CN107993281B

CN107993281B - 一种空间目标可见光光学特性仿真方法

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Publication number: CN107993281B
Application number: CN201810017794.0A
Authority: CN
Inventors: 张浩鹏; 姜志国; 彭科; 赵丹培; 谢凤英; 尹继豪; 史振威; 罗晓燕
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2021-03-05
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: CN107993281A

Abstract

本发明涉及一种空间目标光学特性仿真方法,包括设置初始参数、STK解析、3DMAX目标建模、导出obj文件和mtl文件、太阳光光谱分段、设置光源亮度参数、构建OpenGL场景、可见光成像等主要步骤。本发明利用STK得到真实场景的轨道姿态信息以及某时刻下太阳光方向，保证了光源方向的真实性，利用3DMAX进行卫星建模，对卫星各部分反射率进行单独设置，同时根据太阳光光谱曲线及OpenGL光源特点设置平行光源，并根据真实的太阳光光谱曲线对各组光源参数进行设置，在克服了传统方法对于复杂几何形体的空间目标的可见光成像难以计算的同时，也比利用双向反射分布函数计算更加快捷，同时达到了效果和速度的双重优势。

Description

一种空间目标可见光光学特性仿真方法

技术领域

本发明涉及空间目标仿真技术领域，具体涉及一种空间目标光学特性仿真方法。

背景技术

为了更有效地利用空间、更深入地探索空间，为未来空间作战提供及时、准确的空间目标信息，各国都积极对天基空间目标监视系统展开研究。但由于短期内难以获取空间目标的实际观测图像，使得在空间目标监视系统的研制过程中缺乏真实数据用于验证所提出的观测图像处理技术和方法，所以建立基于可见光成像的空间目标成像仿真系统具有重要意义。而在天基空间目标成像仿真过程中，最为关键的技术便是如何更为真实的模拟太阳光光源以及对空间目标光学特性进行建模分析，使目标成像亮度更加接近真实情况，为后续图像处理技术提供有效图源。

空间目标的光学特性分析，是目标的光学探测、识别的前提，近年来国内外研究学者对此展开大量研究，综合起来，其方法集中在以下两个方面:

一是将空间目标看成由几种典型形状的漫反射朗伯表面，根据辐射理论和朗伯余弦定律，计算其在空间的光照度，但是这种方法将目标简单看成圆柱体或者长方体各平面的光照度，计算结果与实际情况相差较大，只能用于光散射特性的估算，且实际卫星形状复杂，天线、帆板、主体部分构成的形状不规则，无法完全理想化，使此方法计算结果偏差较大。

二是利用实际测量的材料样片精确的双向反射分布函数(BRDF)，基于物理模型的方法来计算目标的光散射特性，这种方法利用双向反射分布函数可以精确计算材料的光散射特性，具体可采用如下公式进行计算

式中：

为入射光的入射角和方位角，

为散射光的散射角和方位角。L_r是样片经照射后在

方向的辐照度，E_i是

方向上入射光产生的样品表面辐照度。f_r的物理意义是沿着方向

出射的辐照度与方向

入射在被测表面产生的辐照度之比。

但上述方法获取、表示与计算的复杂性，限制了其在工程领域的应用，现主要用于小目标或者点目标成像亮度的计算，而无法用于近距离复杂空间目标成像仿真。总体来说，已有的研究工作，大多都将空间目标假设成简单形状，而对于具有复杂几何形体的空间目标的光散射的计算，都没有提出很好的解决方法。

由此可见，如何提供一种对于具有复杂几何形体的空间目标的光散射的计算依然适用的方法成为空间目标的光学特性分析技术领域的技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对于具有复杂几何形体的空间目标的光散射的计算依然适用的空间目标光学特性仿真方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种空间目标光学特性仿真方法，包括

输入空间场景中目标卫星及平台的轨道六根数和仿真时间作为STK模块的初始参数；

根据所述初始参数精确计算各仿真时刻平台和目标卫星的位姿信息及各仿真时刻太阳光方向信息；此步骤可定义为STK解析，STK(Satellite Tool Kit)是专业的航天分析软件，利用STK卫星工具软件通过解析初始参数，获取平台卫星和目标卫星的在各时刻的位置姿态信息和太阳的位置坐标，省去了以往方法中繁琐的矩阵相乘和坐标转换过程，可对某一任务下的场景进行精确仿真，通过调用STK软件中的STKX组件，真实模拟空间环境，利用预先设置的初始参数计算各时刻平台及目标卫星的位置和姿态信息，同时利用STK解析计算进而输出各时刻下太阳光方向，进而得到某仿真时刻下平台卫星、目标卫星的精确位姿信息和太阳光方向信息。

