空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统

摘要

本发明涉及一种空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统，该系统的目标源匹配模块将地物亮度与空间信息集成数据提供给扫描模块；遥感器仿真模块为扫描模块和扫描信息组织模块提供遥感器轨道参数、姿态参数、光学系统焦距、光学系统各个子视场的点扩散函数和图像传感器物理参数；仿真系统时钟单元为扫描模块和扫描信息组织模块提供时间同步信息；扫描模块根据接收的信息得到各像元的图像坐标灰度时间序列并将其提供给扫描信息组织模块；扫描信息组织模块依据接收的信息得到对地成像仿真图像亮度矩阵。本发明能够对任意轨道上任意姿态的空间光学遥感器对地成像过程进行仿真，结构紧凑，易于面对实际科研需求进行升级。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在空间应用领域中辅助空间光学遥感器光学性能检测的计算机仿真系 统，尤其是能对各种空间姿态下推扫式或凝视式空间光学遥感器对三维地形起伏的地物成像 过程进行仿真的系统。

背景技术

空间光学遥感器对地成像仿真是空间光学遥感器设计制造工作中的重要环节。目前，对 空间光学遥感器对地成像过程的仿真主要采取硬件手段：根据地球自转和遥感器在轨飞行运 动状态计算出空间光学遥感器与地面目标之间的相对运动关系，根据该运动关系，使用滚筒、 三轴气浮平台或旋转臂等方法模拟空间光学遥感器与地面目标之间的相对运动，将空间光学 遥感器(或仅用CCD与若干简单光学元件代替空间光学遥感器)与模拟地面目标的靶标安装 在模拟装置上，实现硬件仿真成像。

但是，硬件仿真成像手段具有以下局限：

1.由于受机械结构限制，硬件仿真平台所模拟的遥感器轨道与姿态参数变化范围较窄， 在不修改机械结构设计的前提下，难以模拟多种轨道与姿态的空间光学遥感器对地成像，尤 其难以模拟椭圆轨道上遥感器对地成像过程。

2.由于机械部件的加工精度和电子学元件的同步精度限制，硬件仿真平台的同步失配、 机械振动等误差对仿真成像的干扰是难以忽略和无法避免的。此外，硬件仿真平台往往难以 模拟地球的三维椭球面地表对平面像面成像的影响：多数仿真平台使用平面靶标，一些平台 使用带有立体起伏地形的模板作为成像靶标，但是仍难以反映像面各点与椭球面地表上各点 景物位置的准确投影关系，从而难以模拟遥感成像因受地球的椭球面地表影响而导致的图像 畸变变化情况和地物推扫范围。因此，目前仿真成像平台的功能局限于以使用平面条纹靶检 测遥感器成像质量为主，使用景物靶验证遥感器成像效果为辅的阶段，限制了仿真平台在更 广领域的应用。

3.遥感对地成像硬件仿真平台为满足遥感器与目标源布局需要，一般具有较大的复杂结 构，且带有至少保证一个自由度的活动件模拟遥感器在轨运动。如果平台具有遥感器多姿态 成像仿真功能，则活动件更多。带有活动件的复杂机械部件对加工质量和维护工作提出了较 高要求。此外，对平台的进一步升级也比较困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够对各种轨道上的空间光学遥感器以任意姿态对 地成像进行仿真，同时易于维护和升级的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统。

为了解决上述技术问题，本发明的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统包 括目标源匹配模块、遥感器仿真模块、仿真系统时钟单元、扫描模块和扫描信息组织模块；

目标源匹配模块：以地物亮度数据和地域高程数据为输入，由内部的地物比例调整运算 器将依照自然距离比例尺的地物亮度数据重新规划为按照地球坐标系中空间立体角坐标分布 的规划亮度矩阵，由内部的高程匹配运算器将地域高程数据规划为与规划亮度矩阵配套的高 程分布矩阵，然后将规划亮度矩阵与高程分布矩阵融合，得到带有立体地形分布信息的地物 亮度与空间信息集成数据；地物亮度与空间信息集成数据提供给扫描模块；

所述遥感器仿真模块包括轨道模拟单元、姿态模拟单元、光学系统模拟单元和图像传感 器模拟单元；轨道模拟单元为扫描模块提供遥感器轨道参数；姿态模拟单元为扫描模块提供 遥感器在轨姿态参数；光学系统模拟单元为扫描模块提供遥感器光学系统的焦距，为扫描信 息组织模块提供根据遥感器光学系统结构所计算出遥感器光学系统各个子视场的点扩散函 数；图像传感器模拟单元为扫描模块和扫描信息组织模块提供遥感器的图像传感器物理参数；

