CN104697751A - 复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法 - Google Patents

Abstract

复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，涉及光学探测系统的杂散辐射领域，本发明以光辐射传播的蒙特卡罗法为基本计算原理，在多尺度空间几何结构以及能量级下进行建模，进而对光谱特性和能量级信息特征标识进行仿真计算，在计算过程中，引入尺度间耦合关系作为不同尺度下几何特征和光学特性的结合点，这些耦合关系包括区域虚拟界面光辐射特性、界面能量级分裂倍数与抽样概率模型、微结构散射等效面的双向反射分布函数，再综合运用多层次区域分解技术、多能级光线分裂技术、反向/双向蒙特卡罗法光线跟踪技术求解方法，进而实现对空间光学系统多尺度杂散辐射传输的有效仿真。它可用于光学探测系统的多尺度杂散辐射的仿真。

Description

复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法

技术领域

本发明涉及一种多尺度杂散辐射仿真方法，该方法可具体应用在具有复杂结构的空间光学探测系统中，能够对复杂空间光学系统中杂散辐射传输过程中进行多尺度分析。

背景技术

在空间探测系统中，杂散辐射波段分为可见光与多个红外光谱波段(如短波红外、中波红外、长波红外等)，而来自光机系统、空间背景和干扰性环境的杂散辐射需要在相同的光谱波段才能进行分析。因此在杂散辐射定向传输特性分析的过程中，首先需要建立准确的辐射源发射模型。

在不同的光谱波段内，辐射探测的来源、形成机制和特性不同：

在可见光波段，杂散辐射主要来自太阳辐射以及地球大气对太阳辐射的反射和散射形成的被动性二次辐射源。对其传输过程的分析，需要根据光机系统的几何结构、表面材料的光散射特性建立辐射源的发射模型。对动态辐射源，需考虑其与一次辐射源(太阳)的动态几何关系。

在红外波段，来自光机系统的杂散辐射主要包括两部分：由光机系统内部自身热辐射以及光机系统对太阳和地球大气红外辐射的散射。其中，光机系统自身热辐射由其表面温度、表面材料红外发射特性、表面几何外形结构决定，属于一次辐射源，与自身的热力状态密切相关，并且受光机系统内部传热与外部热环境影响较大；而光机系统对太阳辐射和地球大气红外辐射的散射属被动性二次辐射源，主要与探测对象几何外形构、表面红外散射特性有关。

空间背景辐射是探测视场角内除光机系统外的辐射源，通常包括地球－大气背景辐射、宇宙星空背景辐射等。其中宇宙星空背景辐射属一次辐射源，比较简单，许多情况下可忽略；可见光波段和红外波段的地球－大气背景辐射相对都比较稳定，但需要考虑辐射方向性约束。

对于环境杂散辐射源，在可见光波段主要包括：太阳辐射和地球大气反射太阳光对探测系统的直接或间接照射；光机系统外表面和内部机构对太阳辐射和地球大气反射太阳光的散射；在红外波段主要包括：视场外地球大气红外辐射，光机内部件热辐射以及光机系统外部产生的热辐射。通常，光机内部件热辐射又称为内部杂散辐射，视场外地球大气红外辐射和反射太阳光、太阳光直接照射通称为外部杂散辐射。

辐射光线由辐射源至探测机构的传输过程包含以下几个子过程：从辐射源/背景/空间和地球/太阳至光学载荷平台的传输，载荷平台至光机遮光罩的传输以及遮光罩向光机内部至探测机构的传输等。在这些过程中，几何尺度发生了从千米级到微米级的巨大变化。与此同时，在光机外部涉及复杂的几何结构和遮挡关系，而在光机内部的光学元件种类繁多、形状和尺寸各异，小尺度遮光元部件结构复杂并且会发生边缘衍射，这些特点都进一步增加了辐射光线传输过程的复杂性。

