CN112485901A - 一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，包括步骤：在光线追迹软件中建立空间遥感相机模型；设置相机结构的表面属性；在光线追迹软件中建立光源、接收器一和接收器二，光源设置在相机焦面上的待分析视场位置，接收器一设置在物方相应视场位置，接收器二设置在相机的入口外；基于蒙特卡罗光线追迹采样法进行逆向追迹，分别得到接收器一和接收器二上的照度数据；根据照度数据和预设关系确定杂光系数；对杂光的路径进行分析后得到杂光路径。在相机结构散射模型设置正确的情况下，利用本发明的方法在消杂光结构设计阶段可获得定量的效果数据，便于比较分析不同结构的消杂光效果，避免光学遥感系统较强杂光的出现。
Description
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，特别是涉及一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法。
背景技术
在对地遥感成像领域，杂散光会对成像带来较大影响，相机实际在轨成像调制传递函数(Modulation Transfer Function，MTF)会比地面实测值和预估值低，降低图像的清晰度，特别是多探测器拼接时，杂光的存在会导致片间色差的难以校正等问题。在近年发展迅速的夜光遥感和空间目标监测等暗弱目标探测领域，杂光的影响更是严重，会极大降低图像信噪比甚至湮灭信号。因此杂散光的消除和消杂光效果的评估至关重要。
杂光系数是评价遥感成像系统消杂光效果的重要指标，但是传统上遥感成像系统的杂光系数在设计阶段难以定量评价，只能在相机研制完成后通过黑斑法测试得到。现有的设计阶段仿真得到杂光系数的方法主要有两种：一种是通过辐射传热理论得到黑斑法杂光系数和点源透射比(Point Source Transmittance，PST)间的函数关系，通过多个方向PST的仿真结果插值积分间接得到杂光系数，这种方法因为PST仿真分析中视场方向数量有限，杂光系数只能得到近似值，复杂且不够准确；另一种是公开号为CN108535862A的发明专利——一种计算空间遥感相机黑斑法杂光系数的仿真建模方法，该方法是模拟黑斑法测试光路通过正向追迹仿真成像光路中散射光线到达像面探测器的照度与非成像光路中光线到达像面探测器的照度之和与成像光路中反射光线到达像面探测器的照度的比值得到杂光系数，该方法需要评估不同路径的杂光占比——反射光能量、散射光能量和非成像光能量等，因此只适用于反射式光学系统，对折射式或者折反射式光学系统因无法准确分离出相应类别的光线而适应性不足，此外使用该方法不能快速找出杂光来源。
杂光消除多是根据理论分析和经验设置杂光阻断结构，而遥感相机内的杂光路径复杂，凭借理论设计的消杂光结构难免有不足之处，需要进行仿真分析。现阶段不同视场的PST追迹仿真是获取杂光路径的主要方法，通过PST随角度变化的曲线形状获取像面能量异常的视场点——可能存在杂光的入射角度，此方法分析的准确度和视场的数量成正比，因为对每一个视场的分析均需要执行一次光线追迹，因此该方法耗时较长且易有遗漏。
发明内容
因此，针对传统仿真分析方法存在的诸多缺点，本发明提供了一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，可以在设计阶段定量预估任意视场的杂光系数，且可快速找出主要杂光来源。不仅适用于反射光学系统，对其他折反射光学系统、折射式光学系统均适用。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，包括以下步骤：
步骤一：在光线追迹软件中建立空间遥感相机模型；
步骤二：根据表面材料特性和光线的入射角度设置所述空间遥感相机模型的相机结构的表面属性；
步骤三：在所述光线追迹软件中建立光源、接收器一和接收器二，所述光源设置在空间遥感相机焦面上的待分析视场位置，所述接收器一设置在物方相应视场位置，所述接收器二设置在空间遥感相机的入口外；
步骤四：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逆向追迹，分别得到所述接收器一和所述接收器二上的照度数据；
步骤五：根据所述接收器一和所述接收器二上的照度数据和预设关系确定杂光系数；
步骤六：抠除所述接收器二上中心区域的成像光线后，得到所有杂光，对这些杂光的路径进行分析后得到杂光路径。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，将空间均匀辐射光源设置在遥感相机焦面上的待分析视场位置，通过一次逆光路追迹获知主要的杂光路径，通过对两个接收器光线数量的统计和计算可得到相机的杂光系数。在相机结构散射模型设置正确的情况下，利用该方法在消杂光结构设计阶段可获得定量的效果数据，便于比较分析不同结构的消杂光效果，避免光学遥感系统较强杂光的出现。
附图说明
图1是本发明实施例中提供的快速获取杂光来源和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杂光系数的空间遥感相机、像面探测器、光源、接收器一和接收器二相对位置示意图；
