專利名稱：空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在空間應(yīng)用領(lǐng)域中輔助空間光學遙感器光學性能檢測的計算機仿真系統(tǒng)，尤其是能對各種空間姿態(tài)下推掃式或凝視式空間光學遙感器對三維地形起伏的地物成像過程進行仿真的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
空間光學遙感器對地成像仿真是空間光學遙感器設(shè)計制造工作中的重要環(huán)節(jié)。目前，對空間光學遙感器對地成像過程的仿真主要采取硬件手段根據(jù)地球自轉(zhuǎn)和遙感器在軌飛行運動狀態(tài)計算出空間光學遙感器與地面目標之間的相對運動關(guān)系，根據(jù)該運動關(guān)系，使用滾筒、三軸氣浮平臺或旋轉(zhuǎn)臂等方法模擬空間光學遙感器與地面目標之間的相對運動，將空間光學遙感器(或僅用CCD與若干簡單光學元件代替空間光學遙感器)與模擬地面目標的靶標安裝在模擬裝置上，實現(xiàn)硬件仿真成像。但是，硬件仿真成像手段具有以下局限1.由于受機械結(jié)構(gòu)限制，硬件仿真平臺所模擬的遙感器軌道與姿態(tài)參數(shù)變化范圍較窄，在不修改機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提下，難以模擬多種軌道與姿態(tài)的空間光學遙感器對地成像，尤其難以模擬橢圓軌道上遙感器對地成像過程。2.由于機械部件的加工精度和電子學元件的同步精度限制，硬件仿真平臺的同步失配、機械振動等誤差對仿真成像的干擾是難以忽略和無法避免的。此外，硬件仿真平臺往往難以模擬地球的三維橢球面地表對平面像面成像的影響多數(shù)仿真平臺使用平面靶標，一些平臺使用帶有立體起伏地形的模板作為成像靶標，但是仍難以反映像面各點與橢球面地表上各點景物位置的準確投影關(guān)系，從而難以模擬遙感成像因受地球的橢球面地表影響而導致的圖像畸變變化情況和地物推掃范圍。因此，目前仿真成像平臺的功能局限于以使用平面條紋靶檢測遙感器成像質(zhì)量為主，使用景物靶驗證遙感器成像效果為輔的階段，限制了仿真平臺在更廣領(lǐng)域的應(yīng)用。3.遙感對地成像硬件仿真平臺為滿足遙感器與目標源布局需要，一般具有較大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且?guī)в兄辽俦ＷC一個自由度的活動件模擬遙感器在軌運動。如果平臺具有遙感器多姿態(tài)成像仿真功能，則活動件更多。帶有活動件的復(fù)雜機械部件對加工質(zhì)量和維護工作提出了較高要求。此外，對平臺的進一步升級也比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)Ω鞣N軌道上的空間光學遙感器以任意姿態(tài)對地成像進行仿真，同時易于維護和升級的空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)包括目標源匹配模塊、遙感器仿真模塊、仿真系統(tǒng)時鐘單元、掃描模塊和掃描信息組織模塊；
目標源匹配模塊以地物亮度數(shù)據(jù)和地域高程數(shù)據(jù)為輸入，由內(nèi)部的地物比例調(diào)整運算器將依照自然距離比例尺的地物亮度數(shù)據(jù)重新規(guī)劃為按照地球坐標系中空間立體角坐標分布的規(guī)劃亮度矩陣，由內(nèi)部的高程匹配運算器將地域高程數(shù)據(jù)規(guī)劃為與規(guī)劃亮度矩陣配套的高程分布矩陣，然后將規(guī)劃亮度矩陣與高程分布矩陣融合，得到帶有立體地形分布信息的地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)；地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)提供給掃描模塊；所述遙感器仿真模塊包括軌道模擬單元、姿態(tài)模擬單元、光學系統(tǒng)模擬單元和圖像傳感器模擬單元；軌道模擬單元為掃描模塊提供遙感器軌道參數(shù)；姿態(tài)模擬單元為掃描模塊提供遙感器在軌姿態(tài)參數(shù)；光學系統(tǒng)模擬單元為掃描模塊提供遙感器光學系統(tǒng)的焦距，為掃描信息組織模塊提供根據(jù)遙感器光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所計算出遙感器光學系統(tǒng)各個子視場的點擴散函數(shù)；圖像傳感器模擬單元為掃描模塊和掃描信息組織模塊提供遙感器的圖像傳感器物理參數(shù)；仿真系統(tǒng)時鐘單元為掃描模塊和掃描信息組織模塊提供時間同步信息；所述掃描模塊包括掃描時序控制器、像素映射單元、高程效果耦合單元和曝光模擬單元；掃描時序控制器利用仿真系統(tǒng)時鐘單元提供的時間同步信息及圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)，得到對地遙感過程中圖像傳感器各像元的