遙感衛(wèi)星載荷海洋耀斑觀測(cè)幾何模型研究

代海山 汪少林 姜通 楊勇 何軍 趙其昌

?

遙感衛(wèi)星載荷海洋耀斑觀測(cè)幾何模型研究

代海山 汪少林 姜通 楊勇 何軍 趙其昌

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

為研究遙感衛(wèi)星觀測(cè)海洋耀斑時(shí)耀斑觀測(cè)角度及耀斑長(zhǎng)度的變化規(guī)律，為遙感載荷視場(chǎng)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)，文章在假設(shè)海洋表面完全反射的基礎(chǔ)上，建立了衛(wèi)星載荷海洋耀斑觀測(cè)的完全幾何模型，確定了衛(wèi)星觀測(cè)海洋耀斑的鏡面反射極限位置，并建立方程組求取耀斑觀測(cè)邊緣視場(chǎng)指向角，以此獲取耀斑觀測(cè)角和耀斑長(zhǎng)度。結(jié)合軌道仿真軟件（Satellite Tools Kit，STK），以夏至日和冬至日的太陽(yáng)同步軌道為算例，完成邊緣視場(chǎng)耀斑觀測(cè)指向角、耀斑觀測(cè)角、耀斑長(zhǎng)度的計(jì)算。結(jié)果表明，耀斑觀測(cè)參數(shù)呈現(xiàn)明顯的軌道周期特性，兩個(gè)耀斑觀測(cè)邊緣指向角在冬至日和夏至日變化趨勢(shì)相似，但變化范圍不同；耀斑觀測(cè)角呈類正弦變化，最大約為0.43°；耀斑長(zhǎng)度夏至日時(shí)在0~29.2km范圍內(nèi)變化，冬至日時(shí)在0~29.7km范圍內(nèi)變化。通過(guò)STK軟件生成的耀斑觀測(cè)指向角與文章模型生成的耀斑觀測(cè)邊緣視場(chǎng)指向角進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，表明耀斑觀測(cè)幾何模型正確、合理，可為衛(wèi)星遙感載荷的海洋耀斑觀測(cè)或規(guī)避提供理論依據(jù)和邊界條件。

遙感載荷視場(chǎng)設(shè)計(jì) 海洋耀斑 觀測(cè)幾何模型 仿真分析 “高分五號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

海洋耀斑（Sun glint）是指太陽(yáng)光入射到海洋或內(nèi)陸水體上所形成的一種鏡面反射現(xiàn)象。通過(guò)分析和處理MODIS、MERIS及衛(wèi)星SAR在海洋耀斑區(qū)域的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋溢油的遙感監(jiān)測(cè)[1-3]，而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋水色及海藻天基觀測(cè)，需去除耀斑對(duì)海藻反演的影響[4-5]。通過(guò)建立海洋耀斑反射模型[6]，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)海面波高和海洋水色的探測(cè)[7]，進(jìn)而可反演獲取海面風(fēng)場(chǎng)[8]。遙感衛(wèi)星通過(guò)耀斑對(duì)海洋區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)已發(fā)展成為海洋遙感的一種重要手段[9]。因此，遙感衛(wèi)星在觀測(cè)海洋區(qū)域時(shí)，遙感載荷的海洋耀斑觀測(cè)幾何參數(shù)確定就顯得尤為重要。衛(wèi)星觀測(cè)海洋耀斑區(qū)域時(shí)，載荷觀測(cè)到的耀斑區(qū)域的反射率和輻亮度急劇增加[10]，通常會(huì)對(duì)衛(wèi)星正常觀測(cè)任務(wù)產(chǎn)生影響，尤其針對(duì)高光譜載荷，需充分分析海洋耀斑觀測(cè)視場(chǎng)，對(duì)耀斑成像區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行耀斑觀測(cè)幾何和輻射傳輸建模[6,11]，并對(duì)耀斑成像區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理[12]；對(duì)于主動(dòng)激光雷達(dá)載荷，需要通過(guò)確定耀斑成像的視場(chǎng)及幾何信息，對(duì)儀器視場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化以規(guī)避海洋耀斑區(qū)域；針對(duì)特殊的觀測(cè)任務(wù)，如“高分五號(hào)”衛(wèi)星的大氣環(huán)境探測(cè)任務(wù)，針對(duì)海洋區(qū)域的溫室氣體（CO2、CH4等）探測(cè)[13]，需設(shè)計(jì)特殊的耀斑跟蹤觀測(cè)模式[14]，獲取海洋上空高信噪比的觀測(cè)數(shù)據(jù)[15-17]。由于諸多軌道仿真方法或仿真軟件（Satellite Tools Kit，STK）僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)耀斑中心觀測(cè)指向角的仿真[18-19]，無(wú)法獲取耀斑觀測(cè)角以及可觀測(cè)的耀斑大小信息，因此需發(fā)展一種簡(jiǎn)單有效的仿真計(jì)算耀斑觀測(cè)角度及大?。ū疚闹袨榭捎^測(cè)到的耀斑長(zhǎng)度）的方法，為載荷視場(chǎng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

