航天tdiccd相機全鏈路數(shù)值仿真方法
【專利摘要】基于在軌成像物理機理的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，屬于光電成像【技術領域】，為了解決衛(wèi)星全鏈路全物理硬件仿真存在的技術問題，本發(fā)明方法包括以下步驟：步驟一，建立包含波譜屬性的觀測場景；步驟二，軌道建模；步驟三，姿態(tài)建模；步驟四，相機光學系統(tǒng)建模；步驟五，星體觀測矢量建模；步驟六，目標相機入瞳輻亮度場建模；步驟七，相機輻射響應建模；步驟八，MTF退化模擬；步驟九，加噪及壓縮模擬；本發(fā)明節(jié)約了仿真成本；排除了全物理仿真平臺自身引入的誤差對成像的影響，準確計算出不同成像時刻傳感器像面各點與相應地物點的投影關系；能夠反映成像過程中的幾何畸變問題；每個模塊都預備接口，便于根據(jù)實際科研需求進行變更升級。
【專利說明】航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光電成像【技術領域】，具體涉及一種基于在軌成像物理機理的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法。
【背景技術】
[0002]隨著衛(wèi)星遙感影像在各領域的廣泛應用，對航天TDIC⑶相機成像質量要求不斷提高?？紤]到航天產(chǎn)品成本很高的情況，準確的地面仿真顯得尤為必要。高精度高分辨率衛(wèi)星成像仿真在衛(wèi)星的技術指標論證、試驗測試、在軌運行評價以及故障模擬分析中都能夠發(fā)揮十分重要的作用。目前，衛(wèi)星對地成像過程仿真大多采用地面全物理成像試驗手段:根據(jù)衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)和相機參數(shù)計算光學遙感器和成像目標之間的相對位置及相對速度關系，利用三軸氣浮轉臺模擬衛(wèi)星平臺，動態(tài)靶標模擬地面景物，并使用光纖陀螺、磁強計等實時測量姿態(tài)角和姿態(tài)角速度信息。然而，這種全物理硬件仿真具有如下不足:
[0003]1、全物理仿真使用硬件實物模擬衛(wèi)星在軌成像狀態(tài)，成本較高、調試周期長；
[0004]2、全物理仿真平臺大多采用平面靶標模擬地面景物，或是帶有立體起伏地形地物的成像靶標，很難反映出地物各點位置和像面各點的精確投影關系，尤其是難以模擬地球曲率對光學遙感器幾何定位及成像畸變的影響；
[0005]3、不同類型的傳感器所需采用的硬件設備也不盡相同，因此單機復用性較差，帶來資源浪費。

【發(fā)明內容】

[0006]為了解決上述航天TDICCD相機全鏈路全物理硬件仿真存在的技術問題，本發(fā)明提出一種針對航天TDICCD相機在軌成像過程，采用數(shù)值模擬技術路線對成像中的每一環(huán)節(jié)進行精確建模。
[0007]航天TDICXD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一，建立包含波譜屬性的觀測場景；
[0009]步驟二，軌道建模；
[0010]步驟三，姿態(tài)建模；
[0011]步驟四，相機光學系統(tǒng)建模；
[0012]步驟五，星體觀測矢量建模；
[0013]步驟六，目標相機入瞳輻亮度場建模；
[0014]步驟七，相機輻射響應建模；
[0015]步驟八，MTF退化模擬；
[0016]步驟九，加噪及壓縮模擬。
[0017]所述的步驟一建立包含波譜屬性的觀測場景具體步驟為:
[0018]首先幾何模型的建立采用三角網(wǎng)DEM的組織形式，三角網(wǎng)DEM包括三角形頂點位置、頂點紋理坐標、頂點法向量、三角形頂點在頂點數(shù)組中的索引，整個觀測場景由一系列三角網(wǎng)DEM組成；
[0019]其次將三角網(wǎng)DEM和波譜屬性通過唯一 ID進行關聯(lián)，波譜數(shù)據(jù)庫包含的數(shù)據(jù)組成:觀測地點信息描述觀測地的經(jīng)緯度、海拔高度典以及面積信息；觀測目標細心描述觀測的典型地物的名稱、所屬類別；反射率值描述了此典型地物在不同波長上的反射率，通過索引ID讀取相應的波譜數(shù)據(jù)。
[0020]所述的步驟二軌道建模具體步驟為:
[0021]首先給定初始時刻衛(wèi)星平臺在J2000慣性坐標系內的位置和速度；然后基于J2000慣性坐標系內的二體軌道動力學微分方程，利用數(shù)值積分算法，對二體軌道動力學微分方程積分，得到下一時刻衛(wèi)星在慣性坐標系下的位置矢量和速度矢量；最后根據(jù)衛(wèi)星在J2000慣性坐標系下的位置速度矢量計算相應的軌道六根數(shù)包括半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角及真近點角。