图3是杂光路径获取示意图；
其中，1、接收器一；2、接收器二；3、空间遥感相机入光口或入瞳；4、空间遥感相机；5、像面探测器；6、光源；7、光源出射光线。
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。下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
在其中一个实施例中，如图1所示，本发明提供一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：在光线追迹软件中建立空间遥感相机模型；
步骤二：根据表面材料特性和光线的入射角度设置空间遥感相机模型的相机结构的表面属性；
步骤三：在光线追迹软件中建立光源、接收器一和接收器二，光源设置在空间遥感相机焦面上的待分析视场位置，接收器一设置在物方相应视场位置，接收器二设置在空间遥感相机的入口外；
步骤四：基于蒙特卡罗光线追迹采样法，采用光源在空间遥感相机中进行逆向追迹，分别得到接收器一和接收器二上的照度数据；
步骤五：根据接收器一和接收器二上的照度数据和预设关系确定杂光系数，其中预设关系为：
其中，Etotal是到达像面探测器的总照度，根据光路可逆原理，即为接收器二接收到的照度，Eimage是成像光路中按照正常路径到达像面探测器的照度，根据光路可逆原理，即为接收器一接收到的照度；
步骤六：抠除接收器二上中心区域的成像光线后，得到所有杂光，对这些杂光的路径进行分析后得到杂光路径。
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，其公式表达式为：
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，ET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。
在本发明中，如图2所示，根据光路可逆原理，光源尺寸即为黑斑像的尺寸，光源可以是圆形可以是方形，大小可根据待分析视场大小设置，在此设置半径为a的圆形光源，光源中心点坐标位置为(XS，YS，ZS)。
光源发光强度在空间分布满足朗伯余弦分布：
Iω＝IN×cosω
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。
本实施例公开了一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，首先在光线追迹软件中建立空间遥感相机模型或者将已建好的相机模型导入光线追迹软件，设置相机材料表面属性，将均匀辐射面光源设置在空间遥感相机焦面上的待分析视场位置，将总能量接收器设置在相机入口外一定距离处，将成像能量接收器设置在物方相应视场位置，通过一次逆光路追迹获知主要的杂光路径，通过对两接收器光线数量的统计和计算可得到相机的杂光系数。在相机结构散射模型设置正确的情况下，利用该方法在消杂光结构设计阶段可获得定量的效果数据，便于比较分析不同结构的消杂光效果，避免光学遥感系统较强杂光的出现。
可选地，接收器一设置在距离空间遥感相机L1处，接收器一的直径为：
D1＝Dp+2L1×tan(Δθ)
其中，Dp为光学系统入瞳尺寸，L1为接收器一与入瞳沿光轴方向的距离(因为L1为接近无穷的数值，可将空间遥感相机的入瞳与相机的光线入口近视为同一位置)，Δθ为光源半径对应的视场大小，
a为光源的半径尺寸，f为空间遥感相机的焦距。
可选地，接收器二的位置设置在靠近空间遥感相机入光口处，接收器二的直径最小为：
D2＝D0+L2×(tanβ+tanα)
其中，D0为入光口在特定方向上的尺寸，L2为所述接收器二与入光口沿光轴方向的距离，α、β分别为在该特定方向上、下最大的杂光入射角度。
可选地，接收器一的位置设置在无穷远处，所述接收器一、空间遥感相机和待分析视场的位置关系为：
其中，(X1，Y1，Z1)为接收器一的中心点位置坐标，(Xp，Yp，Zp)为光学系统入瞳中心点所在的空间位置，(θx，θy)为待分析像面位置对应的光学系统视场，
通过跟踪光线路径，统计两个接收器上的光线数目，得到空间遥感相机两个接收器上光能量的数值，根据预设关系可以计算得出空间遥感相机的杂光系数。
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，统计两个接收器上光线数目，得到所述空间遥感相机两个接收器上光能量的数值。
如图3所示，接收器二上除中心区域的成像光线外即为该系统的所有杂光，分析这些杂光光线的路径即可得到该系统主要的杂光路径。
本发明提供的快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，将空间均匀辐射光源设置在遥感相机焦面上的待分析视场位置，通过一次逆光路追迹获知主要的杂光路径，通过对两接收器光线数量的统计和计算可得到相机的杂光系数。在相机结构散射模型设置正确的情况下，利用该方法在消杂光结构设计阶段可获得定量的效果数据，便于比较分析不同结构的消杂光效果，避免光学遥感系统较强杂光的出现。
本发明建模方法可以解决很多在设计阶段存在的困难，可快速评估各类光阑、遮光罩、挡光板等消杂光结构设计的合理性，促进消杂光结构的优化。