在3DMAX软件中构建目标卫星的三维模型；3DMAX通过三角面片的方式构建三维模型，通过给定各定点位置，三个点确定一个小面片，各小面片累积构成整个卫星模型，在结构模拟的同时可对各面片的反射系数进行设置，这样卫星目标的帆板及主体各部分反射系数可按照卫星真实反射系数进行设置，解决传统方法中难以反映复杂目标不同部位表面亮度的问题。

将3DMAX建好的目标模型导出为obj文件和mtl文件，将所述obj文件和mtl文件读入到OpenGL中；

根据OpenGL中光源设置要求，将太阳光光谱进行分段；

对应分段后的太阳光光谱，设置OpenGL中的光源亮度参数；

根据所述平台和目标卫星的位姿信息、太阳光方向信息、目标卫星三维模型及光源亮度参数，在OpenGL中构建目标卫星的三维空间场景；

在目标卫星的三维空间场景中进行成像仿真。在成像仿真过程中会涉及对目标表面亮度的计算，亮度计算需要考虑光线是否直接照射在顶点上，光源的散射颜色以及材料的散射属性，具体计算公式如下：

(max{L·n，0})×diffuse_light×diffuse_material

其中：

L＝(L_x，L_y，L_z)，是顶点到光源位置的单位向量。

n＝(n_x，n_y，n_z)，是顶点的单位法相向量。

diffuse_light是光源强度，diffuse_material是材质反射率。

在OpenGL中进行成像仿真时，需要先将RGB三通道亮度分别解算得到卫星可见光仿真彩色图像，将得到的RGB三通道卫星可见光仿真彩色图像进行融合便可得到最终的卫星可见光灰度图像。

本发明的有益效果是：本发明利用STK得到真实场景的轨道姿态信息以及某时刻下太阳光方向，保证了光源方向的真实性，利用3DMAX进行卫星建模，对卫星各部分反射率进行单独设置，同时根据太阳光光谱曲线及OpenGL光源特点设置平行光源，并根据真实的太阳光光谱曲线对各组光源参数进行设置。真实的光源强度，真实的光源方向，真实的位姿数据以及单独设置的卫星模型反射率，使得最终空间目标可见光仿真图像有一定的灰度变化，在克服了传统方法对于复杂几何形体的空间目标的可见光成像难以计算的同时，也比利用双向反射分布函数(BRDF)计算更加快捷，同时达到了效果和速度的双重优势。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述初始参数包括平台及卫星的轨道长轴半径、短轴半径、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角和仿真时间。

采用上述进一步方案的有益效果是输入空间场景中目标卫星及平台的轨道六根数(轨道长轴半径、短轴半径、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角)和仿真时间作为STK模块的初始参数，用于计算目标卫星及平台卫星在各仿真时刻的位置及姿态信息。

进一步，所述在3DMAX软件中构建目标卫星的三维模型包括

定义目标卫星模型上的定点及定点位置；

每相邻三个定点确定一个目标卫星模型上的小面片；

将得到的小面片累积合成整个目标卫星模型。

进一步，所述obj文件保存卫星的结构信息和组成卫星的各面片的顶点信息，所述mtl文件存储对应所述obj文件中组成卫星的各面片的反射系数。

采用上述进一步方案的有益效果是利用3DMAX软件建立卫星模型，导出为obj文件和mtl文件，然后再读入到OpenGL中的方式进行成像仿真，3DMAX通过面片的方式构建三维模型，同时可对各面片的反射系数进行设置，这样卫星目标的帆板及主体各部分反射系数可按照卫星真实反射系数进行设置，解决传统方法中难以反映复杂目标不同部位表面亮度的问题。

进一步，所述OpenGL中光源设置要求为OpenGL中平行光源最多设置8个，每个所述平行光源包含R、G、B三种能量。

进一步，所述将太阳光光谱进行分段，包括

将太阳光光谱曲线按照波长范围为蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长；

计算所述蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长各自占三段波长能量总和的百分比；

将所述蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长按各自波长范围均分为8份，计算各小段波长光谱能量占整个可见光光谱能量的比例。