本文基于海洋鏡面反射原理，建立衛(wèi)星載荷耀斑觀測(cè)幾何模型，確定了衛(wèi)星可觀測(cè)到海洋耀斑的極限視場(chǎng)位置，依據(jù)兩個(gè)極限位置確定了耀斑的觀測(cè)視場(chǎng)角，分析了耀斑觀測(cè)視場(chǎng)角與可觀測(cè)到的耀斑長(zhǎng)度隨衛(wèi)星軌道位置的變化規(guī)律，為衛(wèi)星載荷的耀斑觀測(cè)或規(guī)避提供邊界約束條件。在衛(wèi)星載荷視場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可依據(jù)該模型提供的耀斑觀測(cè)指向角和耀斑觀測(cè)角，確定觀測(cè)耀斑指向的角度范圍及耀斑指向跟蹤的精度；若為規(guī)避海洋耀斑，也可根據(jù)計(jì)算可觀測(cè)的耀斑角度范圍及指向范圍進(jìn)行載荷視場(chǎng)規(guī)避設(shè)計(jì)，為載荷視場(chǎng)設(shè)計(jì)提供邊界條件；在衛(wèi)星入軌后也可依據(jù)計(jì)算耀斑觀測(cè)的角度范圍確定衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)中耀斑觀測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)相應(yīng)的耀斑觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理提供基本的幾何觀測(cè)信息[20]。

1 耀斑觀測(cè)幾何模型

圖1 海洋耀斑觀測(cè)幾何模型

根據(jù)幾何關(guān)系，可形成以下方程：

由式（2）、（3）可得到如下關(guān)系式

將式（6）、（7）、（8）帶入式（4）、（5）可得如下關(guān)系式

可對(duì)式（9）、(10)求1、2的數(shù)值解，其中，1與2需滿足以下關(guān)系式

此時(shí)，可觀測(cè)到的耀斑長(zhǎng)度可表達(dá)為

= πe(2–1)/180 （14）

2 耀斑計(jì)算流程

海洋耀斑觀測(cè)參數(shù)的計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 耀斑計(jì)算流程圖

1）輸入軌道參數(shù)及仿真計(jì)算時(shí)間段到STK軟件中，輸出在耀斑計(jì)算中的太陽(yáng)、地球、衛(wèi)星三體之間的關(guān)鍵參數(shù)：1，2，3，se，，；利用STK中仿真的功能，輸出衛(wèi)星與海洋耀斑的中心點(diǎn)的矢量與衛(wèi)星軸之間的夾角，也即耀斑指向角。

2）將計(jì)算獲得的1、2、3、se、、輸入到耀斑計(jì)算模型中，計(jì)算可觀測(cè)到耀斑的耀斑指向角范圍與耀斑觀測(cè)角。

3）將STK仿真獲得的耀斑指向角與耀斑計(jì)算模型獲得耀斑指向角進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性。

為了驗(yàn)證耀斑計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，使用STK軟件首先建立衛(wèi)星中心位置點(diǎn)與耀斑位置點(diǎn)(Sunglint Point)的矢量，計(jì)算該矢量與星下點(diǎn)矢量之間的夾角，記錄該角度為stk。按照理論模型，若2–stk>0，1–stk<0，則表明計(jì)算結(jié)果正確。

3 計(jì)算分析結(jié)果

選取高度705km，升交點(diǎn)地方時(shí)為13：30，軌道傾角98.2°的太陽(yáng)同步軌道進(jìn)行計(jì)算。分別對(duì)夏至日（2015年6月21日0時(shí)0分~2015年6月22日0時(shí)0分）和冬至日（2015年10月22日0時(shí)0分~2015年10月23日0時(shí)0分）的耀斑觀測(cè)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時(shí)每分鐘一個(gè)點(diǎn)，一天共計(jì)1 441個(gè)點(diǎn)。

