空間光學相機成像仿真系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

樊金鵬， 姬 琪

(1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033; 2. 中國科學院大學，北京 100049)

1 引 言

空間光學相機是一種搭載在衛(wèi)星上來獲取地面目標信息的相機，使用空間光學相機觀測地物目標是空間觀測的主要手段之一[1-4]。提高空間光學相機的設計水平以擴展其在空間目標探索中的作用，需要做大量的仿真驗證，提供數(shù)據(jù)支持。

針對特定需求，研發(fā)人員設計實現(xiàn)相關的仿真軟件[5-9]。已有研究提出的仿真方案有很多，如中科院空間應用研究中心設計的基于HLA的空間光學探測仿真系統(tǒng)[10]，中國科學院大學許興星、丁雷設計的基于OpenGL的星載可見光相機成像仿真系統(tǒng)[11]，解放軍信息工程大學提出的航天光學遙感成像半實物仿真系統(tǒng)[12]，中科院長春光機所提出的星載相機成像仿真系統(tǒng)[13-14]等。上述仿真方案都實現(xiàn)了空間光學相機的成像過程仿真，但是由于STK庫非開源的特性，無法通過STK直接添加影響模型，導致部分方案中所包含的影響模型較少，缺少像移影響、傳輸鏈路影響等影響模型，無法滿足空間光學相機日益復雜的仿真需求，可擴展性較差；部分方案采用的集中式系統(tǒng)，面對不同需求時需要重新修改整個系統(tǒng)，可復用性較差。

為解決上述問題，本文設計并實現(xiàn)了一款基于STK與OSG、包含多種成像影響模型的分布式空間光學相機成像仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)擁有STK強大的環(huán)境和數(shù)據(jù)支撐。OSG是一款開源且具有良好的跨平臺兼容性的視景仿真技術。通過OSG可以創(chuàng)建偏流角、平臺顫振等STK所不具備的影響模型，將模型加入系統(tǒng)之中，使系統(tǒng)滿足空間光學相機日益復雜的成像仿真需求。由于OSG開源的特性，可以不斷更新模型，提高系統(tǒng)的可擴展性。采用分布式技術使系統(tǒng)在面臨不同需求時只需修改局部模塊，提高了開發(fā)效率，使系統(tǒng)具有良好的復用性。

2 仿真模塊設計

2.1 仿真模擬系統(tǒng)設計原理

空間光學相機成像仿真系統(tǒng)主要通過地面軟、硬件相結合的模擬方式，仿真空間光學相機在軌工作狀態(tài)，包括在軌的運控過程、外部成像條件、光學成像效果、對外電子學接口、圖像數(shù)據(jù)格式以及在軌的圖像處理。以火星探測為例進行設計，仿真系統(tǒng)主要可以分為3個模塊：(1)地物環(huán)境創(chuàng)建模塊；(2)主控模擬模塊；(3)相機光學仿真圖像生成模塊。整個仿真系統(tǒng)使用分布式結構，分模塊地進行設計與實現(xiàn)，在提高開發(fā)效率的同時，也提升了整個系統(tǒng)的復用性。相比集中式系統(tǒng)，在后續(xù)開發(fā)過程中，只需要對某個模塊單獨修改就可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)功能的修改，維護也更方便。

2.2 地物環(huán)境創(chuàng)建模塊

地物環(huán)境創(chuàng)建模塊的主要作用是生成火星表面三維景物信息。為實現(xiàn)衛(wèi)星對火星表面視景的仿真模擬，將收集的火星影像與地形數(shù)據(jù)導入STK，使用STK仿真的相關功能迅速準確地確定衛(wèi)星在軌運行任意時刻的位置，根據(jù)相機的視場顯示衛(wèi)星星下點成像覆蓋區(qū)域，確定光學相機成像可視區(qū)域的經(jīng)緯度范圍，并顯示可視區(qū)域內(nèi)的三維景物。圖1所示為視景仿真流程圖。

圖1 視景仿真流程圖Fig.1 Visual simulation flow chart

2.3 主控模擬模塊

該主控模擬模塊通過1553B總線接收地面任務指令，通過RS422總線接收衛(wèi)星制導、導航與控制系統(tǒng)(Guidance，Navigation and Control System, GNC)廣播的平臺參數(shù)，進行實時的像移補償計算，并將偏流角計算結果反饋給GNC平臺，使其調(diào)整姿態(tài)；主控模擬模塊還可以根據(jù)像移補償計算結果，將拍攝行頻、級數(shù)、增益等參數(shù)實時傳遞給相機光學仿真圖像生成模塊，通過RS422接口傳遞給相機光學仿真圖像生成模塊，使其根據(jù)參數(shù)輸入對生成圖像進行調(diào)整。

