CN108535862B - 一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，采用朗伯辐射体作为亮度均匀面拓展光源，并且将光源设置在空间遥感相机的入口端，可直接计算得到黑斑法杂光系数，在光线追迹数量满足的情况下，计算杂光系数精度更高，操作简单易行。

Description

一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法
技术领域
本发明涉及空间遥感领域，特别涉及一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法。
背景技术
在低轨空间环境中存在大量的碎片与残骸等人造空间目标，严重威胁空间飞行器的飞行安全，并且对新卫星的发射也存在潜在的威胁，因此，对低轨空间目标进行光电探测与识别具有重要的意义。空间目标本身不发光，只能利用其反射太阳光的特性进行探测，因此目标信号较弱，并且由于目标的尺寸小，在探测器靶面上成点像，与背景对比度较小。为了使光电探测系统满足一定的信噪比，实现对目标的探测，要求光电探测系统具有很高的杂光抑制能力。
对于空间相机，工作时视场外的太阳光、地物散射光和大气漫射光等外部辐射源可能直接或间接地在像面探测器形成杂光，产生假信号，使观测相机像面探测器的对比度和信噪比下降，降低其探测性能，某些情况下甚至会造成系统失效，故正确分析这些杂光源在相机像平面的杂光照度至关重要。
杂散光是指到达光学系统像面的非成像光线，在探测器上形成背景噪声，直接降低像面的信噪比。传统杂散光测量方法之一是黑斑法，也称为积分球法，测量结果用杂光系数V(Veiling Glare Index)来表示，可综合评价光学系统抑制杂散光的能力。
黑斑法可模拟地面背景光产生的杂散光，因此在空间对地观测遥感相机测试中应用广泛。通过辐射传热理论可得到黑斑法杂光系数和点源透射比(Point SourceTransmittance)间的函数关系，黑斑法杂光系数仿真计算通常是由多个方向PST值插值积分间接得到，仿真采用蒙特卡洛光线采样法，但是计算需要多次光线追迹，并且仿真PST视场方向数量有限，杂光系数只能采用近似计算。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，可有效考查及量化各消杂光部件杂光抑制效果以及结构表面特性对杂光抑制的效果。
本发明的实施例中提供一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，所述方法包括：建立发光强度在空间分布满足朗伯辐射体的光源、空间遥感相机以及接收器，所述光源设置在所述空间遥感相机的入口端；
基于蒙特卡罗光线追迹采样法，采用所述光源在空间遥感相机中进行追迹得到接收器上照度数据；
利用得到的所述照度数据和预设关系确定所述杂光系数。
作为一种可能的实现方式，所述预设关系为
Figure BDA0001593108310000021
其中，Eimage-reflection是成像光路中反射光线到达像面探测器的照度，Eimage-scatter是成像光路中散射光线到达像面探测器的照度，Enonimage是非成像光路中包括反射及散射光线到达像面探测器的照度。
作为一种可能的实现方式，黑斑的尺寸与所述空间遥感相机的像面探测器相一致。
作为一种可能的实现方式，所述发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布包括：
Iω＝INcosθ；
其中，IN为发光面在法线方向的发光强度，Iω为和法线成任意角度ω方向的发光强度。
作为一种可能的实现方式，所述入射光线位置(x0,y0,z0)的概率模型为：
Figure BDA0001593108310000022
其中，设空间遥感相机的光照入口半径为R，入射光的辐射能流密度在空间遥感相机入口平面上服从均匀分布，入射到空间遥感相机上的光总能量正比于其入口面积πR2，则空间遥感相机入口表面半径为r的某一环带入射光线的数目正比于它在入口平面的面积2πrdr，R1、R2为(0,1)之间均匀分布的随机数。
作为一种可能的实现方式，根据发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布得到入射光线方向的概率模型为：
Figure BDA0001593108310000031
其中，R3、R4为(0,1)之间均匀分布的随机数，
Figure BDA0001593108310000035
分别是入射光线方向的径向角和切向角，αmax＝π/2。
作为一种可能的实现方式，所述入射光线的方向向量
Figure BDA0001593108310000032
为：
Figure BDA0001593108310000033
作为一种可能的实现方式，所述空间遥感相机的成像视场范围内光线方向可描述为：
Figure BDA0001593108310000034
