技术领域
[0001] 本
发明涉及光学遥感成像的技术领域，具体涉及一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法。
背景技术
[0002] 随着光学遥感成像技术的不断发展，空间光学遥感系统变得越来越复杂。空间光学遥感系统正朝着更高的空间
分辨率、
光谱分辨率、
辐射分辨率的方向发展，从而空间光学遥感器的设计、研制难度也越来越大。在实验室采用模拟仿真技术对从光学设施、设施平台整个遥感物理过程进行模拟仿真，能够以较低的经济成本来获得所需要的图像。因此，光学遥感仿真技术在遥感任务预测、成像系统设计、图像
质量评估、
图像处理算法验证、图像解译训练等一系列领域都具有极其重要的应用价值。
[0003] 由于空间光学遥感系统获取的图像质量受诸多因素的影响，因此，光学遥感相机最终的图像质量，需要从系统工程的
角度，开展遥感成像系统全链路仿真分析综合研究。对天观测光学遥感相机的全链路仿真是一项涉及光学、机械、热学、控制学、图像处理等众多学科的交叉领域综合技术。科学精确且
置信度高的全链路成像仿真系统对空间遥感相机的总体方案设计、指标分配、图像和数据的处理等具有重要的参考价值与指导意义。
[0004] 因此，针对
现有技术对光学遥感相机成像全链路仿真的需求，有必要提供一种能够综合考虑光学设计残差、光学表面制造残差、光学装调残差、重
力环境变化引起的误差、在轨热环境引起的误差以及微振动和精密稳像引起的误差等各种误差因素、具有高
精度和高置信度的光学遥感相机成像全链路的仿真方法。
发明内容
[0005] 针对现有技术对光学遥感相机成像全链路仿真的需求，本发明
实施例提供一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法。该仿真方法能够综合考虑光学设计残差、光学表面制造残差、光学装调残差、重力环境变化引起的误差、在轨热环境引起的误差以及微振动和精密稳像引起的误差等各种误差因素、具有高精度和高置信度。
[0006] 该光学遥感相机成像全链路的仿真方法的具体方案如下：一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法，包括步骤S1：在光学
软件中建立光学遥感相机的光学模型；步骤S2：建立光学遥感相机的结构模型和有限元模型，计算由于重力和
温度变化导致的光学系统中各个反射镜的第一刚体位移和第一面形泽尼克系数，计算由于在轨热环境变化导致的光学系统中各个反射镜的第二刚体位移和第二面形泽尼克系数；步骤S3：将星图目标用灰度值表示，建立星图目标模型；步骤S4：建立包含各种静态误差的光学遥感相机的光学模型，计算有各种静态误差下的光学系统的静态点扩散函数；步骤S5：建立微振动和精密稳像的动态仿真模型，计算凝视时间内不同时刻下光学系统的动态点扩散函数；步骤S6：将所述动态点扩散函数和所述静态点扩散函数进行
叠加，生成总的点扩散函数，并进行像质评价；步骤S7：将所述总的点扩散函数与原始星图进行卷积运算，得到光学系统所成的最终图像。
[0007] 优选地，所述步骤S1中的光学遥感相机的光学模型为光学镜面到成像焦面的光学全模型。
[0008] 优选地，所述步骤S1中的光学
软件包括CODE V软件或Zemax软件。
[0009] 优选地，，所述步骤S2中通
过热控系统提供光学遥感相机的在轨温度场分布来计算由于在轨热环境变化导致的光学系统中各个反射镜的第二刚体位移和第二面形泽尼克系数。
[0010] 优选地，所述步骤S4中的各种静态误差包括光学设计残差、光学表面制造残差、光学装调残差、重力环境变化和在轨热环境引起的残差。
[0011] 优选地，所述步骤S6中的像质评价的量化指标包括全视场平均波像差、
能量集中度、角分辨率和点扩散函数的椭率。
[0012] 优选地，所述步骤S3采用Matlab软件进行仿真和建模。
[0013] 优选地，所述步骤S2采用三维设计软件UG和
有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立光学遥感相机的结构模型和有限元模型。
[0014] 优选地，在所述有限元分析软件中按照实际约束状态和边界条件进行工况加载，计算各个反射镜镜面
节点位移；采用光机集成工具sigfit分别拟合各个反射镜镜面节点得到第一刚体位移、第一面形泽尼克系数、第二刚体位移和第二面形泽尼克系数。
[0015] 优选地，所述步骤S5中建立微振动的动态仿真模型的过程为：采用光机集成工具sigfit拟合得到光学模型，采用有限元分析软件MSC.Patran建立有限元模型，再通过灵敏度矩阵用有限元分析软件MSC.Patran集成为光机模型，加载时域
载荷，进行分析得到各个反射镜的刚体位移；所述步骤S5中建立精密稳像的动态仿真模型的过程为：以微振动和