采用上述进一步方案的有益效果是由于OpenGL中平行光源最多可以设置8个，每个光源为RGB三种能量，通过将太阳光光谱曲线分为蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长，并将三段波长按各自波长范围均分为8份，从而实现了根据太阳光光谱曲线及OpenGL光源特点设置了平行光源。

进一步，所述将太阳光光谱进行分段，包括

将太阳光光谱曲线按照波长范围为380-470nm表征蓝光、波长范围为470-570nm表征绿光、波长范围为570-780nm表征红光，分成三段波长；

计算得到所述蓝光波长占三段波长能量总和的比例为22％，所述绿光波长占三段波长能量总和的比例为32％，所述红光波长占三段波长能量总和的比例为46％；

将所述蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长按各自波长范围均分为8份，其中

所述蓝光段波长分得的8小段波长范围分别为：380-391nm、391-402nm、402-413nm、413-424nm、424-435nm、435-446nm、446-457nm、457-470nm，所述蓝光段波长分得的8小段波长范围占整个可见光光谱能量的比例分别为：0.01、0.01、0.02、0.03、0.03、0.03、0.04、0.05；

所述绿光段波长分得的8小段波长范围分别为：470-482nm、482-495nm、495-507nm、507-520nm、520-532nm、532-545nm、545-558nm、558-570nm，所述绿光段波长分得的8小段波长范围占整个可见光光谱能量的比例分别为：0.05、0.05、0.05、0.04、0.04、0.03、0.03、0.03；

所述红光段波长分得的8小段波长范围分别为：570-596nm、596-622nm、622-648nm、648-674nm、674-700nm、700-726nm、726-752nm、752-780nm，所述红光段波长分得的8小段波长范围占整个可见光光谱能量的比例分别为：0.08、0.07、0.07、0.04、0.05、0.06、0.05、0.04。

进一步，所述对应分段后的太阳光光谱，设置OpenGL中的光源亮度参数，包括

假设太阳光为平行光，设置8组平行光，将太阳光可见光波段分为8组；

对应所述红光段波长、绿光段波长、蓝光段波长各自均分的各小段波长光谱能量占整个可见光光谱能量的比例设置OpenGL中的光源亮度参数，得到8组平行光的光源亮度参数。

采用上述进一步方案的有益效果是在仿真过程中，为了将太阳光谱与OPenGL的光源设置相结合，克服了直接对光的波长进行设置并合成繁琐难操作的问题，由于是根据真实的太阳光光谱曲线设置的，得到的光源参数真是可靠。

进一步，所述8组平行光的光源亮度参数分别为：

{0.08,0.05,0.01}，{0.07,0.05,0.01}，{0.07,0.05,0.02}，

{0.04,0.04,0.03}，{0.05,0.04,0.03}，{0.06,0.03,0.03}，

{0.05,0.03,0.04}，{0.07,0.05,0.01}。

采用上述进一步方案的有益效果是将OpenGL中八组光源的RGB各成分亮度按的红、绿、蓝的顺序对应上述计算得到的各小段波长范围占整个可见光光谱能量的比例整理得到上述8组平行光的光源亮度参数，用于后续在OpenGL中进行成像仿真时目标表面亮度的计算。

附图说明

图1为本发明一种空间目标光学特性仿真方法的方法流程图；

图2为本发明一种空间目标光学特性仿真方法中基于STKX的仿真模式的调用步骤流程图；

图3为本发明一种空间目标光学特性仿真方法的卫星成像图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

参见附图1，本实施例提供一种空间目标光学特性仿真方法，包括以下步骤

S1：设置STK软件的初始参数；输入空间场景中目标卫星及相机平台的轨道六根数和仿真时间作为STK模块的初始参数，目标卫星及平台的轨道六根数具体包括平台及卫星的轨道长轴半径、短轴半径、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角、平近点角。

S2：STK解析；根据初始参数精确计算各仿真时刻平台和目标卫星的位姿信息及各仿真时刻太阳光方向信息；此步骤可定义为STK解析，STK(Satellite Tool Kit)是专业的航天分析软件，利用STK卫星工具软件通过解析初始参数，获取平台卫星和目标卫星的在各时刻的位置姿态信息和太阳的位置坐标，省去了以往方法中繁琐的矩阵相乘和坐标转换过程，可对某一任务下的场景进行精确仿真，通过调用STK软件中的STKX组件，真实模拟空间环境，利用预先设置的初始参数计算各时刻平台及目标卫星的位置和姿态信息，同时利用STK解析计算进而输出各时刻下太阳光方向，进而得到某仿真时刻下平台卫星、目标卫星的精确位姿信息和太阳光方向信息。