其中，(Field_Xmin，Field_Xmax)是成像光路在X方向的范围，(Field_Ymin，Field_Ymax)是成像光路在Y方向的范围。
作为一种可能的实现方式，所述方法还包括：
通过跟踪光线路径，统计接收面上各区域光线数目，得到所述空间遥感相机接收面上辐射能流密度的分布。
作为一种可能的实现方式，所述空间遥感相机为反射式光学系统。
本发明提供的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，采用朗伯辐射体作为亮度均匀面拓展光源，并且将光源设置在空间遥感相机的入口端，可直接计算得到黑斑法杂光系数，在光线追迹数量满足的情况下，计算杂光系数精度更高，操作简单易行。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中提供的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的朗伯面光源、空间遥感相机以及像面探测器相对位置示意图，其中，附图标记说明：1、朗伯面光源；2、空间遥感相机；3、像面探测器；4、朗伯面光源出射光线；
图3是本发明实施例中提供的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的朗伯面光源数学模型示意图，其中，附图标记说明：1、朗伯面光源；2、出射光线位置及方向；3、空间遥感相机成像视场光线方向范围。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
结合图1所示，本发明的实施例中提供一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法,所述方法包括:
S101、建立发光强度在空间分布满足朗伯辐射体的光源、空间遥感相机以及接收器，所述光源设置在所述空间遥感相机的入口端。
S102、基于蒙特卡罗光线追迹采样法，采用所述光源在空间遥感相机中进行追迹得到接收器上照度数据。
S103、利用得到的所述照度数据和预设关系确定所述杂光系数。
这里的空间遥感相机为反射式光学系统，对此不做限定。
预设关系为：
Figure BDA0001593108310000051
其中，Eimage-reflection是成像光路中反射光线到达像面探测器的照度，Eimage-scatter是成像光路中散射光线到达像面探测器的照度，Enonimage是非成像光路中光线到达像面探测器的照度，该光线中包括反射光线及散射光线。
在传统黑斑法中，放在亮度均匀扩展面光源上的理想黑斑在被测空间遥感相机像面上形成的黑斑像中心的照度与黑斑移去时像面中心上照度之比定义为杂光系数V(Veiling Glare Index)，其公式表达式为：
Figure BDA0001593108310000052
其中，EB是理想黑斑在被测空间遥感相机像面上形成的黑斑像中心的照度，EW是黑斑移去时像面中心上照度，黑斑法通常采用积分球来实现亮度均匀扩展面光源，人工黑体安装在积分球的内壁上。
一般黑斑法试验测试，假设像面上杂光均匀，因此黑斑为圆视场且尺寸只占像面的一小部分，测试该黑斑区域杂光量进而得到空间遥感相机杂光系数。在本发明中，空间遥感相机像面探测器一般为矩形，为了全面考查杂散光照度在整个像面探测器上的分布，在本发明仿真建模中，设置黑斑的尺寸与整个像面相匹配，即黑斑视场与空间遥感相机成像视场一致。
发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布包括：
Iω＝INcosθ；
其中，IN为发光面在法线方向的发光强度，Iω为和法线成任意角度ω方向的发光强度。
假设空间遥感相机入口为圆形口径，扩展面光源放置在空间遥感相机入口端，如图2所示，朗伯面光源1，空间遥感相机2，像面探测器3，朗伯面光源出射光线4。
亮度均匀的面扩展光源数学模型结合图3所示，其中，朗伯面光源1，出射光线位置及方向2，空间遥感相机成像视场光线方向范围3，入射光线位置(x0,y0,z0)的概率模型为：
Figure BDA0001593108310000061
其中，设空间遥感相机的光照入口半径为R，入射光的辐射能流密度在空间遥感相机入口平面上服从均匀分布，入射到空间遥感相机上的光总能量正比于其入口面积πR2，则空间遥感相机入口表面半径为r的某一环带入射光线的数目正比于它在入口平面的面积2πrdr，R1、R2为(0,1)之间均匀分布的随机数。
根据发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布得到入射光线方向的概率模型为：
Figure BDA0001593108310000062
其中，R3、R4为(0,1)之间均匀分布的随机数，分别是入射光线方向的径向角和切向角，αmax＝π/2。
所述入射光线的方向向量
Figure BDA0001593108310000064
