于地心直角坐标系，以行星球心为原点的行星直角坐标系，首先根据传感器视轴指向将地平坐标系转换到沿视线方向坐标系下，得到视线方向坐标系下的行星位置信息，判断该行星是否可以被探测到，若该行星位于视场范围内，则进行步骤(2)，否则，改变视轴指向继续遍历；
步骤(2)、将行星表面离散化，并对离散面元遍历，判断其是否处于视场观测范围内由于行星直角坐标系，地心直角坐标系，太阳直角坐标系是两两平行的，因此行星坐标系下的地球和太阳位置信息就可以通过简单的坐标转换得到，对行星表面进行离散化处理，依次遍历各离散面元，求得各离散面元到地球的距离，以及和地球的连线与视轴方向的夹角，根据传感器视场大小以及地球视线和行星相切点到地球的距离，来判断各离散面元是否处于视场内，若处于视场内，则进行步骤(3)，否则，继续遍历各离散面元；
步骤(3)、判断视场内离散面元是否位于日照区域，并进行面元温度计算在对行星上的离散面元位置判断完成后，需要继续判断各离散面元是否位于日照区域，同样地，计算各离散面元和太阳之间的距离，根据太阳光线和行星相切点到太阳的距离，判断各离散面元是否处于日照区域，通过判断面元法线方向与太阳直射方向的夹角可以估计面元的温度；
求出行星某个离散小面元温度之后，由于面元面积较小，看作温度均匀的辐射源，通过对全部面元的辐射求和可以计算行星的红外辐射，可以根据普朗克函数求解给定波长下行星的光谱辐射出射度，然后求出辐射亮度，根据小面源辐射照度模型，求得视场内的行星面元辐射照度，将各离散面元的辐射求和即可得到给定波长下行星的红外辐射量；
最后，若给定传感器的起止波长值，可通过对整个波段上积分求和得到该波段内行星的红外辐射量。
2.根据权利要求1中所述的一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法，其特征在于：所述步骤(2)中的根据行星表面各离散面元和地球连线与视轴方向的夹角，以及地球视线和行星相切点到地球的距离来判断各离散面元是否处于视场范围内的方法：假设P表示行星表面一点，用球坐标系的形式表示该点： 其中r为行星半径，θ为行星上任意一点与Z轴之间的夹角，为行星上任意一点到XOY平面的投影与球心的连线和X轴的夹角，将θ, 离散化处理之后，然后将球坐标形式表示的P转换到行星直角坐标系下的离散面元P(x,y,z)；
根据坐标系平行的特性，行星表面上的离散面元在地心坐标系下的坐标P'(x',y',z')为行星球心在地心坐标系下的坐标加上P相对行星球心的偏移量，根据传感器视轴指向(A,H)将P'(x',y',z')投影到沿视线方向的坐标系下Pr(xr,yr,zr)，A为传感器的方位角，H为俯仰角；
然后计算Pr(xr,yr,zr)到地球的连线和视轴之间的夹角α：
接下来需要判断当前面元P是否处于地球观测视场范围内，还需要对其到地球观测位置的距离进行判断，由于地球只能观测到面向地球的一侧，当视线与行星相切时，求得可以观测到的点距离地球的最远距离为：其中， 为地球到行星球心的距离，r为行星半径；
所以仅当 面元P才位于视场内，FOV为传感器视场范围。
3.根据权利要求2所述的一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法，其特征在于：
所述步骤(3)中根据太阳光线和行星相切点到太阳的距离，判断各离散面元是否处于日照区域的方法：求得太阳和行星面向太阳一侧点可以达到的最大距离：
为太阳到行星球心的距离，S为太阳的位置，r为行星半径；
所以仅当行星表面面元P与太阳的距离 满足 时，P才位于日照区域；
对于日照区域内的面元P，根据余弦定理可以求得行星表面面元P法线方向和太阳直射方向的夹角为β：
4.根据权利要求2中所述的一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法，其特征在于：所述步骤(3)中的行星离散面元的温度计算方法：其中，tsunsub为太阳直射行星点的温度；tshadow为行星阴影温度。
一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法
技术领域
[0001] 本发明属于空间目标探测和识别的技术领域，涉及一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法。
背景技术
