专利名称：空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统的制作方法
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)；
权利要求
1.一种空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统，其特征在于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；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；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。
2.根据权利要求1所述的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统，其特征在于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)；
3.根据权利要求1所述的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统，其特征在于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。
4.根据权利要求1所述的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统，其特征在于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CXD物理参数和TDI-C⑶物理参数。
5.根据权利要求1所述的空间光学遥感器对实际地物成像的计算机仿真系统，其特征在于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。
全文摘要
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。
文档编号G06T17/05GK102568034SQ20111045271
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者孙阳, 张学军, 薛栋林, 郑立功, 闫锋 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所