杂散辐射传输过程的上述不同特征的多尺度性对杂散辐射的传播产生耦合性的影响，使得杂散辐射传输全过程的综合分析异常复杂和困难。进而，直接对整个系统杂散辐射传输过程进行模拟分析计算量将十分巨大，常规的商业软件(ASAP、TracePro、LightTools等)无法满足该类完整求解域的计算需求。因此，设计开发一种空间、光谱和能量多尺度的一体化杂散辐射分析软件是非常必要的。

发明内容

本发明是为了解决辐射光线由辐射源至探测机构的传输会发生变化，对光电系统造成影响，目前缺少对光学探测系统杂散辐射传输过程进行探测的方法的问题。现提供复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法。

复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据光机系统的空间几何布局，采用虚拟边界包覆面将整个空间区域包围形成三维封闭空间，作为杂散辐射传播的空间求解区域，并通过定义虚拟边界包覆面的辐射特性来反映杂散辐射源的特性，

步骤二、利用虚拟边界包覆面对光机系统内的每个设备构成的求解区域分解为第一层次的区域，然后根据求解区域的空间几何结构特征，将外部遮光结构所在的第一层次的区域进行第二层次的区域分解；根据杂散辐射传播过程的能量级衰减特性和第二层次的区域空间几何结构的复杂程度，进一步将第二层次的区域分解为若干层次区域，

步骤三、针对各层子区域，建立多级坐标系统中相邻两级坐标系统的转换矩阵，并在子区域当地坐标系中采用标准形式二次方程对所有实体表面进行数学描述；同时对各子区域的虚拟界面进行相邻两级区域的坐标系数学描述，

步骤四、采用光机系统入口为分界面，对外部光线进行反向跟踪，对内部光线进行正向跟踪，确定每一束抽样光线的去向，结合多层次区域分解以及多能级光线分裂求解技术，在各个子区域内解出所跟踪的光线的与各个表面的交点，并将该点的坐标由当地坐标转换为系统坐标，继续跟踪光线进一步的去向，直到该抽样光线到达探测阵列或被光机内某部件吸收为止，

步骤五、对到达接收面上的光线进行数目统计，计算各杂散辐射源到达接收面的杂散辐射进入比例以及杂散辐射线的辐射通量，

步骤六、根据获得的杂散辐射的统计参数，实现对复杂空间光学探测系统辐射能量的仿真。

本发明的有益效果为：本发明基于光热辐射传输的蒙特卡罗法求解原理，从计算域边界面发射代表杂散辐射源能量特征的抽样光线，通过跟踪每束光线，记录光线的路径和去向(光线最终的去向有三种：被吸收，到达仪器的接收面或者逃逸出系统)，对到达接收面上的光线进行数目统计，利用辐射传输理论确定由各杂散辐射源到达接收面的杂散辐射能量及分布，结合计算和分析的结果，对原有的光学系统的结构布置提出改进措施，包括遮光罩等光学器件几何结构的调整，传感器空间布局的调整以及相关元件及其表面的辐射物性的调整等。通过对原系统的改进和优化，将杂散辐射对光机系统探测性能的影响降低到最低水平。

通过建立复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，实现从杂散辐射源至探测阵列传输全过程的定量模拟计算，对多光谱探测整个过程中的杂散辐射来源、危险路径和影响程度进行有效分析求解，对复杂空间光学探测系统的杂散辐射追踪和预测、抑制设计和光机结构改进具有重要指导意义。

附图说明

图1为复杂结构空间光学系统的杂散辐射求解域及区域行分解的示意图，附图标记1-1表示宇宙背景辐射，附图标记1-2表示地气反射辐射，附图标记1-3表示虚拟包裹面，附图标记1-4表示太阳辐射，

图2为杂散辐射传输过程整体模拟的双向蒙特卡罗法与正向、反向蒙特卡罗法求解原理对比示意图，附图标记2-1表示杂散辐射源，附图标记2-2表示杂散辐射光线，附图标记2-3表示分界面，附图标记2-4表示探测面，→表示正向跟踪，表示反向跟踪，

