CN110472303A - 一种空间光学相机成像链路仿真方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电成像技术领域，尤其涉及一种空间光学相机成像链路仿真方法及其系统，所述空间光学相机成像链路仿真方法，包括以下步骤：分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能；所述空间光学相机成像链路仿真方法可以提高仿真结果的准确度。

Description

一种空间光学相机成像链路仿真方法及其系统
技术领域
本发明属于光电成像技术领域，尤其涉及一种空间光学相机成像链路仿真方法及其系统。
背景技术
光学相机成像链路仿真技术经历了从外场实物飞行试验、实验室半实物物理仿真到计算机虚拟仿真技术的演变过程。外场实物飞行试验、实验室半实物物理仿真只能针对具体的仿真阶段和仿真目的，而且其试验成本高、调试周期长；因此目前广泛采用计算机虚拟仿真技术。
随着科学技术的不断进步以及应用需求的不断提高，空间光学相机向高分辨率、高成像质量、轻小型和良好的环境适应性方向改进，而目前常采用的计算机虚拟仿真技术中的模型复杂度不能满足改进后的空间光学相机的成像要求，仿真结果的准确度不高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种空间光学相机成像链路仿真方法及其系统，可以提高仿真结果的准确度。
本发明实施例的第一方面提供了一种空间光学相机成像链路仿真方法，包括以下步骤：分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能。
本发明实施例的第一方面的第一种可能实现的方式中，所述动态成像能力包括地面分辨率、成像幅宽、区域覆盖能力。
结合本发明实施例的第一方面的第一种可能实现的方式，在本发明实施例的第一方面的第二种可能实现的方式中，所述地面分辨率满足以下公式：
其中，GSD为地面分辨率；a为探测器像元尺寸；f为空间光学相机的焦距；H为卫星轨道的高度。
结合本发明实施例的第一方面的第一种可能实现的方式，在本发明实施例
的第一方面的第三种可能实现的方式中，所述成像幅宽满足以下公式：
Sw＝2×H×tan(ω)；
其中，Sw为成像幅宽；H为卫星轨道的高度；ω为空间光学相机的半视角。
结合本发明实施例的第一方面的第一种可能实现的方式，在本发明实施例的第一方面的第四种可能实现的方式中，所述区域覆盖能力满足以下公式：
SD＝R×β；
Sarea＝2π×R2×(1-cosβ)；
其中，SD为侧摆条件下星下点可覆盖幅宽；β为地心角；α为侧摆角，R为地球半径，H为卫星轨道的高度；Sarea为星下点覆盖面积。
本发明实施例的第一方面的第五种可能实现的方式中，所述成像信噪比满足以下公式：
其中，SNR为成像信噪比；Se-为信号电子数；NR为探测器的读出噪声；De-为探测器输出信号电子数；M为时间延迟积分级数。
本发明实施例的第一方面的第六种可能实现的方式中，所述信号电子数满足以下公式：
其中，Ad为探测器单个像元的面积；M为时间延迟积分级数；tint为探测器的积分时间；F#为光学系统的焦比；L(λ)为地面目标辐射在入瞳处产生的光谱辐射亮度；τo(λ)为光学系统的光谱透过率；η(λ)为探测器在波长λ处的量子效率；h为普朗克常数；c为真空中的光速；λ1为空间光学相机工作波段的波长下限；λ2为空间光学相机工作波段的波长上限。
本发明实施例的第一方面的第七种可能实现的方式中，所述根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能之后，还包括：输出光学性能参数；其中，所述光学性能参数包括光学表面面形参数和刚体位移参数。
本发明实施例的第二方面提供了一种空间光学相机成像链路仿真系统，包括：分析模块，用于分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；构建仿真模型模块，用于以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；数据转换模块，用于设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；预测模块，用于根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能。
本发明实施例的第二方面的第一种可能实现的方式中，还包括：输出模块，用于输出光学性能参数；其中，所述光学性能参数包括光学表面面形参数和刚体位移参数。