圖3為載荷可觀測(cè)到的耀斑視場(chǎng)角在夏至日和冬至日的變化范圍與趨勢(shì)，其中在耀斑觀測(cè)角的最大值約為0.43°，變化趨勢(shì)呈類正弦變化。依據(jù)方程（13），為2與1角的差值；1與2角變化趨勢(shì)如圖4所示，夏至日和冬至日時(shí)，1和2的變化趨勢(shì)相似，但變化范圍不同，如表1所示。圖5為耀斑的鏡面反射角1與2的在夏至日和冬至日的變化曲線，當(dāng)1與2都為90°時(shí)，載荷觀測(cè)不到耀斑，對(duì)應(yīng)角為0的時(shí)刻。圖6計(jì)算了載荷可觀測(cè)的耀斑的大小，在夏至日時(shí)可觀測(cè)到的耀斑長(zhǎng)度在0~29.2km之間變化，在冬至日時(shí)在0~29.7km之間變化。

圖3 海洋耀斑觀測(cè)角θ的變化

圖4 耀斑觀測(cè)的極限位置視線與星下點(diǎn)視線夾角ω1，ω2的變化

表11和2在不同時(shí)間的變化范圍

Tab.1 The variation ranges of ω1 and ω2 at summer solstice and winter solstice

為了驗(yàn)證耀斑觀測(cè)角度計(jì)算的正確性，使用STK軟件生成耀斑指向角stk與耀斑鏡面反射角stk，分別定義為STK中耀斑觀測(cè)矢量與星下點(diǎn)位置的夾角和在鏡面的反射角。利用STK的模擬結(jié)果與耀斑模型的計(jì)算結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，如圖7所示。由于stk與1和2的差值很小，因此進(jìn)行作差比較。從圖8中可以看到，作差分析發(fā)現(xiàn)在鏡面反射角接近90°的臨界區(qū)域存在數(shù)據(jù)的突變問(wèn)題，分析這一現(xiàn)象的發(fā)生主要原因是當(dāng)2和stk達(dá)到90°時(shí)，模型計(jì)算的2和stk為0，而同一時(shí)間點(diǎn)的1還未達(dá)到90°，此時(shí)stk為臨界處的值（約62°）。當(dāng)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行作差時(shí)就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。此外在作差分析發(fā)現(xiàn)在鏡面反射角接近90°的臨界區(qū)域存在1–stk>0的情況。由于STK軟件計(jì)算的stk考慮了更加精細(xì)的模型，如地球的非球形模型，而在耀斑計(jì)算模型中認(rèn)為地球是球形的，這一原因造成了耀斑在鏡面反射角接近90°的臨界區(qū)域發(fā)生數(shù)據(jù)不符的情況。但可以看到，這一偏差非常小，且在其他大部分時(shí)間內(nèi)，數(shù)據(jù)驗(yàn)證的結(jié)果都符合要求，故在本文耀斑計(jì)算的幾何模型中可忽略這一偏差。

圖5 耀斑鏡面反射角β1，β2的變化

圖6 可觀測(cè)到的耀斑長(zhǎng)度的變化

圖7 ωstk，ω1，ω2的變化

圖8 ω2–ωstk，ω1–ωstk變化

為了分析載荷在一軌內(nèi)耀斑計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果與變化趨勢(shì)，對(duì)2015年6月21日0點(diǎn)0分至1點(diǎn)40分和10月22日0點(diǎn)0分至1點(diǎn)40分兩段時(shí)間，各100min的耀斑觀測(cè)進(jìn)行精細(xì)計(jì)算，每2s計(jì)算一組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖9和圖10所示，各參量的變化趨勢(shì)與長(zhǎng)時(shí)間的計(jì)算結(jié)果一致；由于計(jì)算的時(shí)間間隔縮短，故各曲線變化更加平滑和連續(xù)。

圖10 耀斑長(zhǎng)度在一軌內(nèi)的變化

4 結(jié)論

本文建立了衛(wèi)星遙感海洋耀斑觀測(cè)通用幾何模型，計(jì)算了太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星遙感載荷在軌觀測(cè)時(shí)耀斑的觀測(cè)角及大小，通過(guò)分析夏至日和冬至日的耀斑觀測(cè)數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