成像時間序列，并將各像元的成像時間序列提供給像素映射單元；像素映射單元根據(jù)軌道模擬單元提供的遙感器軌道參數(shù)、姿態(tài)模擬單元提供的遙感器姿態(tài)參數(shù)、光學系統(tǒng)模擬單元提供的遙感器光學系統(tǒng)焦距和圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)，按照物像空間幾何關(guān)系計算圖像傳感器各像元與地面景物之間的空間幾何關(guān)系，獲得各像元在遙感過程全程對應(yīng)的地物坐標序列；根據(jù)各像元在遙感過程全程對應(yīng)的地物坐標序列、地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)中的規(guī)劃亮度矩陣和掃描時序控制器提供的圖像傳感器各像元的成像時間序列得到圖像傳感器各像元對應(yīng)的地物坐標亮度時間序列；各像元對應(yīng)的地物坐標亮度時間序列提供給高程效果耦合單元；高程效果耦合單元根據(jù)地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)中的高程分布矩陣對圖像傳感器各像元對應(yīng)的地物坐標亮度時間序列中的亮度數(shù)據(jù)進行插值，實現(xiàn)高程修正，得到修正地物坐標亮度時間序列；修正地物坐標亮度時間序列提供給曝光模擬單元；曝光模擬單元根據(jù)圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)對高程效果耦合單元提供的修正地物坐標亮度時間序列中各點亮度值進行模擬曝光運算，獲得圖像傳感器各像元的圖像坐標灰度時間序列；各像元的圖像坐標灰度時間序列提供給掃描信息組織模塊；掃描信息組織模塊依據(jù)仿真系統(tǒng)時鐘單元提供的時間同步信息、圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)和曝光模擬單元提供的圖像傳感器各像元的圖像坐標灰度時間序列，排列出對地成像圖像，再將排列出的對地成像圖像與光學系統(tǒng)模擬單元提供的光學系統(tǒng)各個視場的點擴散函數(shù)卷積，得到對地成像仿真圖像亮度矩陣。所述像素映射單元利用式(1)確定連接物像的斜光線相對衛(wèi)星的空間姿態(tài)(ξ，η)；
權(quán)利要求
1.一種空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)，其特征在于包括目標源匹配模塊、遙感器仿真模塊、仿真系統(tǒng)時鐘單元、掃描模塊和掃描信息組織模塊；目標源匹配模塊以地物亮度數(shù)據(jù)和地域高程數(shù)據(jù)為輸入，由內(nèi)部的地物比例調(diào)整運算器將依照自然距離比例尺的地物亮度數(shù)據(jù)重新規(guī)劃為按照地球坐標系中空間立體角坐標分布的規(guī)劃亮度矩陣，由內(nèi)部的高程匹配運算器將地域高程數(shù)據(jù)規(guī)劃為與規(guī)劃亮度矩陣配套的高程分布矩陣，然后將規(guī)劃亮度矩陣與高程分布矩陣融合，得到帶有立體地形分布信息的地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)；地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)提供給掃描模塊；遙感器仿真模塊包括軌道模擬單元、姿態(tài)模擬單元、光學系統(tǒng)模擬單元和圖像傳感器模擬單元；軌道模擬單元為掃描模塊提供遙感器軌道參數(shù)；姿態(tài)模擬單元為掃描模塊提供遙感器在軌姿態(tài)參數(shù)；光學系統(tǒng)模擬單元為掃描模塊提供遙感器光學系統(tǒng)的焦距，為掃描信息組織模塊提供根據(jù)遙感器光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所計算出遙感器光學系統(tǒng)各個子視場的點擴散函數(shù)；圖像傳感器模擬單元為掃描模塊和掃描信息組織模塊提供遙感器的圖像傳感器物理參數(shù)；仿真系統(tǒng)時鐘單元為掃描模塊和掃描信息組織模塊提供時間同步信息；掃描模塊包括掃描時序控制器、像素映射單元、高程效果耦合單元和曝光模擬單元；掃描時序控制器利用仿真系統(tǒng)時鐘單元提供的時間同步信息及圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)，得到對地遙感過程中圖像傳感器各像元的成像時間序列，并將各像元的成像時間序列提供給像素映射單元；像素映射單元根據(jù)軌道模擬單元提供的遙感器軌道參數(shù)、姿態(tài)模擬單元提供的遙感器姿態(tài)參數(shù)、光學系統(tǒng)模擬單元提供的遙感器光學系統(tǒng)焦距和圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)，按照物像空間幾何關(guān)系計算圖像傳感器各像元與地面景物之間的空間幾何關(guān)系，獲得各像元在遙感過