本發(fā)明屬于天基光學(xué)圖像仿真技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法。

背景技術(shù)：

天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像是指在大氣層外采用天基光學(xué)系統(tǒng)拍攝的太空?qǐng)D像，由于成像過程不受大氣、云層散射和大氣衰減影響，沒有地基觀測平臺(tái)地理位置部署的制約，是獲取空間運(yùn)動(dòng)碎片信息的主要手段之一。近年來，許多空間碎片光學(xué)成像探測器也陸續(xù)研制成功并投入使用，例如：美國的天基可視化傳感器(SBV)、歐洲空間態(tài)勢感知系統(tǒng)(ESSAS)、加拿大的近地空間監(jiān)視衛(wèi)星(NESS)。由于空間運(yùn)動(dòng)碎片在太空中主要靠太陽的反射才能被相機(jī)捕獲，且拍攝距離較遠(yuǎn)，所以能量微弱，空間運(yùn)動(dòng)碎片在光學(xué)系統(tǒng)成像面上的表現(xiàn)形式為點(diǎn)目標(biāo)。在天基光學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，所有的信息處理算法的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證都沒有真實(shí)拍攝的圖像作為數(shù)據(jù)來源，只能通過仿真圖像進(jìn)行驗(yàn)證。因此，基于天基光學(xué)成像系統(tǒng)的空間運(yùn)動(dòng)碎片監(jiān)視圖像仿真技術(shù)在空間可視化傳感器的設(shè)計(jì)與制造中占有非常重要的地位。

空間碎片光學(xué)圖像的成像過程受到光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、成像器件噪聲、曝光時(shí)間、天球坐標(biāo)到傳感器坐標(biāo)的變換、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角速度等因素的影響。因此，空間碎片光學(xué)圖像仿真技術(shù)面臨著很多難題?，F(xiàn)有研究集中在星敏感器星圖仿真技術(shù)，但是星敏感器中的恒星運(yùn)動(dòng)角速度相對(duì)較低，并不適用于高速運(yùn)動(dòng)的空間碎片拖尾仿真，會(huì)產(chǎn)生斷點(diǎn)而形成錯(cuò)誤拖尾；解決仿真空間高速運(yùn)動(dòng)碎片點(diǎn)目標(biāo)監(jiān)視圖像問題的方法較少，針對(duì)美國天基可見光傳感器(SBV)的空間目標(biāo)監(jiān)視圖像仿真方法所提出的拖尾能量仿真模型并不精確；一些針對(duì)靜止的空間目標(biāo)的仿真方法，并沒有考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)造成的拖尾影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法，其目的在于對(duì)空間高速運(yùn)動(dòng)碎片的拖尾效應(yīng)進(jìn)行仿真。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法，包括如下步驟：

(1)獲取空間運(yùn)動(dòng)碎片在給定的積分時(shí)間內(nèi)在成像探測器像面上的運(yùn)動(dòng)距離像素；

(2)根據(jù)運(yùn)動(dòng)距離像素，建立一個(gè)(M_X,M_Y)像素大小的區(qū)域圖像；碎片運(yùn)動(dòng)拖尾在該區(qū)域圖像上經(jīng)過的像素點(diǎn)，即為該碎片運(yùn)動(dòng)拖尾在積分時(shí)間ΔT內(nèi)駐留的像元；

其中，ΔT＝T/N，N是指碎片運(yùn)動(dòng)拖尾在區(qū)域圖像上經(jīng)過的像素個(gè)數(shù)；

(3)將碎片拖尾在成像面上駐留的每一個(gè)像元看作一個(gè)子目標(biāo)，將每個(gè)子目標(biāo)R_i按照高斯模型進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)散模擬；

(4)將相鄰子目標(biāo)高斯點(diǎn)擴(kuò)散之間能量疊加的區(qū)域相加，仿真出運(yùn)動(dòng)碎片拖尾。

優(yōu)選地，上述天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法，空間碎片在像面上的運(yùn)動(dòng)距離像素?cái)?shù)分別為M_X、M_Y；M_X＝V_X·T/P；

M_Y＝V_Y·T/P；

其中，T為給定的積分時(shí)間，V_X是指碎片在成像面上的運(yùn)動(dòng)角速度V(度/秒)在X方向上的角速度分量，V_y(度/秒)是指碎片在成像面上的運(yùn)動(dòng)角速度V在Y方向上的角速度分量。

優(yōu)選地，上述天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法，其步驟(3)具體為，將每個(gè)子目標(biāo)R_i按照以下高斯模型進(jìn)行點(diǎn)擴(kuò)散模擬

$R_i(x,y)=\frac{\mathrm{\Φ}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2});$

其中，σ是指高斯彌散斑尺寸的大小，Φ是指積分時(shí)間ΔT內(nèi)空間碎片在相機(jī)成像面上的能量，i＝1,2,3...,N。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