为：
Figure BDA0001593108310000065
所述空间遥感相机的成像视场范围内光线方向可描述为：
其中，(Field_Xmin，Field_Xmax)是成像光路在X方向的范围，(Field_Ymin，Field_Ymax)是成像光路在Y方向的范围。
所述方法还包括：
通过跟踪光线路径，统计接收面上各区域光线数目，得到所述空间遥感相机接收面上辐射能流密度的分布。
蒙特卡罗方法是通过取样大量随机路径的光线来模拟光线及其与光学系统发生的反射、吸收等相互作用。每条光线携带特定的能量，其方向由特定的概率密度函数确定。最后通过跟踪光线路径，统计接收面上各区域光线数目，得到接收面上辐射能流密度的分布，本领域普通技术人员应当了解，具体不作赘述。
本发明提供的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，采用朗伯辐射体作为亮度均匀面拓展光源，并且将光源设置在空间遥感相机的入口端，可直接计算得到黑斑法杂光系数，在光线追迹数量满足的情况下，计算杂光系数精度更高，操作简单易行。
由于建模的方便性和多样性，本发明建模方法可以解决很多在实际测试中存在的困难和问题，可有效考查及量化各消杂光部件杂光抑制效果以及结构表面特性对杂光抑制的效果。具体来说，可以考查结构表面涂层不同吸收率和散射率对空间遥感相机杂光系数值的影响；可考查消光部件不同布局以及数量对杂光系数的影响，例如挡光环数量及布局等因素。本发明建模方法可为空间遥感相机结构轻量化与杂光抑制能力权衡提供量化依据，可为空间遥感相机结构表面涂层光学特性的选择提供仿真依据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法,其特征在于,所述方法包括：
建立发光强度在空间分布满足朗伯辐射体的光源、空间遥感相机以及接收器，所述光源设置在所述空间遥感相机的入口端；
基于蒙特卡罗光线追迹采样法，采用所述光源在空间遥感相机中进行追迹得到接收器上照度数据；
利用得到的所述照度数据和预设关系确定所述杂光系数；
其中，根据发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布得到入射光线方向的概率模型为：
其中，R3、R4为(0,1)之间均匀分布的随机数，θ、
Figure FDA0002290515540000012
分别是入射光线方向的径向角和切向角，αmax＝π/2；
所述预设关系为：
Figure FDA0002290515540000013
其中，Eimage-reflection是成像光路中反射光线到达像面探测器的照度，Eimage-scatter是成像光路中散射光线到达像面探测器的照度，Enonimage是非成像光路中包括反射及散射光线到达像面探测器的照度。
2.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，黑斑的尺寸与所述空间遥感相机的像面探测器相一致。
3.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布包括：
Iω＝INcosθ；
其中，IN为发光面在法线方向的发光强度，Iω为和法线成任意角度ω方向的发光强度。
4.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述入射光线位置(x0,y0,z0)的概率模型为：
Figure FDA0002290515540000021
其中，设空间遥感相机的光照入口半径为R，入射光的辐射能流密度在空间遥感相机入口平面上服从均匀分布，入射到空间遥感相机上的光总能量正比于其入口面积πR2，则空间遥感相机入口表面半径为r的某一环带入射光线的数目正比于它在入口平面的面积2πrdr，R1、R2为(0,1)之间均匀分布的随机数。
5.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述入射光线的方向向量为：
6.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述空间遥感相机的成像视场范围内光线方向可描述为：
其中，(Field_XminField_Xmax)是成像光路在X方向的范围，(Field_YminField_Ymax)是成像光路在Y方向的范围。
7.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过跟踪光线路径，统计接收面上各区域光线数目，得到所述空间遥感相机接收面上辐射能流密度的分布。
8.根据权利要求1所述的计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述空间遥感相机为反射式光学系统。
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