空間光學相機成像仿真系統設計與實現

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，提供數據支持。

針對特定需求，研發人員設計實現相關的仿真軟件[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[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[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[12]，中科院長春光機所提出的星載相機成像仿真系統[13-14]等。上述仿真方案都實現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，面對不同需求時需要重新修改整個系統，可復用性較差。

為解決上述問題，本文設計并實現了一款基于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。系統擁有STK強大的環境和數據支撐。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，將模型加入系統之中，使系統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，提高系統的可擴展性。采用分布式技術使系統在面臨不同需求時只需修改局部模塊，提高了開發效率，使系統具有良好的復用性。

2 仿真模塊設計

2.1 仿真模擬系統設計原理

空間光學相機成像仿真系統主要通過地面軟、硬件相結合的模擬方式，仿真空間光學相機在軌工作狀態，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、圖像數據格式以及在軌的圖像處理。以火星探測為例進行設計，仿真系統主要可以分為3個模塊：(1)地物環境創建模塊；(2)主控模擬模塊；(3)相機光學仿真圖像生成模塊。整個仿真系統使用分布式結構，分模塊地進行設計與實現，在提高開發效率的同時，也提升了整個系統的復用性。相比集中式系統，在后續開發過程中，只需要對某個模塊單獨修改就可以實現整個系統功能的修改，維護也更方便。

2.2 地物環境創建模塊

地物環境創建模塊的主要作用是生成火星表面三維景物信息。為實現衛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據導入STK，使用STK仿真的相關功能迅速準確地確定衛星在軌運行任意時刻的位置，根據相機的視場顯示衛星星下點成像覆蓋區域，確定光學相機成像可視區域的經緯度范圍，并顯示可視區域內的三維景物。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總線接收衛星制導、導航與控制系統(Guidance，Navigation and Control System, GNC)廣播的平臺參數，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，使其調整姿態；主控模擬模塊還可以根據像移補償計算結果，將拍攝行頻、級數、增益等參數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，使其根據參數輸入對生成圖像進行調整。

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參數的變化，地物環境創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用STK生成星體二維和三維圖像；仿真衛星在軌運行位置及該時刻下探測器掃描區域接收主控模擬模塊發送的數據。根據不同的參數，通過調用OSG生成實時的星體表面細節仿真圖像。模塊還可以調用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建

圖2 成像影響模型Fig.2 Imaging impact model

模擬的火星地表景物經過一系列的鏈路環節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。影響模型的創建在OSG中實現。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。后續模型的優化也可以單獨在OSG中實現而不需要大量修改系統代碼，極大地增加了系統的擴展性。

3.1 像移影響模型

衛星在宇宙空間中所受到各種復雜的力以及本身姿態調整等會造成衛星顫振[15]，同時衛星與地面存在相對運動，這些都會對衛星上的相機成像產生像移影響，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，星下點地物相對衛星的移動線速度為vn′，則vn和vn′的方向相反。考慮火星自轉，令星下點地物在緯線上的線速度為ve。根據矢量加法的平行四邊形法則，星下點地物相對衛星線速度是vn′與ve的合成速度vsum。衛星偏流角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在衛星軌道坐標系上x軸與y軸的兩個分量。考慮衛星偏流角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

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

假設衛星平臺顫振在3個姿態角方向都按一定的正弦函數變化，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過大氣和光學系統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字(Digital Number, DN)值，需要對大氣效應、輻射傳輸等入瞳輻亮度影響過程進行建模。

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，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

通過衛星傳感器獲取的地表景物入瞳輻照度，在傳感器內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

調制傳遞函數(Modulation Transfer Function, MTF)衡量了系統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，調制傳遞函數確定了成像系統對于目標細節的分辨本領。

MTF本質上就是各個空間頻率的正弦波影像經過成像系統后調制損失的百分比。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介質的模擬。

由于一般的遙感系統都是空間不變線性系統，于是系統總的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個網格，取網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為一些引起較強視覺效果的像素點或像素塊。在電子網絡中，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

實際地物根據地物的物理特性擁有不同的輻照度，在傳感器內部的輻射強度是一條連續的曲線。模擬圖像經過采樣后，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量。量化模型把現實空間場景數據的灰度數據進行了離散化操作。

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，在相機內部被編碼成二進制數值，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據流，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 軟件實現及調試

基于仿真系統需要良好的人機交互界面、好的擴展性和復用性、仿真衛星實時運行狀態以及火星表面具體細節仿真的要求，仿真系統采用分布式技術，分為3個模塊獨立進行開發。通過Visual Studio 2017實現系統的人機交互界面以及系統各模塊間的通訊功能；使用STK實現地物環境創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、衛星運行軌跡展示、火星表面具體細節生成以及仿真圖像進行退化影響的功能。軟件的整體實現框圖以及功能如圖3所示。

圖3 軟件實現框圖Fig.3 Block diagram of software realization

圖4 仿真軟件系統調試Fig.4 Debugging of simulation software system

軟件的系統調試使用3臺設備進行仿真驗證。如圖4所示，最左邊的是地檢設備，用于發送指令；中間是主控模擬模塊，用于接收地檢平臺發送的指令，并轉發數據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，模塊接收姿軌參數及控制命令后，根據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總線以及網絡通訊的開關狀態。通過1553B接收地檢平臺發送的指令，通過RS422總線接收GNC平臺廣播的參數，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，使其調整參數。主控模擬模塊還可以將像移補償參數(如行頻、級數、增益等調光參數)通過RS422總線傳遞給相機光學仿真圖像生成模塊，使其調整生成的圖像。

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使系統具有仿真火星表面二維、三維圖形、衛星實時運行軌跡以及傳感器推掃區域的功能。圖中左上角位置是火星表面三維圖形，紅線是衛星的繞火星運行軌道，綠色區域是該時刻衛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，使用OSG預先創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、三維圖像中衛星的運動，右側OSG生成的火星表面細節也會發生變化，生成新的仿真圖像，實現了空間光學相機在軌運行工作狀態的仿真。圖7是不同時刻仿真產生的圖像結果。

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，開發了基于STK與OSG的分布式空間光學相機成像仿真系統。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擁有良好的可擴展性；分布式技術的采用使系統擁有良好的復用性。通過實際火星探測項目應用，證明了該系統可以為空間光學相機地面驗證提供一個良好的仿真環境，為空間光學相機的設計優化提供一定的參考。下一步將結合光學仿真軟件，更準確地分析整個光學系統的調制傳遞函數，建立更加精確的影響模型。