姿态控制后的三轴残差为输入，采用光机集成工具sigfit拟合得到光学模型，采用有限元分析软件MSC.Patran建立有限元模型，再通过灵敏度矩阵用有限元分析软件MSC.Patran集成为光机模型，通过Matlab建立控
制模型并调用所述光机模型，进行分析得到各个反射镜的刚体位移。
[0016] 从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
[0017] 本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法涵盖了光学、机械、热学、控制学、图像处理等多个学科，涉及到的内容包括相机光机结构、误差项模型、星图目标模型、微振动模型以及精密稳像模型，更全面地仿真整个物理过程。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法同时考虑了物理过程中静态误差项和动态误差项，从而使得仿真更加接近实际过程，对光学遥感相机的总体方案设计、指标分配、图像和数据的处理等具有重要的参考价值。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法通过分析光学遥感相机成像环节中存在由于设计、制造、系统装调、在轨环境变化、稳像控制等因素引起的成像质量下降情况，能够有效地对任务进行预测和识别影响光学系统成像性能的关键因素。进一步地，本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法是从系统层面上进行仿真的，可以优化和平衡各子系统的设计。
附图说明
[0018] 图1为本发明实施例中提供的一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法的流程示意图；
[0019] 图2为本发明实施例中提供的一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法中的误差示意图；
[0020] 图3为本发明实施例中提供的一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法以中心视场为例得到的扩散点函数结果示意图；
[0021] 图4为本发明实施例中提供的一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法以全视场波像差为例的像质评价指标示意图。
具体实施方式
[0022] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0023] 本发明的
说明书和
权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何
变形，意图在于
覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0024] 如图1所示，本发明实施例中提供的一种光学遥感相机成像全链路的仿真方法的流程示意图。本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法包括七个步骤，具体的过程如下阐述。
[0025] 步骤S1：在光学软件中建立光学遥感相机的光学模型。光学软件具体包括CODE V软件或Zemax软件。光学遥感相机的光学模型为光学镜面到成像焦面的光学全模型。即在CODE V软件或Zemax软件中建立各个光学镜面到成像焦面的光学全模型。
[0026] 步骤S2：建立光学遥感相机的结构模型和有限元模型，计算由于重力和温度变化导致的光学系统中各个反射镜的第一刚体位移U和第一面形泽尼克(Zernike)系数U’，计算由于在轨热环境变化导致的光学系统中各个反射镜的第二刚体位移P和第二面形泽尼克(Zernike)系数P’。其中，光学系统中各个反射镜的第二刚体位移P和第二面形泽尼克(Zernike)系数P’通过热控系统提供光学遥感相机的在轨温度场分布来计算。
[0027] 具体地实施过程为：采用三维设计软件UG和有限元分析软件MSC.Patran和MSC.Nastran建立光学遥感相机的三维结构模型和有限元模型。在有限元分析软件(即MSC.Patran和MSC.Nastran)中按照实际约束状态和边界条件进行工况加载，计算各个反射镜镜面节点位移。工况具体包括重力环境、温度环境以及热控系统提供相机的在轨温度场分布等。再采用光机集成工具sigfit分别拟合各个反射镜镜面节点得到第一刚体位移U、第一面形泽尼克(Zernike)系数U’、第二刚体位移P和第二面形泽尼克(Zernike)系数P’。
[0028] 步骤S3：将星图目标用灰度值表示，建立星图目标模型。具体可采用Matlab软件将星图目标用灰度值表示，建立所需星图目标的模型。