图3为多能级光线分裂示意图，

图4为在特定尺寸遮光罩内部的光线传输示意图，其中，遮光罩内壁结构蜂窝式镶嵌结构，结构单元为正六棱柱形，选定遮光罩内部一假想平面为分界面将遮光罩分解为两个求解区域，在遮光罩入口表面采用双向蒙特卡罗法进行杂散辐射传输跟踪计算，图中附图标记1表示入口面；附图标记2表示遮光罩底面(接收面)；附图标记3表示圆台侧壁面(蜂窝内壁结构)；附图标记4表示分界面；附图标记5表示传输光线与分界面的交点，

图5为光线按照一定倍数进行分裂进行模拟计算时，运用双向蒙特卡罗法进行求解得到的遮光罩出口面(传感器光学入口面)的杂散辐射的辐射能量分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，它包括以下步骤：

步骤一、根据光机系统的空间几何布局，采用虚拟边界包覆面将整个空间区域包围形成三维封闭空间，作为杂散辐射传播的空间求解区域，并通过定义虚拟边界包覆面的辐射特性来反映杂散辐射源的特性，

步骤二、利用虚拟边界包覆面对光机系统内的每个设备构成的求解区域分解为第一层次的区域，然后根据求解区域的空间几何结构特征，将外部遮光结构所在的第一层次的区域进行第二层次的区域分解；根据杂散辐射传播过程的能量级衰减特性和第二层次的区域空间几何结构的复杂程度，进一步将第二层次的区域分解为若干层次区域，

步骤三、针对各层子区域，建立多级坐标系统中相邻两级坐标系统的转换矩阵，并在子区域当地坐标系中采用标准形式二次方程对所有实体表面进行数学描述；同时对各子区域的虚拟界面进行相邻两级区域的坐标系数学描述，

步骤四、采用光机系统入口为分界面，对外进行反向跟踪，对内进行正向跟踪，确定每一束抽样光线的去向，结合多层次区域分解以及多能级光线分裂求解技术，在各个子区域内解出所跟踪的光线的与各个表面的交点，并将该点的坐标由当地坐标转换为系统坐标，继续跟踪光线进一步的去向，直到该抽样光线到达探测阵列或被光机内某部件吸收为止，

步骤五、对到达接收面上的光线进行数目统计，计算各杂散辐射源到达接收面的杂散辐射进入比例以及杂散辐射线的辐射通量，

步骤六、根据获得的杂散辐射的统计参数，实现对复杂空间光学探测系统辐射能量的仿真。

本实施方式中，结合具体的附图3中的蜂窝结构遮光罩实例进一步介绍本发明，本例针对某型光学系统中的蜂窝内壁遮光罩的杂散辐射传输过程进行分析。

遮光罩内壁变蜂窝微结构单元的几何尺度为10^-3m级，遮光罩几何尺度10^-1m级，采用真实物理结构模型进行光线跟踪计算会导致巨大的计算量，利用蜂窝等效散射模型作为两个尺度的联结，首先对单个蜂窝结构的散射特性进行模拟获得双向反射分布函数BRDF数据，通过BRDF数据库建立等效面的散射特性概率模型。通过双向蒙特卡罗法BDMCM中反向跟踪确定进入遮光罩的杂散辐射基本信息，采用等权光线抽样原则对入射光进行随机抽样，采用正向跟踪对内部的传输过程进行模拟计算。

为减少计算量，提高计算效率，本算例还基于逐步加权的思想，对遮光罩内的杂散辐射传递通过分级过滤进行逐步加权抽样，提出了杂散辐射传递分析的多能级光线分裂求解技术。如附图3所示，该求解技术的实现方法是将光线从抑制结构入口面向出口面、后端光学系统的传递途径分解为多个能量级依次降低的区段，仅对可能向系统后端传递的光线进行高倍数分裂，而对绝大多数被抑制结构吸收或反射回环境去的杂散辐射线分裂倍数较低。