仿真系统时钟单元：为扫描模块和扫描信息组织模块提供时间同步信息；

所述扫描模块包括扫描时序控制器、像素映射单元、高程效果耦合单元和曝光模拟单元；

扫描时序控制器：利用仿真系统时钟单元提供的时间同步信息及图像传感器模拟单元提 供的图像传感器物理参数，得到对地遥感过程中图像传感器各像元的成像时间序列，并将各 像元的成像时间序列提供给像素映射单元；

像素映射单元：根据轨道模拟单元提供的遥感器轨道参数、姿态模拟单元提供的遥感器 姿态参数、光学系统模拟单元提供的遥感器光学系统焦距和图像传感器模拟单元提供的图像 传感器物理参数，按照物像空间几何关系计算图像传感器各像元与地面景物之间的空间几何 关系，获得各像元在遥感过程全程对应的地物坐标序列；根据各像元在遥感过程全程对应的 地物坐标序列、地物亮度与空间信息集成数据中的规划亮度矩阵和扫描时序控制器提供的图 像传感器各像元的成像时间序列得到图像传感器各像元对应的地物坐标亮度时间序列；各像 元对应的地物坐标亮度时间序列提供给高程效果耦合单元；

高程效果耦合单元：根据地物亮度与空间信息集成数据中的高程分布矩阵对图像传感器 各像元对应的地物坐标亮度时间序列中的亮度数据进行插值，实现高程修正，得到修正地物 坐标亮度时间序列；修正地物坐标亮度时间序列提供给曝光模拟单元；

曝光模拟单元：根据图像传感器模拟单元提供的图像传感器物理参数对高程效果耦合单 元提供的修正地物坐标亮度时间序列中各点亮度值进行模拟曝光运算，获得图像传感器各像 元的图像坐标灰度时间序列；各像元的图像坐标灰度时间序列提供给扫描信息组织模块；

扫描信息组织模块：依据仿真系统时钟单元提供的时间同步信息、图像传感器模拟单元 提供的图像传感器物理参数和曝光模拟单元提供的图像传感器各像元的图像坐标灰度时间序 列，排列出对地成像图像，再将排列出的对地成像图像与光学系统模拟单元提供的光学系统 各个视场的点扩散函数卷积，得到对地成像仿真图像亮度矩阵。

所述像素映射单元：利用式(1)确定连接物像的斜光线相对卫星的空间姿态(ξ，η)；

$\left(\begin{array}{c}\xi \\ \eta \end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{\xi }_0\\ {\eta }_0\end{array}\right)+\arctan (\left(\begin{array}{cc}\cos {\zeta }_0& -\sin {\zeta }_0\\ \sin {\zeta }_0& \cos {\zeta }_0\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\end{array}\right)/F)---\left(1\right)$

其中ζ₀，ξ₀，η₀分别为卫星偏航、横滚、俯仰姿态角，(x₀，y₀)为图像传感器各像元坐标， F为遥感器的光学系统焦距；

利用式(2)计算连接物像的斜光线与卫星——星下点连线的夹角θ；

tan²θ＝tan²ξ+tan²η   (2)

利用式(3)计算物像之间距离l：

$l=(R+H)\cos \theta -\sqrt{R^2-{(R+H)}^2{\sin }^2\theta }---\left(3\right)$

其中R为地球半径，H为卫星轨高；的靶标模型能够模拟基于椭球面地表的立体地形

利用式(4)计算地表连接星下点与景物的大圆圆弧的张角

根据和连接物像的斜光线相对卫星的空间姿态(ξ，η)，利用球面角公式计算获得地物 的经纬度，从而确定图像传感器各像元与地面景物之间的空间几何关系。

所述高程分布矩阵中包含景物所在地形高程信息和在球面地表基础上对地球椭球面地表 的高程修正信息。

本发明的有益效果：

1.能够对任意轨道上任意姿态的空间光学遥感器对地成像过程进行仿真。

2.排除了硬件仿真平台所引入的机械与电子学误差，能够准确计算在轨环境下各时刻遥 感器像面各点与地物的对应关系；能够对具有人为规定地形起伏的立体景物进行成像仿真。 采用的靶标模型能够模拟基于椭球面地表的立体地形；靶标地形高程分布可自定义，选择范 围广。由于仿真成像图像的每一点都基于立体地形与像面的投影关系计算获得，因此能够将 地物在像面上的投影畸变反映出来，并给出精确的成像范围。允许在像面上定义多个成像区 域，对多块CCD在像面上布局进行仿真。这样，本发明不但能够提供验证遥感器成像质量的 仿真扫描图像，而且能够给出精确的遥感器地面成像覆盖范围和地物投影畸变信息，以及采 取各种CCD布局方案的扫描结果，为轨道选择、光学系统设计、图像传感器在像面上布局设 计、多景遥感图像拼接技术开发和MTFC技术开发等多种应用提供仿真验证功能，拓宽了遥 感器对地成像仿真技术的应用范围。