2.4 相機光學仿真圖像生成模塊

相機光學仿真圖像生成模塊的主要作用是模擬光學相機的在軌成像，將三維景物信息映射到二維的成像表面。隨著GNC參數(shù)的變化，地物環(huán)境創(chuàng)建模塊的場景管理驅動單元不斷更新三維地景信息，模塊也將實時地生成二維的虛擬光學影像。

相機光學仿真圖像生成模塊通過調(diào)用STK生成星體二維和三維圖像；仿真衛(wèi)星在軌運行位置及該時刻下探測器掃描區(qū)域接收主控模擬模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。根據(jù)不同的參數(shù)，通過調(diào)用OSG生成實時的星體表面細節(jié)仿真圖像。模塊還可以調(diào)用OSG中不同的成像影響模型，仿真多種影響條件對相機成像效果的影響。

3 成像影響模型分析與創(chuàng)建

圖2 成像影響模型Fig.2 Imaging impact model

模擬的火星地表景物經(jīng)過一系列的鏈路環(huán)節(jié)投影至探測器成像焦面。這一過程中，會受到光學、電子學、信息傳輸與幾何成像等綜合影響。如圖2所示，對這一系列影響因素按照性質分類，分為3大類，將其進行仿真建模。影響模型的創(chuàng)建在OSG中實現(xiàn)。利用OSG開源庫的特性，可以自己添加不同的影響模型，使影響模型包含的面更廣。后續(xù)模型的優(yōu)化也可以單獨在OSG中實現(xiàn)而不需要大量修改系統(tǒng)代碼，極大地增加了系統(tǒng)的擴展性。

3.1 像移影響模型

衛(wèi)星在宇宙空間中所受到各種復雜的力以及本身姿態(tài)調(diào)整等會造成衛(wèi)星顫振[15]，同時衛(wèi)星與地面存在相對運動，這些都會對衛(wèi)星上的相機成像產(chǎn)生像移影響，需要對其影響進行建模和補償。

3.1.1 偏流角影響模型

星球自轉是偏流角產(chǎn)生的主要因素，設星下點的移動線速度為vn，星下點地物相對衛(wèi)星的移動線速度為vn′，則vn和vn′的方向相反?？紤]火星自轉，令星下點地物在緯線上的線速度為ve。根據(jù)矢量加法的平行四邊形法則，星下點地物相對衛(wèi)星線速度是vn′與ve的合成速度vsum。衛(wèi)星偏流角βp1=arctan(Vaeby/Vaebx)，其中βp1∈(-π/2,π/2)，βp1升軌為負，降軌為正。Vaeby與Vaebx是vsum在衛(wèi)星軌道坐標系上x軸與y軸的兩個分量?？紤]衛(wèi)星偏流角βp1造成的像移，如式(1)所示：

(1)

式中：f為等效焦距；H為衛(wèi)星相機距離地面目標的高度；δt為一次成像的時間。

3.1.2 平臺震顫影響模型

平臺顫振影響姿態(tài)的穩(wěn)定性，導致與時間相關的相對姿態(tài)誤差。在軌運行時，造成平臺顫振的成因很復雜，包括外部空間環(huán)境和內(nèi)部機械運作兩部分。

假設衛(wèi)星平臺顫振在3個姿態(tài)角方向都按一定的正弦函數(shù)變化，即在t時刻，平臺偏航角ψ(yaw)、翻滾角φ(roll)、俯仰角θ(pitch)符合公式(2)～(4)：

ψ=Aψsin(ωψt+α)，

(2)

φ=Aφsin(ωφt+γ)，

(3)

θ=Aθsin(ωθt+β).

(4)

則在3個方向的像移，如式(5)～(7)所示：

δyaw=Δs·ψ，

(5)

δroll=f′·φ，

(6)

δpitch=f′·θ，

(7)

式中：Δs為像點到像主點的距離；f′為等效焦距。

3.2 入瞳輻照度影響模型

空間光學相機對火星地表景物成像的過程實際是景物反射的太陽輻射經(jīng)過大氣和光學系統(tǒng)作用后到達探測器并被接收、處理以及量化的輻射傳輸和光電轉換的過程。而從入瞳輻亮度到數(shù)字(Digital Number, DN)值，需要對大氣效應、輻射傳輸?shù)热胪椓炼扔绊戇^程進行建模。

輻射傳輸與大氣效應模型中，地面輻亮度由地物接受的輻照度確定。在獲取地面輻亮度信號場的條件下，入瞳輻亮度信號場主要由觀測幾何條件(高度角、方位角、觀測目標經(jīng)緯度)和大氣條件以及大氣后向散射強度共同確定。