1）計(jì)算結(jié)果顯示，海洋耀斑觀測(cè)角、耀斑的鏡面反射角、耀斑長(zhǎng)度隨軌道的變化表現(xiàn)出一致的周期性。對(duì)夏至日和冬至日兩天的計(jì)算結(jié)果由于軌道參數(shù)及太陽(yáng)位置的變化，略有不同，但數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一致的規(guī)律性。

2）在高度為705km的太陽(yáng)同步軌道上，使用本文的耀斑觀測(cè)幾何模型，耀斑觀測(cè)角度最大為0.43°，耀斑長(zhǎng)度最大為29.7km，并隨軌道呈現(xiàn)出類正弦變化規(guī)律。

3）使用STK生成模擬耀斑觀測(cè)角對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明使用本文的耀斑觀測(cè)幾何模型計(jì)算的耀斑觀測(cè)角合理有效。

本文的研究結(jié)果可為耀斑觀測(cè)和規(guī)避提供理論依據(jù)，為遙感衛(wèi)星的載荷總體設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

[1] CAROLIS G D, ADAMO M, PASQUARIELLO G. On the Estimation of Thickness of Marine Oil Slicks From Sun-Glittered, Near-Infrared MERIS and MODIS Imagery: The Lebanon Oil Spill Case Study[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(1): 559-573.

[2] ADAMO M, CAROLIS G D, PASQUALE V D, et al. Combined Use of SAR and Modis Imagery to Detect Marine Oil Spills[J]. Proc. of SPIE, SAR Image Analysis, Modeling, and Techniques VII, 2005, 5980: 59800I-1-12.

[3] ADAMO M, CAROLIS G D, PASQUALE V D, et al. On the Combined Use of Sun Glint Modis and Meris Signatures and SAR Data to Detect Oil Slicks[J]. Proc. of SPIE, Remote Sensing of the Ocean, Sea Ice, and Large Water Regions, 2006, 6360: 63600G-1-9.

[4] KIM A M, OLSEN R C, LEE K, et al. Using Panchromatic Imagery In Place of Multispectral Imagery for Kelp Detection in Water[J]. Proc. of SPIE, Ocean Sensing and Monitoring II, 2010, 7678: 767807-1-11.

[5] HU Chuanmin. Observing MODIS Ocean Color Patterns Under Severe Sun Glint[J]. Proc. of SPIE, Ocean Sensing and Monitoring III, 2011, 8030: 80300M-1-6.

[6] 李旭光. 海洋內(nèi)波可見光光學(xué)反射特性研究[J]. 艦船電子工程, 2012, 32(11): 131-146. LI Xuguang. Research of Ocean Internal Waves of Visible Light Optical Reflectance Characteristics[J]. Ship Electronic Engineering, 2012, 32(11): 131-146. (in Chinese)

[7] CURETON G P. Retrieval of Higher Order Ocean Wave Spectra from Sunglint[J]. Geoscience & Remote Sensing Symposium, 2010, 53(1): 272-275.

[8] CURETON G P, ANDERSON S J, LYNCH M J, et al. Retrieval of Wind Wave Elevation Spectra From Sunglint Data[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing Symposium, 2007, 45(9): 2829-2836.

[9] MYASOEDOV A, JOHANNESSEN J A, KUDRYAVTSEV V et al. Sun Glitter as a Tool for Monitoring the Ocean from Space[C]//International Conference on Remote Sensing, Nanjing, 2012: 1-4.

[10] SHIOMI K, YOSHIDA M, SEKIO N. Study for Sun Glint Observation of GOSAT FTS Using MODIS and AMSR-E Data[C]//IEEE International Conference on Geoscience & Remote Sensing Symposium. Denver, 2006: 2060-2063.

[11] 石廣玉. 大氣輻射學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2007. SHI Guangyu. Atmospheric Radiology[M]. Beijing: Science Press, 2007. (in Chinese)

[12] MILLER C I. Evalution of Sun Glint Correction Algorithms for High-spatial Resoluton Hyperspectral Imagery[D]. California USA: Naval Postgraduate School, 2012.