3.模块清晰，结构紧凑，易于面对实际科研需求进行升级。

所述目标源匹配模块：在规划亮度矩阵时，对图像在南北和东西方向进行适应图像对应 区域经纬度范围的拉伸。这样，可以防止高纬地区的仿真结果受纬线距离缩短影响而产生畸 变。

所述图像传感器模拟单元提供的图像传感器物理参数包括CCD物理参数和TDI-CCD物 理参数。

所述扫描信息组织模块包括推扫式成像组织单元和凝视式成像组织单元；推扫式成像组 织单元依据仿真系统时钟单元提供的时间同步信息、图像传感器模拟单元提供的TDI-CCD物 理参数和模拟曝光单元所产生的图像坐标灰度时间序列，排列出对地成像图像，再将排列出 的对地成像图像与光学系统模拟单元所提供的光学系统各个视场的点扩散函数(PSF)卷积， 得到TDI-CCD对地成像仿真图像亮度矩阵；凝视式成像组织单元依据仿真系统时钟单元提供 的时间同步信息、图像传感器模拟单元提供的CCD物理参数和模拟曝光单元所产生的图像坐 标灰度时间序列，排列出对地成像图像，再将排列出的对地成像图像与光学系统模拟单元所 提供的光学系统各个视场的点扩散函数卷积，得到CCD对地成像仿真图像亮度矩阵。

本发明空间光学遥感器的成像方式可以在推扫式和凝视式之间进行选择，对于推扫式成 像，能够实现准确的同步扫描成像，同时易于维护和升级。适用于TDI-CCD推扫式和面阵 CCD凝视式遥感器对地成像过程的仿真。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统结构框图。

图2目标源匹配模块结构框图。

图3遥感器仿真模块结构框图。

图4扫描模块结构框图。

图5扫描信息组织模块结构框图。

图中1.目标源匹配模块，2.遥感器仿真模块，3.扫描模块，4.扫描信息组织模块， 8.仿真系统时钟单元，10.地物比例调整运算器，11.高程匹配运算器，12.轨道模拟单元， 13.姿态模拟单元，14.光学系统模拟单元，15.图像传感器模拟单元，16.扫描时序控制 器，17.像素映射单元，18.高程效果耦合单元，21.曝光模拟单元，19.推扫式成像组织单 元，20.凝视式成像组织单元。

图6为遥感器各像元与地面景物之间的空间几何关系示意图。

图中l为物像之间距离，R为地球半径，H为卫星轨高，θ为连接物像的斜光线与卫星 ——星下点连线的夹角，为地表连接星下点与景物的大圆圆弧的张角。

具体实施方式

如图1所示，本发明的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统包括目标源匹 配模块1，遥感器仿真模块2，扫描模块3，扫描信息组织模块4，仿真系统时钟单元8。

如图2所示，所述目标源匹配模块1包括地物比例调整运算器10、高程匹配运算器11。

目标源匹配模块1以地物亮度数据和地域高程数据为输入，地物亮度数据的格式为能够 兼容遥感、航拍或人工模拟的二维平面图像，图像依照自然距离比例尺，从图像亮度矩阵数 值精度方面，可以是灰度位图或浮点数矩阵；从图像光谱数量方面，可以是单光谱、多光谱 或高光谱。地物亮度数据可以从图像文件中获取，地域高程数据针对图像用计算机解算获得。

在目标源匹配模块1中，地物亮度数据经过地物比例调整运算器10处理：根据地物亮度 数据所在地表经纬度范围，按照经纬度重新规划亮度矩阵坐标，使用插值算法获得亮度矩阵 内各点亮度值，得到规划亮度矩阵。在规划亮度矩阵坐标时，对图像在南北和东西方向进行 适应图像对应区域经纬度范围的拉伸，这样，可以防止高纬地区的仿真结果受纬线距离缩短 影响而产生畸变。

地域高程数据的格式为按自然长度比例尺或经纬度比例尺分布的二维高程矩阵，经过高 程匹配运算器11规划为与亮度矩阵配套的高程分布矩阵。

规划亮度矩阵和高程分布矩阵耦合为地物亮度与空间信息集成数据。

遥感目标区域的地物亮度数据和地域高程数据输入到目标源匹配模块1中，经过比例调 整和高程匹配过程，按照地球坐标系中空间立体角坐标重新规划，以满足扫描模块3中的数 据处理需求，得到遥感目标区域内各点亮度与高程信息集成的地物亮度与空间信息集成数据。

如图3所示，遥感器仿真模块2包括轨道模拟单元12、姿态模拟单元13、光学系统模拟 单元14和图像传感器模拟单元15。

轨道模拟单元12采用轨道半长轴a、轨道偏心率e、升交点赤经Ω_N、轨道倾角i、极角 ω_N和卫星经过近地点时刻t_p六个轨道要素定义卫星在轨道上的飞行状态，赤道惯性坐标系 中，卫星在任一时刻的位置由以下方程组定义：