具体地，STK有两种仿真模式：基于STK/Connec的典型仿真模式以及基于STKX的仿真模式。在基于前者的这种传统的软件开发模式中，首先需要启动STK软件。这种开发模式中，STK软件和自主研发的应用程序软件分别处于通信的两端，前者作为服务器端，后者作为客户端，两者之间的通信和数据传输采用TCP/IP协议进行。应用程序通过STK/Connect模块接口向STK发送命令，STK收到命令后对其进行解释和处理并返回相应的结果，应用程序根据返回的信息进行进一步的响应。该方法使STK软件不能及时响应用户的操作，并且不能与应用程序进行有效的集成，以及使系统性能降低等缺点。所以这种仿真模式不能在实际中用于需要精确控制的视景仿真的应用程序二次开发。

STKX克服了STK/Connect方式的缺点，具有很多无可比拟的优点，使其真正能被用于开发要求精确控制、功能丰富的视景仿真的应用程序二次开发。

参见附图2，本实施例中采用基于STKX的仿真模式，具体调用步骤为：

S201：调用STK::CreateSTKApp链接STK软件，调用STK::CreateRootPtr创建STK中的场景指针；

S202：利用场景指针，在此场景中添加相应的目标卫星，平台及平台上的平台相机，并设置各相机的轨道参数，设置场景仿真时间段；

S203：调用Graphics Analysis中的DataProviders功能计算在给定场景仿真时间段内各时刻的卫星轨道位置、姿态信息序列以及太阳光方向序列，并将其保存；

S204：根据仿真软件仿真时刻从S203中读取该仿真时刻目标卫星及平台卫星位姿信息及太阳光方向信息。

S3：在3DMAX软件中构建目标模型；3DMAX通过三角面片的方式构建三维模型，通过给定各定点位置，三个点确定一个小面片，各小面片累积构成整个卫星模型，在结构模拟的同时可对各面片的反射系数进行设置。这样卫星目标的帆板及主体各部分反射系数可按照卫星真实反射系数进行设置，解决传统方法中难以反映复杂目标不同部位表面亮度的问题。

S4：将3DMAX建好的目标模型导出为obj文件和mtl文件，将obj文件和mtl文件读入到OpenGL中；

S5：将太阳光光谱按照OpenGL中平行光源最多设置8个，每个平行光源为RGB三种能量的要求进行分段；

S6：对应分段后的太阳光光谱，设置OpenGL中的光源亮度参数；

S7：根据平台和目标卫星的精确位姿信息、太阳光方向信息、目标模型及光源亮度参数，构建OpenGL场景；

S8：在构建的OpenGL场景中进行成像仿真，得到卫星可见光仿真图像，将卫星可见光仿真图像进行融合得到最终的卫星可见光图像。

上述实施例的S4中提到的obj文件用于保存卫星的结构信息和组成卫星的各面片的顶点信息，mtl文件用于存储对应所述obj文件中组成卫星的各面片的反射系数。

上述实施例的步骤S5具体包括

由于OpenGL中平行光源最多可以设置8个，每个光源为RGB三种能量，故此处将太阳光光谱曲线按照波长范围为380-470nm表征蓝光,470-570nm表征绿光,570-780nm表征红光；

三段波长所占能量分别为22％、32％、46％,

将蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长按各自波长范围均分为8份，计算各小段波长光谱能量占整个可见光光谱能量的比例，如下表1所示：

表1各小段波长光谱能量占整个可见光光谱能量的比例记录表

上述实施例的步骤S6具体包括

将光源强度按上表每一列红绿蓝进行设置，设置8组平行光，即各组光源亮度参数设置如下：

{0.08,0.05,0.01}，{0.07,0.05,0.01}，{0.07,0.05,0.02}，

{0.04,0.04,0.03}，{0.05,0.04,0.03}，{0.06,0.03,0.03}，

{0.05,0.03,0.04}，{0.07,0.05,0.01}。

上述实施例的S8中，在成像仿真过程中会涉及对目标表面亮度的计算，亮度计算需要考虑光线是否直接照射在顶点上，光源的散射颜色以及材料的散射属性，具体计算公式如下：

(max{L·n，0})×diffuse_light×diffuse_material

其中：

L＝(L_x，L_y，L_z)，是顶点到光源位置的单位向量。

n＝(n_x，n_y，n_z)，是顶点的单位法相向量。

diffuse_light是光源强度，diffuse_material是材质反射率。

本实施例根据太阳光光谱曲线及OpenGL光源特点设置了8组平行光源，并根据真实的太阳光光谱曲线对各组光源参数进行设置。真实的光源强度，真实的光源方向，真实的位姿数据以及单独设置的卫星模型反射率，使得最终空间目标可见光仿真图像有一定的灰度变化。