本发明针对的杂散辐射传输问题包含以下三个不同的层次：

第一层次：通过运用多层区域分解技术，在特定的立体角约束的范围内，采用反向蒙特卡罗法或者双向蒙特卡罗法进行求解，解决复杂结构光学系统的多光谱杂散辐射从辐射源到单个传感器探测面的杂散辐射传输过程整体模拟分析。

第二层次：在对光机系统进行多层次区域分解的基础上，结合虚拟区域界面光学特性表征、多级能量光线分裂技术与二次抽样模拟，实现具有大衰减比抑制结构的传感器系统的杂散辐射蒙特卡罗模拟的高效率计算。

第三层次：以基于双向反射分布函数(BRDF)表征的各向异性等效面为结合点，通过等效面BRDF求解或直接模拟、等效面与光学元件组成的宏观表面系统传输模拟两个尺度的计算，获得小尺度抑制结构的杂散辐射传输特性。

相对于太阳辐射光源和地气反射光源而言，光学探测系统的入口面的几何尺度很小；而探测源阵列面相对于光机入口面的尺度也很小。采用正向跟踪方法对杂散辐射传输过程分析，为获得有效的统计结果，需要发射的光线数目十分巨大；而采用反向跟踪方法跟踪计算，即通过模拟计算接受面对辐射源的辐射传递因子，然后根据倒易性关系获得辐射源对接受面的辐射传递因子，在相同的精度要求下，所需的模拟抽样的光线数目的数量级会显著降低。

对含有多个辐射源的光机系统的杂散辐射定向传输问题，各辐射源的面积可能相差悬殊，而重要辐射源往往面积较小。这时，完全采用正向蒙特卡罗法或者反向蒙特卡罗法进行跟踪计算均会产生巨大的计算量，使得计算效率降低。针对这种情形，本发明创新提出了双向跟踪计算法。这种方法在正向蒙特卡罗法和反向蒙特卡罗的基础之上，以光机系统入口为分界面，对外进行反向跟踪计算，对内进行正向跟踪计算，通过模拟光线的立体角约束限制，可将抽样模拟次数降低到10¹⁰以内；进一步对正向计算采用分裂跟踪，可将抽样模拟次数降低到10⁷以内。基于蒙特卡罗法进行辐射定向传输的三种计算方法的对比如附图2所示。

在每个“封闭”的子系统内部，光线与结构表面的交点一定位于其源点所在的当前子系统内某一表面上或者在该子系统与其相邻子系统的分界面上，其中分界面既可以是实际存在的半透明表面，也可以是虚拟的透明平面。

首先在光线出射源点所在的子系统内求交点。在当地坐标系下，将一束光线的参数方程与组成封闭系统的N个表面方程联立求解，得到当地坐标系下光线与各表面的交点坐标，舍去不能反应光线实际性质的参数值：对不透明表面，需判断光线是否为正向入射，舍去不符合条件的参数；对半透明表面无需进行判断。求解得到交点后，根据各表面的边界约束条件判断所求的参数确定的交点是否在其限定区域内。

实施例：

1.将附图4所示的整个遮光罩作为空间求解区域，选取遮光罩内部的表面1为BDMCM抽样的分界面，在表面1到杂散辐射源的区间采用反射跟踪光线，在表面1到遮光罩底面2采用正向跟踪光线。

2.对附图4中的遮光罩进行几何建模，以底面圆心为原点建立系统坐标系，在系统坐标系下对入口面1，接收面2，圆台壁面3，分界面4进行数学描述，并确定各个表面的法线方向。