[0002] 空间背景的红外特性涉及了空间恒星、行星和黄道带的红外辐射，空间背景的红外辐射计算是空间目标探测和识别的重要依据，其中的黄道带影响较弱，恒星由于距离远，并且具有较恒定的辐射光谱，但对于行星的辐射特性，还没有非常有效的仿真计算模型。根据VSOP87C理论可以求得太阳系内行星的初始位置，即行星在地心坐标系、日心坐标系下的位置信息，因此可以借助太阳和行星的几何关系计算行星表面温度，进而计算行星的红外辐射。太阳系的行星在围绕太阳运动的同时，自身也在进行自转，不同的时刻，太阳会照射到行星的不同位置，同时，在地球上观测时，不同的时刻会观测行星不同的部分，由于观测区域和太阳照射区域都是时变的，导致在地球上观测行星的红外辐射时面临较大的困难。本发明通过将行星表面离散化为多个面元，由于面元面积较小，可以看作温度均匀的辐射源，通过判断面元法线与太阳直射方向的夹角可以估计面元的温度，通过对全部面元的辐射求和可以计算行星的红外辐射。太阳系行星的红外辐射计算结果将应用于空间目标探测和识别。
发明内容
[0003] 视场范围内的行星温度是行星辐射量仿真的重要参数之一。由于行星表面存在日照区域以及阴影区域，而从太阳直射点到阴影区域的温度是按照一定的规律过渡的，传统的温度计算方法并没有考虑这一点，将日照区域的温度统一认为直射点的温度，从而影响了行星表面温度计算的准确度。本发明针对行星表面进行离散化处理，建立平行于地心直角坐标系，以行星球心为原点的直角坐标系，对行星上的离散化面元依次遍历，判断其是否处于传感器视场范围内，对于处于日照区域的面元，计算其法线方向和太阳直射方向的夹角，从而可以计算该面元的温度，对于阴影区域的点，不同的点，由于其温度变化微弱，采用阴影温度统一处理，可以提高温度的计算准确度。由于对行星表面进行了离散化处理，因此每个离散单元均可以看作是小面元,是温度均匀的辐射源，根据黑体辐射模型和小面源辐射模型，通过对全部面元的辐射求和可以计算行星的红外辐射。
[0004] 本发明解决其技术问题采用的技术方案为：一种基于离散化处理的行星红外辐射仿真方法，包括以下具体步骤：
[0005] 步骤(1)、建立以行星球心为原点的平行于地心直角坐标系的行星直角坐标系[0006] 在已知太阳系各行星在地心直角坐标系、日心直角坐标系下的位置信息前提下，计算视场范围内行星表面温度的时候，若采用地心直角坐标系，行星表面的点就很难用坐标直接表示出来，而采用日心直角坐标系存在同样的问题，因此就需要建立新的坐标系，为了计算和表示方便，本发明建立了平行于地心直角坐标系，以行星球心为原点的行星直角坐标系。在实际应用中，为了方便计算，首先根据传感器视场指向将地平坐标系转换到沿视线方向坐标系下，得到视线方向坐标系下的行星位置信息，判断该行星是否可以被探测到，若该行星位于视场范围内，进行步骤(2)，否则，改变传感器视轴指向继续遍历。
[0007] 步骤(2)、将行星表面离散化，并对离散面元遍历，判断其是否处于视场观测范围内
[0008] 由于行星直角坐标系，地心直角坐标系，太阳直角坐标系是两两平行的，因此行星坐标系下的地球和太阳位置信息就可以通过简单的坐标转换得到。对行星表面上的点进行离散化处理，依次遍历，求得各离散面元到地球的距离，以及和地球的连线与视轴方向的夹角，根据传感器视场大小以及地球视线和行星相切点到地球的距离，来判断各离散面元是否处于视场内。假设P为行星表面一点，为了方便离散化处理，用球坐标系的形式表示其中r为行星半径，θ为行星上任意一点与Z轴之间的夹角，为行星上任意一点到XOY平面的投影与球心的连线和X轴的夹角。将θ, 离散化处理之后，然后将球坐标表示的形式转换到以行星为原点的直角坐标系下的离散面元P(x,y,z)。
[0009] 根据坐标系平行的特性，行星表面离散面元在地心坐标系下的坐标P'(x',y',z')为行星球心在地心坐标系下的坐标加上P相对行星球心的偏移量。根据传感器视轴指向(A,H)将P'(x',y',z')投影到沿视线方向的坐标系下Pr(xr,yr,zr)，A为传感器的方位角，H为俯仰角。
[0010] 然后计算Pr(xr,yr,zr)到地球的连线和视轴之间的夹角α：
[0011]
[0012] 接下来需要判断当前面元P是否处于地球观测视场范围内，还需要对其到地球观测位置的距离进行判断，由于地球只能观测到面向地球的一侧，当视线与行星相切时，求得可以观测到的点距离地球的最远距离为：
[0013]
[0014] 其中， 为地球到行星球心的距离，r为行星半径。
[0015] 所以仅当 P才位于视场范围内，FOV为传感器视场范围。
[0016] 步骤(3)、判断视场内离散面元是否位于日照区域，并进行面元温度计算[0017] 在对行星上的离散面元位置判断完成后，需要继续判断其是否位于日照区域，同样地，计算各离散面元和太阳之间的距离，根据太阳光线和行星相切点到太阳的距离，判断各离散面元是否处于日照区域，然后计算各离散面元法线方向和太阳直射方向的夹角，求得各离散面元的温度。