[0022]所述的步驟三姿態(tài)建模具體步驟為:
[0023]首先給定初始時刻衛(wèi)星本體坐標系相對J2000.0慣性坐標系的姿態(tài)四元數(shù)及體坐標系相對于J2000.0慣性坐標系的姿態(tài)角速度在體系下的分量形式；然后對衛(wèi)星姿態(tài)動力學模型和衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)運動學方程數(shù)值積分，得到下一時刻體系下衛(wèi)星本體坐標系相對慣性坐標系的姿態(tài)角速度及體坐標系相對慣性坐標系的姿態(tài)四元數(shù)。
[0024]所述的步驟四相機光學系統(tǒng)建模具體步驟為:
[0025]相機光學系統(tǒng)建模包含兩大類:第一類是采用理論公式推導的方法對相機光學系統(tǒng)基礎理論建模，包括相機內方位元素建模、光學系統(tǒng)點擴散函數(shù)建模、入瞳到像面的光譜輻射響應特性建模；第二類是采用光線追跡法對光學系統(tǒng)光路幾何建模；
[0026]相機內方位元素由焦距、主點位置、圖像畸變組成，通過平行光管和星點靶標對相機進行標定得到；將光學系統(tǒng)各光學元件的加工誤差，裝調誤差輸入到ZEMAX光學設計軟件中，獲得相應的二維點擴散函數(shù)矩陣；
[0027]基于光線追蹤法建模中光譜響應特性的模型；設光線入射到光學反射表面的入射角為i，可通過光線追蹤法算出；入射波長為λ，則光線經(jīng)過光學反射表面后的光譜響應特性:
[0028]R(i, λ) =r(i) f σ (λ)(1λ
[0029]其中r (i)為鍍膜材料對不同角度入射光線的發(fā)射率；σ ( λ )為鍍膜材料的光譜響應函數(shù)。設光學系統(tǒng)有η個反射表面，則該光線由入瞳到像面的光譜響應特性為:
[0030]
【權利要求】
1.航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一，建立包含波譜屬性的觀測場景； 步驟二，軌道建模； 步驟三，姿態(tài)建模； 步驟四，相機光學系統(tǒng)建模； 步驟五，星體觀測矢量建模； 步驟六，目標相機入瞳輻亮度場建模； 步驟七，相機輻射響應建模； 步驟八，MTF退化模擬； 步驟九，加噪及壓縮模擬。
2.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟一建立包含波譜屬性的觀測場景具體步驟為: 首先幾何模型的建立采用三角網(wǎng)DEM的組織形式，三角網(wǎng)DEM包括三角形頂點位置、頂點紋理坐標、頂點法向量、三角形頂點在頂點數(shù)組中的索引，整個觀測場景由一系列三角網(wǎng)DEM組成； 其次將三角網(wǎng)DEM和波譜屬性通過唯一 ID進行關聯(lián)，波譜數(shù)據(jù)庫包含的數(shù)據(jù)組成--觀測地點信息描述觀測地的經(jīng)緯度、海拔高度典以及面積信息；觀測目標細心描述觀測的典型地物的名稱、所屬類別；反射率值描述了此典型地物在不同波長上的反射率，通過索引ID讀取相應的波譜數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟二軌道建模具體步驟為: 首先給定初始時刻衛(wèi)星平臺在J2000慣性坐標系內的位置和速度；然后基于J2000慣性坐標系內的二體軌道動力學微分方程，利用數(shù)值積分算法，對二體軌道動力學微分方程積分，得到下一時刻衛(wèi)星在慣性坐標系下的位置矢量和速度矢量；最后根據(jù)衛(wèi)星在J2000慣性坐標系下的位置速度矢量計算相應的軌道六根數(shù)包括半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點幅角及真近點角。