程全程對應(yīng)的地物坐標序列；根據(jù)各像元在遙感過程全程對應(yīng)的地物坐標序列、地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)中的規(guī)劃亮度矩陣和掃描時序控制器提供的圖像傳感器各像元的成像時間序列得到圖像傳感器各像元對應(yīng)的地物坐標亮度時間序列；各像元對應(yīng)的地物坐標亮度時間序列提供給高程效果耦合單元；高程效果耦合單元根據(jù)地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)中的高程分布矩陣對圖像傳感器各像元對應(yīng)的地物坐標亮度時間序列中的亮度數(shù)據(jù)進行插值，實現(xiàn)高程修正，得到修正地物坐標亮度時間序列；修正地物坐標亮度時間序列提供給曝光模擬單元；曝光模擬單元根據(jù)圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)對高程效果耦合單元提供的修正地物坐標亮度時間序列中各點亮度值進行模擬曝光運算，獲得圖像傳感器各像元的圖像坐標灰度時間序列；各像元的圖像坐標灰度時間序列提供給掃描信息組織模塊；掃描信息組織模塊依據(jù)仿真系統(tǒng)時鐘單元提供的時間同步信息、圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)和曝光模擬單元提供的圖像傳感器各像元的圖像坐標灰度時間序列，排列出對地成像圖像，再將排列出的對地成像圖像與光學系統(tǒng)模擬單元提供的光學系統(tǒng)各個視場的點擴散函數(shù)卷積，得到對地成像仿真圖像亮度矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)，其特征在于所述像素映射單元利用式(1)確定連接物像的斜光線相對衛(wèi)星的空間姿態(tài)(ξ，η)；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)，其特征在于所述目標源匹配模塊在規(guī)劃亮度矩陣時，對圖像在南北和東西方向進行適應(yīng)圖像對應(yīng)區(qū)域經(jīng)緯度范圍的拉伸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)，其特征在于所述圖像傳感器模擬單元提供的圖像傳感器物理參數(shù)包括CXD物理參數(shù)和TDI-C⑶物理參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)，其特征在于所述掃描信息組織模塊包括推掃式成像組織單元和凝視式成像組織單元；推掃式成像組織單元依據(jù)仿真系統(tǒng)時鐘單元提供的時間同步信息、圖像傳感器模擬單元提供的TDI-CCD物理參數(shù)和模擬曝光單元所產(chǎn)生的圖像坐標灰度時間序列，排列出對地成像圖像，再將排列出的對地成像圖像與光學系統(tǒng)模擬單元所提供的光學系統(tǒng)各個視場的點擴散函數(shù)(PSF)卷積，得到TDI-CCD對地成像仿真圖像亮度矩陣；凝視式成像組織單元依據(jù)仿真系統(tǒng)時鐘單元提供的時間同步信息、圖像傳感器模擬單元提供的CCD物理參數(shù)和模擬曝光單元所產(chǎn)生的圖像坐標灰度時間序列，排列出對地成像圖像，再將排列出的對地成像圖像與光學系統(tǒng)模擬單元所提供的光學系統(tǒng)各個視場的點擴散函數(shù)卷積，得到CCD對地成像仿真圖像亮度矩陣。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種空間光學遙感器對實際地物成像的計算機仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目標源匹配模塊將地物亮度與空間信息集成數(shù)據(jù)提供給掃描模塊；遙感器仿真模塊為掃描模塊和掃描信息組織模塊提供遙感器軌道參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)、光學系統(tǒng)焦距、光學系統(tǒng)各個子視場的點擴散函數(shù)和圖像傳感器物理參數(shù)；仿真系統(tǒng)時鐘單元為掃描模塊和掃描信息組織模塊提供時間同步信息；掃描模塊根據(jù)接收的信息得到各像元的圖像坐標灰度時間序列并將其提供給掃描信息組織模塊；掃描信息組織模塊依據(jù)接收的信息得到對地成像仿真圖像亮度矩陣。本發(fā)明能夠?qū)θ我廛壍郎先我庾藨B(tài)的空間光學遙感器對地成像過程進行仿真，結(jié)構(gòu)緊湊，易于面對實際科研需求進行升級。
文檔編號G06T17/05GK102568034SQ20111045271
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月30日
發(fā)明者孫陽, 張學軍, 薛棟林, 鄭立功, 閆鋒 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所