[發(fā)明專利]航天TDI CCD相機(jī)全鏈路數(shù)值仿真方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410116714.9
• 申請(qǐng)日: 2014-03-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103913148B
• 公開(kāi)（公告）日: 2016-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 金光;楊飛;曲宏松;賀小軍;鐘興
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G01C11/00
• 分類號(hào): G01C11/00
• 代理公司: 長(zhǎng)春菁華專利商標(biāo)代理事務(wù)所 22210
• 代理人: 南小平

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于在軌成像物理機(jī)理的航天TDICCD相機(jī)全鏈路數(shù)值仿真方法。

背景技術(shù)

隨著衛(wèi)星遙感影像在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)航天TDICCD相機(jī)成像質(zhì)量要求不斷提高。考慮到航天產(chǎn)品成本很高的情況，準(zhǔn)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(shù)指標(biāo)論證、試驗(yàn)測(cè)試、在軌運(yùn)行評(píng)價(jià)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(duì)地成像過(guò)程仿真大多采用地面全物理成像試驗(yàn)手段：根據(jù)衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)和相機(jī)參數(shù)計(jì)算光學(xué)遙感器和成像目標(biāo)之間的相對(duì)位置及相對(duì)速度關(guān)系，利用三軸氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)模擬衛(wèi)星平臺(tái)，動(dòng)態(tài)靶標(biāo)模擬地面景物，并使用光纖陀螺、磁強(qiáng)計(jì)等實(shí)時(shí)測(cè)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：

1、全物理仿真使用硬件實(shí)物模擬衛(wèi)星在軌成像狀態(tài)，成本較高、調(diào)試周期長(zhǎng)；

2、全物理仿真平臺(tái)大多采用平面靶標(biāo)模擬地面景物，或是帶有立體起伏地形地物的成像靶標(biāo)，很難反映出地物各點(diǎn)位置和像面各點(diǎn)的精確投影關(guān)系，尤其是難以模擬地球曲率對(duì)光學(xué)遙感器幾何定位及成像畸變的影響；

3、不同類型的傳感器所需采用的硬件設(shè)備也不盡相同，因此單機(jī)復(fù)用性較差，帶來(lái)資源浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述航天TDICCD相機(jī)全鏈路全物理硬件仿真存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種針對(duì)航天TDICCD相機(jī)在軌成像過(guò)程，采用數(shù)值模擬技術(shù)路線對(duì)成像中的每一環(huán)節(jié)進(jìn)行精確建模。

航天TDICCD相機(jī)全鏈路數(shù)值仿真方法，包括以下步驟：

步驟一，建立包含波譜屬性的觀測(cè)場(chǎng)景；

步驟二，軌道建模；

步驟三，姿態(tài)建模；

步驟四，相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)建模；

步驟五，星體觀測(cè)矢量建模；

步驟六，目標(biāo)相機(jī)入瞳輻亮度場(chǎng)建模；

步驟七，相機(jī)輻射響應(yīng)建模；

步驟八，MTF退化模擬；

步驟九，加噪及壓縮模擬。

所述的步驟一建立包含波譜屬性的觀測(cè)場(chǎng)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(diǎn)位置、頂點(diǎn)紋理坐標(biāo)、頂點(diǎn)法向量、三角形頂點(diǎn)在頂點(diǎn)數(shù)組中的索引，整個(gè)觀測(cè)場(chǎng)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(guò)唯一ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)，波譜數(shù)據(jù)庫(kù)包含的數(shù)據(jù)組成：觀測(cè)地點(diǎn)信息描述觀測(cè)地的經(jīng)緯度、海拔高度典以及面積信息；觀測(cè)目標(biāo)細(xì)心描述觀測(cè)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(zhǎng)上的反射率，通過(guò)索引ID讀取相應(yīng)的波譜數(shù)據(jù)。

所述的步驟二軌道建模具體步驟為：

首先給定初始時(shí)刻衛(wèi)星平臺(tái)在J2000慣性坐標(biāo)系內(nèi)的位置和速度；然后基于J2000慣性坐標(biāo)系內(nèi)的二體軌道動(dòng)力學(xué)微分方程，利用數(shù)值積分算法，對(duì)二體軌道動(dòng)力學(xué)微分方程積分，得到下一時(shí)刻衛(wèi)星在慣性坐標(biāo)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(biāo)系下的位置速度矢量計(jì)算相應(yīng)的軌道六根數(shù)包括半長(zhǎng)軸、偏心率、軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)幅角及真近點(diǎn)角。

所述的步驟三姿態(tài)建模具體步驟為：

首先給定初始時(shí)刻衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)J2000.0慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)四元數(shù)及體坐標(biāo)系相對(duì)于J2000.0慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角速度在體系下的分量形式；然后對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模型和衛(wèi)星姿態(tài)四元數(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程數(shù)值積分，得到下一時(shí)刻體系下衛(wèi)星本體坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)角速度及體坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)四元數(shù)。

所述的步驟四相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)建模具體步驟為：

相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)建模包含兩大類：第一類是采用理論公式推導(dǎo)的方法對(duì)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)基礎(chǔ)理論建模，包括相機(jī)內(nèi)方位元素建模、光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)建模、入瞳到像面的光譜輻射響應(yīng)特性建模；第二類是采用光線追跡法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)光路幾何建模；

相機(jī)內(nèi)方位元素由焦距、主點(diǎn)位置、圖像畸變組成，通過(guò)平行光管和星點(diǎn)靶標(biāo)對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定得到；將光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)元件的加工誤差，裝調(diào)誤差輸入到ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，獲得相應(yīng)的二維點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)矩陣；

基于光線追蹤法建模中光譜響應(yīng)特性的模型；設(shè)光線入射到光學(xué)反射表面的入射角為i，可通過(guò)光線追蹤法算出；入射波長(zhǎng)為λ，則光線經(jīng)過(guò)光學(xué)反射表面后的光譜響應(yīng)特性：

R(i,λ)＝r(i)∫σ(λ)dλ

其中r(i)為鍍膜材料對(duì)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(yīng)函數(shù)。設(shè)光學(xué)系統(tǒng)有n個(gè)反射表面，則該光線由入瞳到像面的光譜響應(yīng)特性為：