假設地表面的反射率為ρλ，相機接收到的光譜輻射亮度如式(8)所示：

(8)

式(8)中：Fs是投射陰影系數(shù)，坡面為陰影則Fs為0，否則為1；Vs為一點所接收的天空漫反射與未被遮擋的水平而所接受的漫反射之比，介于0和1之間；τλ,Atm為上行大氣透過率；Eλ,Direct為太陽光譜輻照度；Eλ,Diffuse是天空漫射光到地面的光譜輻照度。

3.3 傳輸鏈路影響模型

通過衛(wèi)星傳感器獲取的地表景物入瞳輻照度，在傳感器內(nèi)部由光子轉換為二進制電子脈沖，在電子脈沖信息傳輸過程中，會面臨電子學、信息學因素的影響，對這些因素進行分析和建模[16]。

3.3.1 MTF模型

調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function, MTF)衡量了系統(tǒng)對于正弦波輸入的振幅響應，主要用來分析一些特定的成像系統(tǒng)，調(diào)制傳遞函數(shù)確定了成像系統(tǒng)對于目標細節(jié)的分辨本領。

MTF本質上就是各個空間頻率的正弦波影像經(jīng)過成像系統(tǒng)后調(diào)制損失的百分比。由于實際中衍射、像差等作用的影響，實際像的對比度會降低。遙感圖像的MTF模擬可以看作是對成像系統(tǒng)介質的模擬。

由于一般的遙感系統(tǒng)都是空間不變線性系統(tǒng)，于是系統(tǒng)總的MTF就可以通過這些子單元的MTF相乘得到，表達公式如式 (9)所示：

(9)

3.3.2 采樣模型

由于使用三維數(shù)字模型模擬地面進行遙感仿真，可采用均勻采樣模型這一最基本的模型作為影像仿真中的采樣模型，均勻采樣是指將一副二維連續(xù)圖像f(x,y)的圖像平面在x方向和y方向進行等間距劃分，從而把二維圖像平面劃分成M×N個網(wǎng)格，取網(wǎng)格中心點的位置作為采樣結果的過程。

3.3.3 噪聲模型

噪聲在圖像上常表現(xiàn)為一些引起較強視覺效果的像素點或像素塊。在電子網(wǎng)絡中，通信信道可能受到來自許多自然源的寬帶高斯噪聲的影響，例如導體中原子的熱噪聲、散粒噪聲、起伏噪聲、來自太陽等天體的宇宙噪聲等，這些噪聲對于影響仿真的影響，在概率上符合高斯分布，所以使用高斯噪聲對這些擾動進行模擬。以z作為噪聲值，則噪聲在模擬圖像上的分布符合公式(10)：

(10)

3.3.4 量化模型

實際地物根據(jù)地物的物理特性擁有不同的輻照度，在傳感器內(nèi)部的輻射強度是一條連續(xù)的曲線。模擬圖像經(jīng)過采樣后，在時間和空間上離散化為像素。但采樣所得的像素值仍是連續(xù)量。量化模型把現(xiàn)實空間場景數(shù)據(jù)的灰度數(shù)據(jù)進行了離散化操作。

3.3.5 信號轉換傳輸模型

空間光學相機獲得的地面地物幾何與輻射信息，在相機內(nèi)部被編碼成二進制數(shù)值，以電子脈沖的形式進行傳輸和保存，因此就會不可避免地面對信號轉換與傳輸中的誤碼率問題。假定誤碼的分布服從高斯分布，對于影像仿真中的二進制數(shù)據(jù)流，為添加高斯白噪聲進行誤碼的模擬，建立信號轉換的傳輸模型，如式(11)所示：

(11)

4 仿真結果與分析

4.1 軟件實現(xiàn)及調(diào)試

基于仿真系統(tǒng)需要良好的人機交互界面、好的擴展性和復用性、仿真衛(wèi)星實時運行狀態(tài)以及火星表面具體細節(jié)仿真的要求，仿真系統(tǒng)采用分布式技術，分為3個模塊獨立進行開發(fā)。通過Visual Studio 2017實現(xiàn)系統(tǒng)的人機交互界面以及系統(tǒng)各模塊間的通訊功能；使用STK實現(xiàn)地物環(huán)境創(chuàng)建模塊中二維與三維圖像信息的更新功能；使用STK與OSG實現(xiàn)相機光學圖像仿真生成模塊中對火星二維三維影像生成、衛(wèi)星運行軌跡展示、火星表面具體細節(jié)生成以及仿真圖像進行退化影響的功能。軟件的整體實現(xiàn)框圖以及功能如圖3所示。