本实施例考虑到要构建一个复杂目标的三维模型，使用OpenGL基本的绘图语句，工作量会非常大的问题，因此本实施例利用3DMAX软件建立卫星模型然后再读入到OpenGL中的方式进行成像仿真，3DMAX通过三角面片的方式构建三维模型，同时可对各面片的反射系数进行设置，这样卫星目标的帆板及主体各部分反射系数可按照卫星真实反射系数进行设置，解决传统方法中难以反映复杂目标不同部位表面亮度的问题。

参见附图3，应用本实施例提供的空间目标光学特性仿真方法得到的仿真结果可以直观的从图3所示的卫星成像图中看出，本实施例中的目标模型为天宫一号三维模型，成像距离为20km的连续成像，目标模型逐渐远离平台卫星，且有连续姿态变化。目标卫星各处亮度变化较符合真实成像情况，取得了较好效果。

本发明采用STK+3DMAX+OpenGL的方式进行空间目标光学特性仿真，得到更加接近真实场景的可见光仿真图像，利用STK得到真实场景的轨道姿态信息以及某时刻下太阳光方向，保证了光源方向的真实性，利用3DMAX进行卫星建模，对卫星各部分反射率进行单独设置。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，包括

根据所述初始参数精确计算各仿真时刻平台和目标卫星的位姿信息及各仿真时刻太阳光方向信息；

在3DMAX软件中构建目标卫星的三维模型；

将3DMAX建好的目标卫星的三维模型导出为obj文件和mtl文件，将所述obj文件和mtl文件读入到OpenGL中；

根据OpenGL中光源设置要求，将太阳光光谱进行分段；

对应分段后的太阳光光谱，设置OpenGL中的光源亮度参数；

根据所述平台和目标卫星的位姿信息、太阳光方向信息、目标卫星的三维模型及光源亮度参数，在OpenGL中构建目标卫星的三维空间场景；

在所述目标卫星的三维空间场景中进行成像仿真,得到卫星可见光仿真图像，将所述卫星可见光仿真图像进行融合得到卫星可见光图像；

所述在3DMAX软件中构建目标卫星的三维模型包括：

定义目标卫星模型上的定点及定点位置；

每相邻三个定点确定一个目标卫星模型上的小面片；

将得到的小面片累积合成整个目标卫星的三维模型；

所述obj文件保存卫星的结构信息和组成卫星的各面片的顶点信息，所述mtl文件存储对应所述obj文件中组成卫星的各面片的反射系数。

2.根据权利要求1所述一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，所述目标卫星及平台的轨道六根数包括平台及卫星的轨道长轴半径、短轴半径、轨道倾角、升交点赤经、近地点幅角和平近点角。

3.根据权利要求1所述一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，所述OpenGL中光源设置要求为OpenGL中平行光源最多设置8个，每个所述平行光源包含R、G、B三种能量。

4.根据权利要求1所述一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，所述将太阳光光谱进行分段，包括

将太阳光光谱曲线按照波长范围分为蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长；

5.根据权利要求1所述一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，所述将太阳光光谱进行分段，包括

将所述蓝光段波长、绿光段波长、红光段波长按各自波长范围均分为8份，其中所述蓝光段波长分得的8小段波长范围分别为：380-391nm、391-402nm、402-413nm、413-424nm、424-435nm、435-446nm、446-457nm、457-470nm，所述蓝光段波长分得的8小段波长范围占整个可见光光谱能量的比例分别为：0.01、0.01、0.02、0.03、0.03、0.03、0.04、0.05；

6.根据权利要求4所述一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，所述对应分段后的太阳光光谱，设置OpenGL中的光源亮度参数，包括

7.根据权利要求6所述一种空间目标光学特性仿真方法，其特征在于，所述8组平行光的光源亮度参数分别为：

{0.08,0.05,0.01}，{0.07,0.05,0.01}，{0.07,0.05,0.02}，

{0.04,0.04,0.03}，{0.05,0.04,0.03}，{0.06,0.03,0.03}，

{0.05,0.03,0.04}，{0.07,0.05,0.01}。