現(xiàn)有的空間運(yùn)動(dòng)碎片光學(xué)圖像仿真技術(shù)中，缺乏有效的空間運(yùn)動(dòng)碎片拖尾效應(yīng)仿真方法；本發(fā)明提供的天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法，具備能量仿真模型精確、在碎片目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)條件下不會(huì)出現(xiàn)斷點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)；采用該仿真方法得到的天基光學(xué)圖像中的空間運(yùn)動(dòng)碎片拖尾效應(yīng)適用于支撐空間可視化傳感器的信息處理。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾區(qū)域圖像示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的連續(xù)高斯彌散斑示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的能量重疊區(qū)域示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的高運(yùn)動(dòng)角速度的空間目標(biāo)拖尾仿真示意圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例中的空間碎片仿真圖像示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

實(shí)施例提供的天基光學(xué)空間碎片監(jiān)視圖像中目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾仿真方法，包括如下步驟：

(1)構(gòu)建高速運(yùn)動(dòng)碎片拖尾效應(yīng)區(qū)域圖像；構(gòu)建得到的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)拖尾區(qū)域圖像如圖1所示，區(qū)域圖像的行和列個(gè)數(shù)分別代表高速運(yùn)動(dòng)碎片目標(biāo)在天基光學(xué)系統(tǒng)成像面X軸與Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)像元個(gè)數(shù)；每個(gè)小方格代表一個(gè)像素點(diǎn)，黑色的方塊代表空間目標(biāo)在該像素位置處駐留了一段時(shí)間Δt，在這個(gè)Δt時(shí)間段里認(rèn)為空間目標(biāo)點(diǎn)為一個(gè)靜止的目標(biāo)；

(2)構(gòu)建連續(xù)高斯彌散斑；構(gòu)建得到的連續(xù)高斯彌散斑如圖2所示，其中，每個(gè)黑色方塊代表的靜止子目標(biāo)的總能量Φ為該目標(biāo)在積分時(shí)間Δt內(nèi)在駐留像元上產(chǎn)生的電子數(shù)；

(3)累加高斯彌散斑重疊區(qū)域的能量；

以圖2中標(biāo)號(hào)分別為①和②的像元為例，這兩個(gè)像元之間的高斯能量擴(kuò)散區(qū)域發(fā)生了重疊；由于空間碎片本身并不發(fā)光，完全依靠太陽光的反射才能夠被天基光學(xué)系統(tǒng)探測到，因此可以按照理想成像條件下的星點(diǎn)模型來模擬；

圖3為包含點(diǎn)目標(biāo)①和點(diǎn)目標(biāo)②的示例圖區(qū)域M，其中①和②分別用3×3像素大小的高斯星點(diǎn)模型表示，并保證它們的中心能量占恒星點(diǎn)總能量的60％以上，它們?cè)趨^(qū)域圖像M上的位置分別為M(x_i，y_j),i＝1,2,3j＝4,5,6和M(x_m,y_l)，m＝2,3,4l＝3,4,5；

點(diǎn)目標(biāo)①和點(diǎn)目標(biāo)②之間存在四個(gè)像元的能量重疊區(qū)域，分別位于M(2,5)，M(3,5)，M(2,4)，M(3,4)四個(gè)像元處，將點(diǎn)目標(biāo)①和點(diǎn)目標(biāo)②的像元重疊區(qū)域的能量全部累加后，作為新的像元能量賦值給M'(2,5)，M'(3,5)，M'(2,4)，M'(3,4)，獲得最終重疊區(qū)域的像元能量；

(4)將圖2所示的相鄰所有能量重疊的高斯彌散斑區(qū)域進(jìn)行能量累加，得到圖4所示的線性擬合后的仿真目標(biāo)拖尾效應(yīng)，圖4中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)假定初始時(shí)位于圖像的正中，并向右下角快速地運(yùn)動(dòng)，并最終在圖像上形成一條拖尾。

采用實(shí)施例提供的仿真方法得到的拖尾效應(yīng)充分考慮了理想成像條件下的能量分布，并且在仿真過程中不受目標(biāo)運(yùn)動(dòng)角速度的影響，不會(huì)產(chǎn)生斷點(diǎn)而仿真出錯(cuò)誤拖尾；將仿真得到的高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)拖尾放入到添加了成像噪聲的恒星背景仿真圖中，得到如圖5所示的空間碎片光學(xué)仿真圖像，圖5中的仿真圖像充分考慮天基光學(xué)平臺(tái)成像的影響因素，包括成像噪聲，非飽和恒星星點(diǎn)，飽和恒星星點(diǎn)以及快速運(yùn)動(dòng)的空間碎片產(chǎn)生的拖尾，基本接近真實(shí)的光學(xué)圖像，能夠?yàn)榭臻g碎片檢測方法的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。