4.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟三姿態(tài)建模具體步驟為: 首先給定初始時刻衛(wèi)星本體坐標系相對J2000.0慣性坐標系的姿態(tài)四元數(shù)及體坐標系相對于J2000.0慣性坐標系的姿態(tài)角速度在體系下的分量形式；然后對衛(wèi)星姿態(tài)動力學模型和衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)運動學方程數(shù)值積分，得到下一時刻體系下衛(wèi)星本體坐標系相對慣性坐標系的姿態(tài)角速度及體坐標系相對慣性坐標系的姿態(tài)四元數(shù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟四相機光學系統(tǒng)建模具體步驟為: 相機光學系統(tǒng)建模包含兩大類:第一類是采用理論公式推導的方法對相機光學系統(tǒng)基礎理論建模，包括相機內方位元素建模、光學系統(tǒng)點擴散函數(shù)建模、入瞳到像面的光譜輻射響應特性建模；第二類是采用光線追跡法對光學系統(tǒng)光路幾何建模； 相機內方位元素由焦距、主點位置、圖像畸變組成，通過平行光管和星點靶標對相機進行標定得到；將光學系統(tǒng)各光學元件的加工誤差，裝調誤差輸入到ZEMAX光學設計軟件中，獲得相應的二維點擴散函數(shù)矩陣； 基于光線追蹤法建模中光譜響應特性的模型；設光線入射到光學反射表面的入射角為i，可通過光線追蹤法算出；入射波長為λ，則光線經(jīng)過光學反射表面后的光譜響應特性: R(i, λ) =r(i) f ο (λ)(1λ 其中r(i)為鍍膜材料對不同角度入射光線的發(fā)射率；σ (λ)為鍍膜材料的光譜響應函數(shù)。設光學系統(tǒng)有η個反射表面，則該光線由入瞳到像面的光譜響應特性為:
6.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟五星體觀測矢量建模具體步驟為: 首先根據(jù)目標相機的探測器件安裝參數(shù)及步驟四中建立的相機內方位參數(shù)和光學系統(tǒng)光線幾何模型，計算CCD光敏面各亞像元區(qū)域中心的觀測向量，根據(jù)鏡頭畸變參數(shù)及亞像元中心觀測光線和主光軸夾角，計算該視場的鏡頭畸變量，并對先前計算的觀測向量進行修正；然后根據(jù)J2000.0慣性坐標系至WGS84坐標系時的坐標轉換矩陣模型，結合載荷在衛(wèi)星平臺的安裝矩陣及地面目標點在WGS84系下的經(jīng)緯度坐標，帶入步驟二中下一時刻的軌道位置參數(shù)及步驟三中衛(wèi)星平臺的姿態(tài)參數(shù)，可計算得到成像仿真所需的相機與目標區(qū)域間的相對幾何參數(shù)，即光線矢量數(shù)據(jù)； 在光線追蹤算法中，將光線矢量數(shù)據(jù)和步驟一建立的觀測場景數(shù)據(jù)庫進行求交運算，也就是計算觀測光線方向上離視點最近的三角網(wǎng)與光線的交點，求得交點后通過索引ID號得到該三角網(wǎng)的波譜信息。
7.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟六目標相機入瞳輻亮度場建模具體步驟為: 根據(jù)目標相機成像時的大氣條件、太陽高度角、太陽方位角、衛(wèi)星高度角和衛(wèi)星方位角參數(shù)，通過大氣輻射傳輸模型模擬大氣透過率、大氣后向散射和大氣鄰近效應，獲取地面元在相機入瞳處的輻亮度。
8.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟七相機輻射響應建模具體步驟為: 對各個離散時刻各級CCD獲取目標區(qū)域的平均輻亮度和目標相機A/D轉換關系輸出目標影像對應行列的DN值，得到數(shù)字影像； 最終到達探測器靶面上的輻通量可表示為

9.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟八MTF退化模擬具體步驟為: 根據(jù)基礎影像MTF曲線，由步驟四得到的PSF離散二維矩陣、相機的相對孔徑和地面分辨率參數(shù)，計算相同空間頻率下的MTF對應關系；通過快速傅立葉變換，在頻率域實現(xiàn)對MTF導致的步驟七中輻亮度影像的分辨能力下降的模擬。
10.根據(jù)權利要求1所述的航天TDICCD相機全鏈路數(shù)值仿真方法，其特征在于，所述的步驟九加噪及壓縮模擬具體步驟為: 將模擬噪聲信號加到步驟八得到的無噪聲信號上，判斷是否超出最大灰度值，若超出設為最大值；霰粒噪聲近似用離散泊松分布函數(shù)表示；暗電流噪聲的概率密度分布為泊松分布；轉移噪聲可表不為平均轉移損失電荷數(shù)的均方根值；復位噪聲可表不為
【文檔編號】G01C11/00GK103913148SQ201410116714
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權日:2014年3月26日
【發(fā)明者】金光, 楊飛, 曲宏松, 賀小軍, 鐘興 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所