[0018] 已知日心坐标系下的行星位置，根据坐标系平行的特性，对日心坐标系下的行星坐标改变符号，即可得到以行星球心为原心的坐标下的太阳坐标，S为太阳位置。
[0019] 求得太阳和行星面向太阳一侧点可以达到的最大距离：
[0020]
[0021] 为太阳到行星球心的距离，S为太阳的位置，r为行星半径。
[0022] 所以仅当行星表面面元P与太阳的距离 满足 时，P才位于日照区域。
[0023] 对于日照区域内的面元P，根据余弦定理可以求得行星表面面元P法线方向和太阳直射方向的夹角为β：
[0024]
[0025] 则行星表面各离散面元的温度tp可以按照下式计算：
[0026]
[0027] 其中，tsunsub为太阳直射行星点的温度；tshadow为行星阴影温度。
[0028] 步骤(4)、计算行星红外辐射
[0029] 求出行星某个离散小面元温度之后，由于面元面积较小，可以看作温度均匀的辐射源，可利用普朗克函数求解给定波长下行星的光谱辐射出射度，然后求出辐射亮度，根据小面源辐射照度模型，求得视场内的行星面元辐射照度，将各离散面元的辐射求和即可得到给定波长下行星的红外辐射量。
[0030] 最后，若给定传感器的起止波长值，可通过对整个波段上积分求和得到该波段内行星的红外辐射量。
[0031] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0032] (1)本发明所建立的直角坐标系以行星球心为原心，并且与地心坐标系平行，在已知行星位置信息前提下，只需要通过简单的向量运算就可以完成行星表面面元的表示和遍历；
[0033] (2)本发明所采用的离散化方法对行星表面进行遍历，日照区域各离散面元的温度根据其法线方向和太阳直射方向夹角求得，从直射点到阴影区域逐渐过渡，而不是采用单一的直射点温度；
[0034] (3)本发明将行星表面离散化为多个面元，由于面元面积较小，可以看作温度均匀的辐射源，通过对全部面元的辐射求和可以完成行星红外辐射的仿真。
附图说明
[0035] 图1为本发明基于离散化处理计算行星表面温度的流程图；
[0036] 图2为本发明建立的平行于地心坐标系的以行星直角坐标系；
[0037] 图3为本发明判断行星上的面元是否处于视场范围内的示意图；
[0038] 图4为本发明采用的小面源辐射模型。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
[0040] 在视场内行星红外辐射仿真过程中，本发明采用行星表面的离散化处理，建立平行于地心坐标系的行星球心直角坐标系，依次遍历行星表面的面元，判断其是否处于视场范围内，对于视场范围内的面元，通过判断面元法线方向与太阳直射方向的夹角可以估计面元的温度，通过对全部面元的辐射求和可以计算行星的红外辐射。其流程图如图1所示，具体包括4个步骤。
[0041] 1、建立以行星球心为原点的平行于地心直角坐标系的行星直角坐标系
[0042] 根据VSOP87C理论可以求得太阳系各行星在地心直角坐标系、日心直角坐标系下的位置信息。在计算视场范围内行星表面温度的时候，若采用地心直角坐标系，行星表面的点就很难用坐标直接表示出来，而采用日心直角坐标系存在同样的问题，因此就需要建立新的坐标系，为了计算和表示方便，本发明建立了平行于地心直角坐标系，以行星球心为原点的行星直角坐标系。在实际应用中，为了方便计算，首先根据传感器视场指向将地平坐标系转换到沿视线方向坐标系下，得到视线方向坐标系下的行星位置信息，判断该行星是否可以被探测到，若该行星位于视场范围内，进行步骤2，否则，改变传感器的视轴指向继续遍历。
[0043] 2、将行星表面离散化，并对离散面元遍历，判断其是否处于视场观测范围内[0044] 建立行星直角坐标系后，由于行星直角坐标系，地心直角坐标系，太阳直角坐标系是两两平行的，因此行星坐标系下的地球和太阳位置信息就可以通过简单的坐标转换得到。图2所示，P为行星表面一点，为了方便离散化处理，用球坐标系的形式表示该点：其中r为行星半径，θ为行星上任意一点与Z轴之间的夹角，为行星上任意一点到XOY平面的投影与球心的连线和X轴的夹角。将θ, 离散化处理之后，然后将球坐标表示的形式转换为行星坐标系下的直角坐标形式：
[0045]
[0046] 得到行星为原点的直角坐标系下的离散面元P(x,y,z)。本发明中Δθ＝1rad,θ∈[0,π],
[0047]
[0048] 根据坐标系平行的特性，行星表面上的离散面元P(x,y,z)在地心坐标系下的坐标P'(x',y',z')：
[0049]
[0050] 其中，O(xo,yo,zo)为行星在地心坐标系下的位置。