3.对蜂窝结构单独作为一个求解尺度，仿真等效散射特性，建立杂散辐射在遮光罩内壁的等效表面散射模型。

4.为减小计算量，提高计算效率，分界面4将求解域分解为两个子区域，并在进行光线计算时采用多能级光线分裂技术对杂散辐射线进行跟踪计算，光线分裂扩大了原有的抽样光线总数，但对整体的统计结果没有影响，经模拟计算得到稳定时杂散辐射能量分布，如附图5所示。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，各子区域的虚拟界面的光学特性，为一侧全吸收、另一侧黑体定向发射或约束立体角内发射面。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，在子区域当地坐标系中采用标准形式二次方程对所有实体表面进行数学描述的方法为：

实体表面方程标准形式为：

F(x_i)＝C_ijx_ix_j+C_ix_i+C₀＝0，

式中，为散辐射射线原点的坐标(x₁,x₂,x₃)，射线的方向矢量为向量m_i；参数t≥0，表示光线到达点与源点之间的距离；x_i、x_j为笛卡尔坐标系张量(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；C_ij与C_i分别为方程的二次项和一次项的系数，C₀为方程的常数项。

由于在实际光学系统中，某一部件表面只是方程所表示表面中的部分区域，因此需要引入边界约束来进一步描述各个表面，边界约束通过将相关的约束表面方程改写成二次不等式来表示，即：

其中，分别是某一表面第k个约束面方程的二次项系数、一次项系数、常数项。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，结合多层次区域分解以及多能级光线分裂求解技术，在各个子系统内解出所跟踪的光线的与各个表面的交点的方法为：

将表示光线的几何射线参数方程与子系统内每个表面的方程联立求解，得到n个参数t的值，n为表面的个数，

对于参数t的所有实数解，首先舍去取t≤0的情况；进而，对于不透明表面，若同时满足边界约束不等式和不等式m_i·n_i<0，其中，m_i为射线的方向向量，n_i为表面法向矢量，则该参数t值为光线与表面交点的解；对半透明表面，若参数t满足边界约束不等式，则参数t为光线与表面交点的解，最终，所有参数t解中最小值表示的交点，即为杂散辐射光线与该子系统表面的真正交点。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法作进一步说明，本实施方式中，步骤三中，对到达接收面上的光线进行数目统计，计算各杂散辐射源到达接收面的杂散辐射进入比例以及杂散辐射线的辐射通量的方法为：

统计到达接收面总的杂散辐射光线数目N，其所占总跟踪光线N_t的比例即为杂散辐射的进入比例η＝N/N_t，每束光线所携带的能量为e＝E/n，

其中，E表示杂散辐射源的辐射能量，n为表面抽样光线数密度，

则接收面杂散辐射的辐射通量为Φ＝N·e，将接收面划分为多个单元，对于面积为A_i的接收面单元，该单元的能流密度表示为q_i＝Φ_i/A_i，Φ_i为该单元杂散辐射通量。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，第一层次的区域分解根据设备布局，将单个设备独立在一个区域；第二层次的区域分解是单个设备的空间再次划分；为简化求解杂散辐射光线传播复杂程度，可进一步对第二层次的区域空间划分，如此类推，完成求解域的多层次区域分解。

Claims (6)

1.复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、根据光机系统的空间几何布局，采用虚拟边界包覆面将整个空间区域包围形成三维封闭空间，作为杂散辐射传播的空间求解区域，并通过定义虚拟边界包覆面的辐射特性来反映杂散辐射源的特性，

步骤二、利用虚拟边界包覆面对光机系统内的每个设备构成的求解区域分解为第一层次的区域，然后根据求解区域的空间几何结构特征，将外部遮光结构所在的第一层次的区域进行第二层次的区域分解；根据杂散辐射传播过程的能量级衰减特性和第二层次的区域空间几何结构的复杂程度，进一步将第二层次的区域分解为若干层次区域，