本发明建模方法可以解决实际测试中存在的困难和问题，可有效考查及量化消杂光结构件和光学元件组成的系统对视场外杂光和视场内成像光线的非正常路径杂光的抑制效果。具体来说，可以考查消杂光结构件的位置对杂光系数的影响；考察光学元件粗糙度对杂光系数的影响；考察结构表面涂层和光学元件镀膜表面的散射率、反射率等对空间遥感相机杂光系数的影响。本发明建模方法可为空间遥感相机杂光抑制能力权衡提供量化依据。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在光线追迹软件中建立空间遥感相机模型；
步骤二：根据表面材料特性和光线的入射角度设置所述空间遥感相机模型的相机结构的表面属性；
步骤三：在所述光线追迹软件中建立光源、接收器一和接收器二，所述光源设置在空间遥感相机焦面上的待分析视场位置，所述接收器一设置在物方相应视场位置，所述接收器二设置在空间遥感相机的入口外；
步骤四：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逆向追迹，分别得到所述接收器一和所述接收器二上的照度数据；
步骤五：根据所述接收器一和所述接收器二上的照度数据和预设关系确定杂光系数；
步骤六：抠除所述接收器二上中心区域的成像光线后，得到所有杂光，对这些杂光的路径进行分析后得到杂光路径。
2.根据权利要求1所述的一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述预设关系为：
其中，Etotal是到达像面探测器的总照度，根据光路可逆原理，即为所述接收器二接收到的照度，Eimage是成像光路中按照正常路径到达像面探测器的照度，根据光路可逆原理，即为所述接收器一接收到的照度。
3.根据权利要求1或2所述的一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述接收器一的位置设置在近无穷远处，所述接收器一的直径为：
D1＝Dp+2L1×tan(Δθ)
其中，Dp为光学系统入瞳尺寸，L1为所述接收器一与入瞳沿光轴方向的距离，Δθ为光源半径对应的视场大小，
a为所述光源的半径尺寸，f为空间遥感相机的焦距。
4.根据权利要求1或2所述的一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述接收器二的位置设置在靠近空间遥感相机入光口处，所述接收器二的直径最小为：
D2＝D0+L2×(tanβ+tanα)
其中，D0为入光口在特定方向上的尺寸，L2为所述接收器二与入光口沿光轴方向的距离，α、β分别为在该特定方向上、下最大的杂光入射角度。
5.根据权利要求1或2所述的一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，所述接收器一的位置设置在无穷远处，所述接收器一、空间遥感相机和待分析视场的位置关系为：
其中，(X1，Y1，Z1)为所述接收器一的中心点位置坐标，(Xp，Yp，Zp)为光学系统入瞳中心点所在的空间位置，(θx，θy)为待分析像面位置对应的光学系统视场。
6.根据权利要求1或2所述的一种快速获取杂光来源和杂光系数的仿真建模方法，其特征在于，
所述空间遥感相机模型的工作距离接近无穷远。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 1299, Mingxi Road, Beihu science and Technology Development Zone, Changchun City, Jilin Province Applicant after: Changguang Satellite Technology Co.,Ltd. Address before: No. 1299, Mingxi Road, Beihu science and Technology Development Zone, Changchun City, Jilin Province Applicant before: CHANG GUANG SATELLITE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: A simulation modeling method for quickly obtaining sources and coefficients of stray light Granted publication date: 20220329 Pledgee: Jilin Shuangyang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Ecological Square sub branch Pledgor: Changguang Satellite Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024220000052 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |