CN117852331A - 舰船目标光学辐射特性成像仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法及系统，包括：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；设定舰船目标表面参数；建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。本发明为舰船目标辐射特性的统计分析提供数据来源。
Description
技术领域
本发明涉及光学图像仿真领域，具体地，涉及一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法及系统。
背景技术
天基探测环境下舰船目标的光学特征具有广泛的应用价值，是各国在科研和军事领域中的热门研究课题。相比于实际测试的方法，成像仿真技术的应用不局限于特定的实验环境和器材，可以以极低的成本获得丰富、全面的舰船目标光学辐射图像。许多学者进行了大量的研究工作，形成了一系列模型，应用于实际光学成像系统的设计、训练和评估。其中具有代表性的光学成像系统有Vega Prime IR/NVG Sensor Module，CAMEO-SIM，SE-WorkBench-IR，Mantis ViXsen，ShipIR/NTCS和ORSIS。这些系统的研究大多集中在红外谱段，针对典型舰船目标进行可见光和红外波段综合成像仿真的文献仍然非常有限。研究包含可见光和红外谱段的舰船目标光学遥感成像仿真方法，可以为舰船目标的光学特征识别提供大量的数据支持，提高探测器的识别能力，还可以为光学传感器的开发和改进提供指导，有效降低成本效益。因此，有必要提出一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，提高仿真成像的真实性、有效性，对实测数据进行补足。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法及系统。
根据本发明提供的一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，包括：
步骤S1：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
步骤S2：仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；
步骤S3：设定舰船目标表面参数；
步骤S4：建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
步骤S5：结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
步骤S6：结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
优选地，在所述步骤S3中：
舰船目标的表面参数由实际测试得到，包括材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率。
优选地，在所述步骤S4中：
舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量；目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)·BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角；目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)·cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到；
在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律计算面元k在某波段内的辐射特性，目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化，面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
优选地，在所述步骤S5中：
大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量，目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度表示为：
其中，Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射；Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<•>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照，Esun(λ)为太阳辐射照度，Eatomosphere(λ)为大气辐射照度。
优选地，在所述步骤S6中：
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射时，结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量；
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，使用网格裁剪的方法计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
根据本发明提供的一种舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，包括：
模块M1：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
模块M2：仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；
模块M3：设定舰船目标表面参数；
模块M4：建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
模块M5：结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
模块M6：结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
优选地，在所述模块M3中：
舰船目标的表面参数由实际测试得到，包括材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率。
优选地，在所述模块M4中：
舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量；目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)·BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角；目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)•cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到；
在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律计算面元k在某波段内的辐射特性，目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化，面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
优选地，在所述模块M5中：
大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量，目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度表示为：
其中，Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射；Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<•>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照，Esun(λ)为太阳辐射照度，Eatomosphere(λ)为大气辐射照度。
优选地，在所述模块M6中：
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射时，结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量；
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，使用网格裁剪的方法计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提出了一套舰船目标光学辐射特性成像仿真的方法；
2、本发明为舰船目标辐射特性的统计分析提供数据来源；
3、本发明对载荷相机的设计仿真具有重要的指导意义；
4、本发明可以对在研型号的目标探测效能进行预估和验证。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为舰船目标辐射特性成像仿真方法流程图；
图2为舰船目标三维建模及有限元划分结果；
图3为舰船目标面元反射模型向量示意；
图4为目标有限元网格与探测器成像网格的不匹配性示意；
图5为网格裁剪方法的流程图；
图6为舰船目标辐射特性成像仿真结果，左图为可见光波段成像结果，右图为红外波段成像结果；
图中o为观测矢量，指向探测器；S为照明矢量，指向太阳；n为微面元表面法向量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明公开了一种舰船目标光学辐射特性成像仿真的方法，包括步骤：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型；对仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星、舰船目标和太阳的坐标，计算三者相对坐标及光照的入射、反射角等参数；设定舰船目标表面参数，包括材料在仿真波段的BRDF、舰船表面温度、材料红外发射率等；建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；结合设定仿真场景中的环境辐射，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；结合设定仿真场景中的载荷成像参数，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
根据本发明提供的一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，如图1-图6所示，包括：
步骤S1：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
步骤S2：仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；
步骤S3：设定舰船目标表面参数；
具体地，在所述步骤S3中：
舰船目标的表面参数由实际测试得到，包括材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率。
步骤S4：建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
具体地，在所述步骤S4中：
舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量；目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)•BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角；目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)·cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到；
在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律计算面元k在某波段内的辐射特性，目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化，面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
步骤S5：结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
具体地，在所述步骤S5中：
大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量，目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度表示为：
其中，Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射；Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<·>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照，Esun(λ)为太阳辐射照度，Eatomosphere(λ)为大气辐射照度。
步骤S6：结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
具体地，在所述步骤S6中：
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射时，结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量；
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，使用网格裁剪的方法计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
实施例2：
实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
本发明还提供一种舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，所述舰船目标光学辐射特性成像仿真系统可以通过执行所述舰船目标光学辐射特性成像仿真方法的流程步骤予以实现，即本领域技术人员可以将所述舰船目标光学辐射特性成像仿真方法理解为所述舰船目标光学辐射特性成像仿真系统的优选实施方式。
根据本发明提供的一种舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，包括：
模块M1：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
模块M2：仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；
模块M3：设定舰船目标表面参数；
具体地，在所述模块M3中：
舰船目标的表面参数由实际测试得到，包括材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率。
模块M4：建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
具体地，在所述模块M4中：
舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量；目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)·BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角；目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)·cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到；
在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律计算面元k在某波段内的辐射特性，目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化，面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
模块M5：结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
具体地，在所述模块M5中：
大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量，目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度表示为：
其中，Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射；Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<·>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照，Esun(λ)为太阳辐射照度，Eatomosphere(λ)为大气辐射照度。
模块M6：结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
具体地，在所述模块M6中：
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射时，结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量；
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，使用网格裁剪的方法计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
实施例3：
实施例3为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
为补足实测数据，在仿真数据上支撑载荷的设计和验证，本发明提供了一种切实可行的舰船目标光学辐射特性成像仿真方法。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，所述方法建立了舰船目标光学辐射特性模型和光学遥感探测模型，结合场景参数实现舰船目标辐射特性成像的仿真。所述方法的具体过程为：
(1)对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
(2)仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算三者相对坐标及光照的入射、反射角等参数；
(3)设定舰船目标表面参数，包括材料在仿真波段的BRDF、舰船表面温度、材料红外发射率等；
(4)建立舰船目标光学辐射特性模型，基于步骤1、2、3中设定的参数，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
(5)结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
(6)结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
进一步地，所述步骤3中，舰船目标的表面参数由实际测试得到，如材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率等。
进一步地，所述步骤4中的舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量两部分。在可见光波段和红外波段内，目标反射的辐射主要为太阳辐射和大气辐射。目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)·BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角。目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)·cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到。
进一步地，所述步骤4中的舰船目标光学辐射特性模型中目标的自发辐射主要由自身热能引起。在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律来计算面元k在某波段内的辐射特性。假定目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化。面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
进一步地，所述步骤5中的大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量。目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度可以表示为：
其中Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射。Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<·>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照。Esun(λ)、Eatomosphere(λ)分别为太阳辐射照度和大气辐射照度。
进一步地，所述步骤6中，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射的同时，考虑到载荷相机视场中还包含部分背景，需要结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量。
进一步地，所述步骤6中，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，考虑到目标有限元网格与探测器成像网格的不匹配性，使用网格裁剪的方法来计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
下面结合附图，对本实施例作进一步描述：
本实施例选取国外的两类型号舰船进行仿真，对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标。舰船建模结果如图2所示。
仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算三者相对坐标及光照的入射、反射角等参数。舰船面元反射模型向量如图3所示，在目标本体坐标系下对各方向矢量作出定义：o为观测矢量，指向探测器；S为照明矢量，指向太阳；n为微面元表面法向量。
设定舰船目标表面参数。材料在仿真波段的BRDF依照材料实测结果进行设定，舰船表面温度根据先验的舰船参数设定，材料红外发射率依照通用舰船灰漆的实测结果设定为0.95。
根据舰船目标光学辐射特性模型计算舰船目标反射的太阳辐射、背景辐射和舰船目标的自发辐射。根据大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到舰船目标各面元在相机入瞳出处的辐射能量。
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射。在计算时目标有限元网格与探测器成像网格不匹配，如图4所示。使用网格裁剪的方法来计算目标各面元在探测器像元上的映射面积，网格裁剪法的流程如图5所示。首先，要确定两个凸多边形处在彼此内部的自身所具有的顶点(如图4中A、H、G点)。然后确定两个凸多边形各边相交所产生的交点(I、J、G点)。考虑到G点同时是顶点和交点的特殊情况，需要将重复的点去掉。去重后的点构成了重叠部分的凸多边形AIHGJ。按照逆时针或顺时针进行排序后，利用积分法求解此凸多边形AIHGJ的面积。
使用上述方法，可以精确地计算出目标网格投影与探测器像元的部分重叠产生的凸多边形的面积。这部分精确的面积对应的辐射能量即为目标网格达到该像元的真正能量值。
实施例中部分仿真参数如表1所示，成像仿真的结果如图6所示
表1探测参数设置
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
步骤S2：仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；
步骤S3：设定舰船目标表面参数；
步骤S4：建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
步骤S5：结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
步骤S6：结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
2.根据权利要求1所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，其特征在于，在所述步骤S3中：
舰船目标的表面参数由实际测试得到，包括材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率。
3.根据权利要求1所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，其特征在于，在所述步骤S4中：
舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量；目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)·BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角；目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)·cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到；
在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律计算面元k在某波段内的辐射特性，目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化，面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
4.根据权利要求1所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，其特征在于，在所述步骤S5中：
大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量，目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度表示为：
其中，Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射；Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<·>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照，Esun(λ)为太阳辐射照度，Eatomosphere(λ)为大气辐射照度。
5.根据权利要求1所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真方法，其特征在于，在所述步骤S6中：
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射时，结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量；
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，使用网格裁剪的方法计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
6.一种舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，其特征在于，包括：
模块M1：对待仿真的舰船目标进行三维建模，并将模型表面划分为有限三角面元模型，获取各三角面元顶点的三维坐标；
模块M2：仿真场景建模，利用STK进行卫星轨道仿真，获取卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标，计算卫星坐标、舰船目标坐标和太阳坐标参数；
模块M3：设定舰船目标表面参数；
模块M4：建立舰船目标光学辐射特性模型，计算目标各面元向卫星方向反射和发射的辐射强度；
模块M5：结合设定仿真场景中的环境辐射，基于光学遥感探测模型中的大气辐射传输计算方法，计算舰船目标各面元辐射在载荷入瞳处的辐射强度；
模块M6：结合设定仿真场景中的载荷成像参数，基于光学遥感探测模型中的载荷成像模型，计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射，得到舰船目标辐射特性的成像仿真结果。
7.根据权利要求6所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，其特征在于，在所述模块M3中：
舰船目标的表面参数由实际测试得到，包括材料在仿真波段的各向BRDF参数、舰船表面各面元的温度、舰船表面涂层的红外发射率。
8.根据权利要求6所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，其特征在于，在所述模块M4中：
舰船目标光学辐射特性模型包含目标反射的辐射能量和目标发射的辐射能量；目标面元反射的太阳辐射计算式为：
Lsun-reflect(λ)＝Esun(λ)·BRDF·cosθi
式中：BRDF为表面的双向反射分布函数；λ为波长；Esun(λ)为太阳直射照度，由Modtran软件计算得到；θi为太阳辐射入射方向与目标表面面元法向的夹角；目标面元反射的大气辐射计算式为：
Eatmosphere(λ)＝∫Latmosphere(θ',λ)·cosθ'dωθ'
其中，ε(λ)为面元的光谱发射率；Eatmosphere(λ)为大气辐射对目标的照度；ωθ'为大气辐射照射方向的立体角；θ'为大气辐射入射方向与目标面元法向的夹角；Latmosphere(θ',λ)为θ'方向的大气辐射亮度，由Modtran软件计算得到；
在已知目标表面任意面元k温度情况下，利用普朗克定律计算面元k在某波段内的辐射特性，目标表面为朗伯辐射体，朗伯辐射体的辐射亮度不随空间方向变化而变化，面元的表面光谱发射率为ε(λ)，表面面元k的温度为Tk，则面元k在波段内的总光谱辐射亮度为：
其中，λ1和λ2分别为波段的上下限波长，Memission(k)为面元k表面半球空间的光谱辐射力，c1＝3.743×108W·μm4/m2，c2＝1.439×104μm·K。
9.根据权利要求6所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，其特征在于，在所述模块M5中：
大气辐射传输计算方法，通过计算舰船目标辐射能量在大气传输过程中的衰减，并叠加大气自身辐射，计算得到目标在相机入瞳出处的辐射能量，目标的第k个面元在相机入瞳处的光谱辐射强度表示为：
其中，Lsun-reflect(λ)为面元反射太阳辐射产生的辐亮度，Latomosphere-reflect(λ)为面元反射大气辐射产生的辐亮度，Lemission(λ)为面元的自发辐射；Ak为第k个面元的面积，面元法线矢量为nk，ok为本体坐标系下目标第k个面元的观测矢量，sk为本体坐标系下的照明矢量，f(λ,nk,ok,sk)表示第k个面元为的BRDF，<·>表示点积运算，为面元遮挡因子，表示该面元可见且受到光照，/>表示该面元受到遮挡或者没有受到光照，Esun(λ)为太阳辐射照度，Eatomosphere(λ)为大气辐射照度。
10.根据权利要求6所述的舰船目标光学辐射特性成像仿真系统，其特征在于，在所述模块M6中：
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上映射时，结合相机参数计算舰船目标和背景辐射能量所占的权重，累加得到载荷接收到的辐射能量；
计算舰船目标辐射强度在载荷像面上的映射时，使用网格裁剪的方法计算目标各面元在探测器像元上的映射面积。
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|---|---|---|---|
| CN202311738802.8A CN117852331A (zh) | 2023-12-15 | 2023-12-15 | 舰船目标光学辐射特性成像仿真方法及系统 |
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| CN (1) | CN117852331A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118097086A (zh) * | 2024-04-29 | 2024-05-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种数字卫星的光学属性赋能装置及方法 |
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2023
- 2023-12-15 CN CN202311738802.8A patent/CN117852331A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118097086A (zh) * | 2024-04-29 | 2024-05-28 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种数字卫星的光学属性赋能装置及方法 |
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