步骤三、针对各层子区域，建立多级坐标系统中相邻两级坐标系统的转换矩阵，并在子区域当地坐标系中采用标准形式二次方程对所有实体表面进行数学描述；同时对各子区域的虚拟界面进行相邻两级区域的坐标系数学描述，

步骤四、以光机系统入口为分界面，对外部光线进行反向跟踪，对内部光线进行正向跟踪，确定每一束抽样光线的去向，结合多层次区域分解以及多能级光线分裂求解技术，在各个子区域内解出所跟踪的光线的与各个表面的交点，并将该点的坐标由当地坐标转换为系统坐标，继续跟踪光线进一步的去向，直到该抽样光线到达探测阵列或被光机内某部件吸收为止，

步骤五、对到达接收面上的光线进行数目统计，计算各杂散辐射源到达接收面的杂散辐射进入比例以及杂散辐射线的辐射通量，

步骤六、根据获得的杂散辐射的统计参数，实现对复杂空间光学探测系统辐射能量的仿真。

2.根据权利要求1所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，其特征在于，步骤三中，各子区域的虚拟界面的光学特性，为一侧全吸收、另一侧黑体定向发射或约束立体角内发射面。

3.根据权利要求1所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，其特征在于，步骤三中，在子区域当地坐标系中采用标准形式二次方程对所有实体表面进行数学描述的方法为：

实体表面方程标准形式为：

F(x_i)＝C_ijx_ix_j+C_ix_i+C₀＝0，

式中， 为散辐射射线原点的坐标(x_1,x₂,x₃)，射线的方向矢量为向量m_i；参数t≥0，表示光线到达点与源点之间的距离；x_i、x_j为笛卡尔坐标系张量(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；C_ij与C_i分别为方程的二次项和一次项的系数，C₀为方程的常数项。

由于在实际光学系统中，某一部件表面只是方程所表示表面中的部分区域，因此需要引入边界约束来进一步描述各个表面，边界约束通过将相关的约束表面方程改写成二次不等式来表示，即：

$F_k\left(x_i\right)=C_{\mathrm{ij}}^k{x}_i{x}_j+C_i^k{x}_i+C_0^k\&GreaterEqual;0,$

其中，分别是某一表面第k个约束面方程的二次项系数、一次项系数、常数项。

4.根据权利要求1所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，其特征在于，步骤三中，结合多层次区域分解以及多能级光线分裂求解技术，在各个子系统内求解所跟踪的光线的与各个表面的交点的方法为：

将表示光线的几何射线参数方程与子系统内每个表面的方程联立求解，得到n个参数t的值，n为表面的个数，

对于参数t的所有实数解，首先舍去取t≤0的情况；进而，对于不透明表面，若同时满足边界约束不等式和不等式m_i·n_i<0，其中，m_i为射线的方向向量，n_i为表面法向矢量，则该参数t值为光线与表面交点的解；对半透明表面，若参数t满足边界约束不等式，则参数t为光线与表面交点的解，最终，所有参数t解中最小值表示的交点，即为杂散辐射光线与该子系统表面的真正交点。

5.根据权利要求1所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度探测方法，其特征在于，步骤三中，对到达接收面上的光线进行数目统计，计算各杂散辐射源到达接收面的杂散辐射进入比例以及杂散辐射线的辐射通量的方法为：

统计到达接收面总的杂散辐射光线数目N，其所占总跟踪光线N_t的比例即为杂散辐射的进入比例η＝N/N_t，每束光线所携带的能量为e＝E/n，

其中，E表示杂散辐射源的辐射能量，n为表面抽样光线数密度，

则接收面杂散辐射的辐射通量为Φ＝N·e。

6.根据权利要求1所述的复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，其特征在于，步骤二中，第一层次的区域分解根据系统内设备结构和布局，将单个设备独立在一个区域；第二层次的区域分解是单个设备的空间再次划分；为简化求解杂散辐射光线传播复杂程度，可进一步对第二层次的区域空间划分，完成求解域的多层次区域分解。