[0029] 步骤S4：建立包含各种静态误差的光学遥感相机的光学模型，计算有各种静态误差下的光学系统的静态点扩散函数。
[0030] 具体地实施过程为：在步骤S1中建立的光学遥感相机的光学模型中加入光学遥感相机的光学表面制造残差、光学装调残差、重力环境变化及在轨热环境引起的残差，从而建立包含各种静态误差的光学遥感相机的光学模型。如图2所示，各种静态误差包括光学设计残差、光学表面制造残差、光学装调残差、重力环境变化和在轨热环境引起的残差。
[0031] 由于点扩散函数(PSF)实际上是光学系统的脉冲响应函数，光学系统所成的像也可以理解成原始图像与各点的点扩散函数卷积的结果，所以，通过MATLAB中光学软件
插件驱动光学软件Code V或Zemax计算得到有各种静态误差下的光学系统的静态点扩散函数(PSF)。如图3所示，以中心视场为例得到的扩散点函数结果示意图。图3为(0,0)视场的点扩散函数(PSF)结果示意图，其中，X方向和Y方向为偏离中心的距离，Z方向代表相对能量值，通过能量的集中或分散程度，可以判断光学系统的成像质量。
[0032] 步骤S5：建立微振动和精密稳像的动态仿真模型，计算凝视时间内不同时刻下光学系统的动态点扩散函数。其中，建立微振动的动态仿真模型的过程为：采用光机集成工具sigfit拟合得到光学模型，采用有限元分析软件MSC.Patran建立有限元模型，再通过灵敏度矩阵用有限元分析软件MSC.Patran集成为光机模型，加载时域载荷，进行分析得到各镜子的刚体位移；建立精密稳像的动态仿真模型的过程为：以微振动和姿态控制后的三轴残差为输入，采用光机集成工具sigfit拟合得到光学模型，采用有限元分析软件MSC.Patran建立有限元模型，再通过灵敏度矩阵用有限元分析软件MSC.Patran集成为光机模型，通过Matlab建立控制模型并调用所述光机模型，进行分析得到各镜子的刚体位移。将微振动和精密稳像计算得到的各镜子的刚体位移加到相机光学模型上得到不同时刻下光学系统的动态点扩散函数(PSF)。
[0033] 步骤S6：将所述动态点扩散函数和所述静态点扩散函数进行叠加，生成总的点扩散函数，并进行像质评价。在该实施例中，像质评价的量化指标包括全视场平均波像差、能量集中度、角分辨率和点扩散函数椭率。
[0034] 具体的实施过程为：通过MATLAB软件将步骤S4中得到的包含各种静态误差下的静态点扩散函数(PSF)与步骤S5中微振动与精密稳像工况下得到的动态点扩散函数(PSF)叠加，生成最后总的点扩散函数(PSF)。由于肉眼难以区分高分辨率成像中小量的公差变化对图像的影响，所以像质评价的量化指标也可作为全链路仿真的仿真结果。因此，需要在光学软件CODE V或Zemax中，得到像质评价指标全视场平均波像差、能量集中度、角分辨率、椭率，其中椭率是通过对得到的总的点扩散函数(PSF)(其
采样数为2048*2048，采样间隔为0.4μm)以一定半径的圆为区域通过MATLAB计算得到。如图4所示，以全视场波像差为例的像质评价指标示意图。在图4中，X轴为物理空间X方向视场角(单位为度)，Y轴为物理空间Y方向视场角(单位为度)，表下方列出了全视场波像差(RMS)的最小值、最大值、平均值、标准方差值，均以
波长为单位，其中，波长为632.8nm。
[0035] 步骤S7：将所述总的点扩散函数与原始星图进行卷积运算，得到光学系统所成的最终图像。
[0036] 本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法涵盖了光学、机械、热学、控制学、图像处理等多个学科，涉及到的内容包括相机光机结构、误差项模型、星图目标模型、微振动模型以及精密稳像模型，更全面地仿真整个物理过程。
[0037] 本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法同时考虑了物理过程中静态误差项和动态误差项，从而使得仿真更加接近实际过程，对光学遥感相机的总体方案设计、指标分配、图像和数据的处理等具有重要的参考价值。
[0038] 本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法通过分析光学遥感相机成像环节中存在由于设计、制造、系统装调、在轨环境变化、稳像控制等因素引起的成像质量下降情况，能够有效地对任务进行预测和识别影响光学系统成像性能的关键因素。
[0039] 本发明实施例所提供的光学遥感相机成像全链路的仿真方法是从系统层面上进行仿真的，可以优化和平衡各子系统的设计。
[0040] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0041] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、
修改、替换和变型。