本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
本发明实施例通过分析基于轨道参数和相机参数的指标体系，以所述指标体系为设计目标，对预设光机结构初始仿真模型进行优化，构建的光机结构仿真模型，可以提高成像仿真结果的准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明提供的所述的空间光学相机成像链路仿真方法的第一实施例的流程示意图；
图2示出了本发明提供的所述的空间光学相机成像链路仿真方法的第二实施例的流程示意图；
图3示出了侧摆条件下侧摆条件下星下点可覆盖幅宽的结构示意图；
图4示出了本发明实施例提供的光学表面的面形分析和刚体位移计算软件界面示意图；
图5示出了本发明实施例提供的基于Patran软件输出文件梳理分析的光学表面面型分析结果示意图；
图6示出了本发明实施例提供的基于UG软件输出文件梳理分析的光学表面面型分析结果示意图；
图7是本发明提供的空间光学相机成像链路仿真系统的第一实施例的结构示意图；
图8是本发明提供的空间光学相机成像链路仿真系统的第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
本发明实施例公开了一种空间光学相机成像链路仿真方法及其系统。
请参阅图1，图1示出了本发明提供的所述的空间光学相机成像链路仿真方法的第一实施例的流程示意图；具体地：
S101，分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；
其中，轨道参数包括轨道类型、轨道高度、轨道倾角等；相机参数包括空间光学相机自身的参数如空间光学相机的焦距、光电器件参数、视场参数等，相机参数还包括空间光学相机的姿态控制能力、无线电高速数据传输(digital data transmission，DDT)等。根据上述参数，可以对地面目标物进行可实现的成像质量分析。
其中，所述动态成像能力包括地面分辨率、成像幅宽、区域覆盖能力。
具体地，地面分辨率可按公式：进行计算；
式中，GSD表示地面分辨率，对于地面目标物的扫描图像，以像元的大小来表示其分辨率；a表示探测器像元尺寸；f表示空间光学相机的焦距；H表示卫星轨道的高度。
具体地，成像幅宽即空间光学相机星下点的地面成像幅宽，其中星下点是指地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点，可以用地理经度、纬度表示。
成像幅宽可按公式：Sw＝2×H×tan(ω)进行计算；
式中，Sw表示成像幅宽；H表示卫星轨道的高度；ω表示空间光学相机的半视角。
结合图3，图3示出了侧摆条件下侧摆条件下星下点可覆盖幅宽的结构示意图；具体地，区域覆盖能力受到卫星星下点轨迹和卫星姿态控制能力如侧摆角度的影响。其中，卫星星下点轨迹是指，卫星星下点的集合；卫星姿态是指卫星星体在轨道上运行时所处的空间指向状态。
区域覆盖能力可按以下公式：
SD＝R×β；
Sarea＝2π×R2×(1-cosβ)进行计算；
其中，SD表示侧摆条件下星下点可覆盖幅宽；β表示地心角；α表示侧摆角，R表示地球半径，H表示卫星轨道的高度；Sarea表示星下点覆盖面积。
具体地，空间光学相机的噪声包括探测器噪声。光电成像系统对地面目标物的成像过程主要为以下步骤：地面目标物发出的辐射光线经过在大气中传播后，进入到光电成像系统的入瞳，入瞳处的辐射经过光学系统作用后到达光电转换器件的像面上进行曝光，探测器将收集到的光信号转化为相应的电信号，即光子在探测器中转换为电子，而后输出到后续的电路中进行相应的信号处理，最终输出可供目视判断的地面目标景物图像。
探测器噪声对成像信噪比的影响可按公式：
进行计算；
式中，SNR为成像信噪比；Se-为目标辐射信号在探测器像元上产生的电子数，也称为信号电子数；NR为探测器的读出噪声；De-为探测器输出信号电子数；M为TDI(Time DelayIntegration，时间延迟积分)级数；
信号电子数Se-与空间光学相机的技术指标和观测条件的关系，可按公式：进行计算；
式中，Ad为探测器单个像元的面积；M为TDI级数；tint为探测器的积分时间；F#为光学系统的焦比；L(λ)为地面目标辐射在入瞳处产生的光谱辐射亮度；τo(λ)为光学系统的光谱透过率；η(λ)为探测器在波长λ处的量子效率；h为普朗克常数，数值上等于6.626×10- 34J·s；c为真空中的光速，数值上等于3×108m/s；λ1为空间光学相机工作波段的波长下限；λ2为空间光学相机工作波段的波长上限。
具体地，动态成像范围是指单幅图像的最大动态范围，为空间光学相机的饱和信号电子书与噪声电子数的比值，可按公式：
进行计算。
式中，Se为饱和信号电子数；Ne为噪声电子数。
S102，以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；
其中，以所述指标体系为设计目标，优化所述光机结构初始仿真模型时，可以通过对光机结构初始仿真模型的设计参数的灵敏度进行分析并优化。
可以根据空间光学相机的设计参数，预设光机结构初始仿真模型；其中空间光学相机的设计参数可以包括机械结构参数、光学系统参数和应用环境参数；其中，应用环境参数包括轨道环境参数、发射环境参数和大气环境参数。轨道环境参数包括轨道轨道类型、轨道高度、轨道倾角等。
具体地，预设光机结构初始仿真模型的其中一种方式可以为：
根据空间光学相机的机械结构参数和应用环境参数，设定机械结构仿真模型；根据空间光学相机的光学系统参数和应用环境参数，设定光学系统仿真模型；结合所述机械结构仿真模型和所述光学系统仿真模型，预设光机结构初始仿真模型。
单独的机械机构仿真模型或光学系统仿真模型，均为单一领域的仿真分析，其仿真模型往往过于理想化，且在工作环境不稳定的情况下，很难正常工作，难以解决复杂工况下的实际问题；将不同领域的仿真模型中的数据进行交换，综合考虑机械结构、光学系统相互关系，进一步提高仿真模型的仿真结果的准确度。
如，在有限元分析软件Patran环境中构建光机系统的机械结构仿真模型，在光学分析软件Zemax环境中构建光机系统的光学系统仿真模型。
具体地，预设光机结构初始仿真模型的另一种方式可以为：
其中空间光学相机的设计参数包括机械结构参数、光学系统参数、应用环境参数、热变形参数；可以根据空间光学相机的机械结构参数、光学系统参数、应用环境参数、热变形参数，设定光机初始仿真模型。综合考虑机械机构、光学系统和热变形的相互影响，进一步提高仿真模型的仿真结果的准确度。
在具体的仿真过程中，可以通过对光机一体化初始仿真模型进行热分析，得知包括光学系统的热变形数据和机械结构的热变形数据，将光学系统的热变形数据和机械结构的热变形数据可以进行拟合，拟合的方式可以采用泽尼克面型拟合，拟合后得到变形后的光学表面，检验变形后镜头的成像质量，进而对机械结构进行优化调整，最大限度减小光学变形对光学系统成像质量的影响。
S103，设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；
具体地，光学系统的光学性能可能受到机械效应的影响，可以通过将有限元分析软件分析得到的机械结构参数作为输入数据，通过数据接口进行数据交换，将机械结构参数导入Zemax环境中进行光学仿真，读取仿真结果，可以预测机械结构在外界扰动下的光学性能，可以分析应力等因素对地面目标物最终像质的影响。
S104，根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能。
本发明实施例，通过分析基于轨道参数和相机参数的指标体系，以所述指标体系为设计目标，对预设光机结构初始仿真模型进行优化，构建光机结构仿真模型，可以提高成像仿真结果的准确度。
结合图2，图2示出了本发明提供的所述的空间光学相机成像链路仿真方法的第二实施例的流程示意图，S104之后，还包括：
S105，输出光学性能参数；其中，所述光学性能参数包括光学表面面形参数和刚体位移参数。
结合图4～图6，图4示出了本发明实施例提供的光学表面的面形分析和刚体位移计算软件界面示意图；图5示出了本发明实施例提供的基于Patran软件输出文件梳理分析的光学表面面型分析结果示意图；图6示出了本发明实施例提供的基于UG软件输出文件梳理分析的光学表面面型分析结果示意图；
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
本发明实施例中，还提供了一种空间光学相机成像链路仿真系统，所述空间光学相机成像链路仿真系统包括各模块用于执行图1对应的实施例中的各步骤。具体请参阅图1对应的实施例中的相关描述。
图7是本发明提供的空间光学相机成像链路仿真系统的第一实施例的结构示意图。如图7所示，该实施例的一种空间光学相机成像链路仿真系统2包括：
分析模块21，用于分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；
构建仿真模型模块22，用于以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；
数据转换模块23，用于设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；
预测模块24，用于根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能。
图8是本发明提供的空间光学相机成像链路仿真系统的第二实施例的结构示意图。如图8所示，所述空间光学相机成像链路仿真系统2还包括：
输出模块25，用于输出光学性能参数；其中，所述光学性能参数包括光学表面面形参数和刚体位移参数。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；
以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；
设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；
根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能。
2.根据权利要求1所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述动态成像能力包括地面分辨率、成像幅宽、区域覆盖能力。
3.根据权利要求2所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述地面分辨率满足以下公式：
其中，GSD为地面分辨率；a为探测器像元尺寸；f为空间光学相机的焦距；H为卫星轨道的高度。
4.根据权利要求2所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述成像幅宽满足以下公式：
Sw＝2×H×tan(ω)；
其中，Sw为成像幅宽；H为卫星轨道的高度；ω为空间光学相机的半视角。
5.根据权利要求2所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述区域覆盖能力满足以下公式：
SD＝R×β；
Sarea＝2π×R2×(1-cosβ)；
其中，SD为侧摆条件下星下点可覆盖幅宽；β为地心角；α为侧摆角，R为地球半径，H为卫星轨道的高度；Sarea为星下点覆盖面积。
6.根据权利要求1所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述成像信噪比满足以下公式：
其中，SNR为成像信噪比；Se-为信号电子数；NR为探测器的读出噪声；De-为探测器输出信号电子数；M为时间延迟积分级数。
7.根据权利要求6所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述信号电子数满足以下公式：
其中，Ad为探测器单个像元的面积；M为时间延迟积分级数；tint为探测器的积分时间；F#为光学系统的焦比；L(λ)为地面目标辐射在入瞳处产生的光谱辐射亮度；τo(λ)为光学系统的光谱透过率；η(λ)为探测器在波长λ处的量子效率；h为普朗克常数；c为真空中的光速；λ1为空间光学相机工作波段的波长下限；λ2为空间光学相机工作波段的波长上限。
8.根据权利要求1所述的空间光学相机成像链路仿真方法，其特征在于，所述根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能之后，还包括：输出光学性能参数；其中，所述光学性能参数包括光学表面面形参数和刚体位移参数。
9.一种空间光学相机成像链路仿真系统，其特征在于，包括：
分析模块，用于分析基于轨道参数和相机参数的指标体系；其中，所述指标体系包括动态成像能力、成像信噪比、动态成像范围；
构建仿真模型模块，用于以所述指标体系为设计目标，优化预设光机结构初始仿真模型，构建光机结构仿真模型；
数据转换模块，用于设置数据接口，通过所述数据接口实现所述光机结构仿真模型中的光机结构仿真数据转换为光学系统数据；
预测模块，用于根据所述光学结构仿真模型和所述光学系统数据，预测分析光学性能。
10.根据权利要求9所述的空间光学相机成像链路仿真系统，其特征在于，还包括：输出模块，用于输出光学性能参数；其中，所述光学性能参数包括光学表面面形参数和刚体位移参数。
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