圖3 軟件實現(xiàn)框圖Fig.3 Block diagram of software realization

圖4 仿真軟件系統(tǒng)調(diào)試Fig.4 Debugging of simulation software system

軟件的系統(tǒng)調(diào)試使用3臺設備進行仿真驗證。如圖4所示，最左邊的是地檢設備，用于發(fā)送指令；中間是主控模擬模塊，用于接收地檢平臺發(fā)送的指令，并轉發(fā)數(shù)據(jù)給相機光學仿真圖像生成模塊；最右側是相機光學仿真圖像生成模塊，模塊接收姿軌參數(shù)及控制命令后，根據(jù)接收到的信息實時生成星下點對應的圖像，在模塊中進行展示。

4.2 仿真實驗結果

圖5是主控模擬模塊，可以控制1553B、RS422總線以及網(wǎng)絡通訊的開關狀態(tài)。通過1553B接收地檢平臺發(fā)送的指令，通過RS422總線接收GNC平臺廣播的參數(shù)，進行實時像移補償計算，并將偏流角的計算結果反饋給GNC平臺，使其調(diào)整參數(shù)。主控模擬模塊還可以將像移補償參數(shù)(如行頻、級數(shù)、增益等調(diào)光參數(shù))通過RS422總線傳遞給相機光學仿真圖像生成模塊，使其調(diào)整生成的圖像。

圖5 主控模擬模塊Fig.5 Master simulation module

圖6 仿真成像軟件效果Fig.6 Simulation imaging software effect

圖6是相機光學仿真圖像生成模塊效果圖。STK使系統(tǒng)具有仿真火星表面二維、三維圖形、衛(wèi)星實時運行軌跡以及傳感器推掃區(qū)域的功能。圖中左上角位置是火星表面三維圖形，紅線是衛(wèi)星的繞火星運行軌道，綠色區(qū)域是該時刻衛(wèi)星傳感器推掃到的地點；左下角是火星表面二維圖形，圖中的紅線是衛(wèi)星在火星軌道的運行軌跡。右側圖像是OSG中進行建模渲染的火星表面具體細節(jié)，使用OSG預先創(chuàng)建豐富的成像影響模型，仿真復雜的影響因素對成像過程的影響。隨著左側二維、三維圖像中衛(wèi)星的運動，右側OSG生成的火星表面細節(jié)也會發(fā)生變化，生成新的仿真圖像，實現(xiàn)了空間光學相機在軌運行工作狀態(tài)的仿真。圖7是不同時刻仿真產(chǎn)生的圖像結果。

圖7 不同時刻仿真生成結果Fig.7 Simulation results at different moments

4.3 部分成像影響模型效果

圖8 原圖與添加退化模型效果對比Fig.8 Comparison of the original image and the image adding a degradation model

相機光學仿真圖像生成模塊中可以對仿真生成的圖像選擇添加退化模型。通過在軟件中選取影響模型，調(diào)用OSG中封裝的相對應的成像影響模型，對生成的圖像添加相對應的退化模型。圖8左圖是未添加退化模型的原圖，右圖是添加退化模型之后的仿真結果。圖9左側是添加偏流角為30°的像移影響模型之后的仿真結果，添加像移影響之后出現(xiàn)了一個運動的模糊，右側是像移補償之后的結果。圖10是不同太陽高度角對成像效果的影響結果，左圖是太陽高度角為30°時的影響效果，右圖是太陽高度角為50°時的影響效果，太陽高度角低時，圖像更暗，高度角高時圖像較亮。多種仿真影響模型可以滿足空間光學相機實際在軌工作所遇到的復雜情況。

圖9 像移對圖像像質的影響Fig.9 Influence of image shift on image quality

圖10 不同太陽高度角對成像效果影響Fig.10 Influence of different solar altitude angle on imaging effect

5 結 論

本文針對空間光學相機日益復雜的地面仿真測試需求，對多種成像影響模型進行了研究，開發(fā)了基于STK與OSG的分布式空間光學相機成像仿真系統(tǒng)。多種圖像退化模型可以滿足復雜條件下相機的成像效果仿真；OSG開源庫的使用使得系統(tǒng)擁有良好的可擴展性；分布式技術的采用使系統(tǒng)擁有良好的復用性。通過實際火星探測項目應用，證明了該系統(tǒng)可以為空間光學相機地面驗證提供一個良好的仿真環(huán)境，為空間光學相機的設計優(yōu)化提供一定的參考。下一步將結合光學仿真軟件，更準確地分析整個光學系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，建立更加精確的影響模型。