[0051] 根据传感器视轴指向(A,H)将P'(x',y',z')投影到沿视线方向的坐标系下Pr(xr,yr,zr)(图3所示)，A为传感器的方位角，H为俯仰角。
[0052] 然后计算Pr(xr,yr,zr)到地球的连线和视轴之间的夹角α(图3所示)：
[0053]
[0054] 接下来需要判断P是否处于地球观测视场范围内，还需要对其到地球观测位置的距离进行判断，由于地球只能观测到面向地球的一侧，当视线与行星相切时，如图3所示，求得可以观测到的点距离地球的距离为：
[0055]
[0056] 其中， 为地球到行星球心的距离，r为行星半径。
[0057] 所以仅当 P才位于视场范围内，FOV为传感器视场范围。
[0058] 3、判断视场内离散面元是否位于日照区域，并进行面元温度计算
[0059] 在对行星上的离散面元位置判断完成后，需要继续判断其是否位于日照区域，同样地，计算各离散面元和太阳之间的距离，根据太阳光线和行星相切点到太阳的距离，判断各离散面元是否处于日照区域，然后计算各离散面元法线方向和太阳直射方向的夹角β，求得各离散面元的温度。
[0060] 已知日心坐标系下的行星位置，根据坐标系平行的特性，对日心坐标系下的行星坐标改变符号，即可得到以行星球心为原心的坐标下的太阳坐标，图2中S为太阳位置。
[0061] 求得太阳和行星面向太阳一侧点可以达到的最大距离(图2所示)：
[0062]
[0063] 为太阳到行星球心的距离，r为行星半径。
[0064] 所以仅当行星表面面元P与太阳的距离 满足 时，P才位于日照区域。
[0065] 对于日照区域内的面元P，根据余弦定理可以求得行星表面面元P法线方向和太阳直射方向的夹角为β(图2所示)：
[0066]
[0067] 则行星表面各离散面元的温度tp可以按照下式计算：
[0068]
[0069] 其中，tsunsub为太阳直射行星点的温度；tshadow为行星阴影温度。
[0070] 4、计算行星红外辐射
[0071] 求出行星某个离散小面元温度之后，由于面元面积较小，可以看作温度均匀的辐射源，可利用普朗克函数求解给定波长λ下行星面元的光谱辐射出射度Mbb。
[0072] 普朗克函数给出如下式所示：
[0073]
[0074] 式中：h为普朗克常数，h＝6.624×10-34J·s；c为光速；λ为给定的波长(μm)；KB为玻尔兹曼常数，KB＝1.38×10-23J/K；T为小面元的温度；c1为第一辐射常数，c1＝(3.7415±0.0003)×108(W·μm4/m2)；c2为第二辐射常数，c1＝hc/k＝(1.43879±0.00019)×104(μm·K)。
[0075] 得到辐射体的辐射出射度Mbb之后，根据下式得到辐射亮度L：
[0076]
[0077] 然后根据小面源辐射照度模型(图4所示)，求得视场内的行星面元辐射照度。
[0078] 小面源在被照面所产生的辐射照度为：
[0079]
[0080] 图4中ΔA为被照面积，ΔAs为小面源面积，ΔAs和ΔA的法线与l的夹角分别为θs和θ。
[0081] 由步骤2可知，将地平坐标转换到沿视线方向的坐标系下之后，视轴方向为观测点E的法线方向，所以行星表面面元P和地球连线到视轴方向的夹角θ＝α。
[0082] 而行星表面面元P的法线方向指向行星球心，则θs即为PO连线与PE连线之间的夹角。
[0083] 根据余弦定理，可以求得θs：
[0084]
[0085] 然后根据式(10)得到小面源辐射照度E，单位W/cm2，最后将各离散面元的辐射求和得到视场内给定波长下的行星红外辐射量。
[0086] 若给定传感器的起止波长值λs、λe，可通过对整个波段上积分求和得到该波段内行星的红外辐射量：
[0087]
[0088] 本发明中Δ(λ)＝0.05μm。
[0089] 某次仿真中，观测时间设为2014年1月至12月每月的第一天，以力学时0h为准，观测者经纬度为100°E，20°N，视场角1.5度，传感器起止波长λs＝8.0μm，λe＝10.0μm，水星表面的太阳直射点温度为620K，阴影温度为103K。首先需要遍历全天球，找到合适的视轴指向，使水星在视场范围内，然后采用本发明的仿真方法，计算水星的红外辐射量，计算结果如表1所示，验证了本方法行星红外辐射仿真的有效性。
[0090] 表1：水星红外辐射仿真结果
[0091]
[0092] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
[0093] 尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于本发明实施例和附图所公开的内容。