[13] 孫允珠, 蔣光偉, 李云端, 等. 高光譜觀測(cè)衛(wèi)星及應(yīng)用前景[J]. 上海航天, 2017, 34(3): 1-13. SUN Yunzhu, JIANG Guangwei, LI Yunduan, et al. Hyper-spectral Observation Satellite and It’s Appliacation Prospects[J]. Aerospace Shanghai, 2017, 34(3): 1-13. (in Chinese)

[14] 石廣玉, 戴鐵, 徐娜. 衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣CO2濃度研究最新進(jìn)展[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2010, 25(1): 7-13. SHI Guangyu, DAI Tie, XU Na. Latest Progress of the Study of Atmospheric CO2Concentration Retrievals from Satellite[J]. Advances in Earth Sciences, 2010, 25(1): 7-13. (in Chinese)

[15] O′BRIEN D M, POLONSKY I, O'Dell C, et al. Testing the Polarization Model for TANSO-FTS on GOSAT Against Clear-sky Observations of Sun Glint Over the Ocean[J]. IEEE Transactions On Geoscience And Remote Sensing, 2013, 51(12): 5109-5209.

[16] 代海山. 高光譜衛(wèi)星遙感溫室氣體二氧化碳反演技術(shù)研究[D]. 西安: 西安交通大學(xué), 2012 DAI Haishan. The Inversion Technique of Atmospheric CO2from Satellite-based Hyperspectral Observations[D]. Xi′an: Xi′an Jiaotong University, 2012. (in Chinese)

[17] 吳軍, 王先華, 方勇華, 等. 空間外差光譜技術(shù)應(yīng)用于大氣二氧化碳探測(cè)的能力分析[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(1): 1-7. WU Jun, WANG Xianhua, FANG Yonghua, et al. Abilitiy Analysis of Spatial Heterodyne Spectrometer in Atmospheric CO2Detection[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(1): 1-7. (in Chinese)

[18] 陳希軍, 李仁. 基于STK的衛(wèi)星飛行軌跡仿真技術(shù)[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 24(3): 339-343 CHEN Xijun, LI Ren. Simulation Technology of Satellite Flight Orbit Based on STK[J]. Journal of Harbin University of Commerce (Natural sciences edition), 2008, 24(3): 339-343. (in Chinese)

[19] RYU D, KIM S W, KIM D W, et al. Integrated Ray Tracing Simulation of Annual Variation of Spectral Bio-signatures from Cloud Free 3D Optical Earth Model[J]. Proc. of SPIE, Instruments, Methods, and Missions for Astrobiology XIII, 2010, 7819 78190E-1-14.

[20] 李愷, 張晗. 康曉軍. 關(guān)于太陽(yáng)耀斑觀測(cè)的地圖匹配算法實(shí)現(xiàn)[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(6): 58-65. LI Kai, ZHANG Han, KANG Xiaojun. Realization of Map Matching Method for Observation of Solar Flare[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(6): 58-65. (in Chinese)

The Research of Sun Glint Observation Geometry Model for Remote Sensing Satellite

DAI Haishan WANG Shaolin JIANG Tong YANG Yong HE Jun ZHAO Qichang

（Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 200240, China）

In order to research the remote sensing satellite variation law of viewing angles and length for sun glint and supply the basic data for instrument viewing geometry, sun glint observation geometry model for remote sensing satellite was built up and the boundary position of sun glint viewing angles was found based on the assumption of the total mirror reflection on the ocean. Then the equations for the boundary angles of sun glint direction were given and the viewing angles and length of sun glint were obtained. With the aid of satellite orbit simulation software（Satellite Tools Kits, STK）, the boundary angles of sun glint direction, the viewing angles and the length of sun glint were calculated in the condition of sun-synchronous orbit at summer solstice and winter solstice. The results show that these sun glint observation parameters present obvious characteristics of orbital period. The boundary angles of sun glint direction have similar variation trend in the sinusoidal wave with different ranges. The maximum viewing angles of sun glint is 0.43 approximately. The length of viewing sun glint for summer solstice and winter solstice are varying between 0~29.2km and 0~29.7km respectively. By comparison and validation with the STK sun glint calculation results, the sun glint observation geometry model presented in this paper is rational and correct，which can provide the theoretical basis and boundary condition of the sun glint observation or avoidance for remote sensing satellite.

field of view design for remote sensing instrument; sun glint; viewing geometry model; simulation analysis; GF-5 satellite

V474.2

A

1009-8518(2018)03-0085-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.010

代海山，男，1987年生，2012年獲西安交通大學(xué)光學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，主管設(shè)計(jì)師。研究方向是遙感載荷總體設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)應(yīng)用。E-mail：dhs1314@126.com。

2018-05-05

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：王麗霞）