樊金鵬， 姬 琪

(1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

1 引 言

空間光學(xué)相機(jī)是一種搭載在衛(wèi)星上來(lái)獲取地面目標(biāo)信息的相機(jī)，使用空間光學(xué)相機(jī)觀測(cè)地物目標(biāo)是空間觀測(cè)的主要手段之一[1-4]。提高空間光學(xué)相機(jī)的設(shè)計(jì)水平以擴(kuò)展其在空間目標(biāo)探索中的作用，需要做大量的仿真驗(yàn)證，提供數(shù)據(jù)支持。

針對(duì)特定需求，研發(fā)人員設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相關(guān)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(yīng)用研究中心設(shè)計(jì)的基于HLA的空間光學(xué)探測(cè)仿真系統(tǒng)[10]，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)許興星、丁雷設(shè)計(jì)的基于OpenGL的星載可見(jiàn)光相機(jī)成像仿真系統(tǒng)[11]，解放軍信息工程大學(xué)提出的航天光學(xué)遙感成像半實(shí)物仿真系統(tǒng)[12]，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所提出的星載相機(jī)成像仿真系統(tǒng)[13-14]等。上述仿真方案都實(shí)現(xiàn)了空間光學(xué)相機(jī)的成像過(guò)程仿真，但是由于STK庫(kù)非開(kāi)源的特性，無(wú)法通過(guò)STK直接添加影響模型，導(dǎo)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(wú)法滿足空間光學(xué)相機(jī)日益復(fù)雜的仿真需求，可擴(kuò)展性較差；部分方案采用的集中式系統(tǒng)，面對(duì)不同需求時(shí)需要重新修改整個(gè)系統(tǒng)，可復(fù)用性較差。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)并實(shí)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(xué)相機(jī)成像仿真系統(tǒng)。系統(tǒng)擁有STK強(qiáng)大的環(huán)境和數(shù)據(jù)支撐。OSG是一款開(kāi)源且具有良好的跨平臺(tái)兼容性的視景仿真技術(shù)。通過(guò)OSG可以創(chuàng)建偏流角、平臺(tái)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(xué)相機(jī)日益復(fù)雜的成像仿真需求。由于OSG開(kāi)源的特性，可以不斷更新模型，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。采用分布式技術(shù)使系統(tǒng)在面臨不同需求時(shí)只需修改局部模塊，提高了開(kāi)發(fā)效率，使系統(tǒng)具有良好的復(fù)用性。

2 仿真模塊設(shè)計(jì)

2.1 仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

空間光學(xué)相機(jī)成像仿真系統(tǒng)主要通過(guò)地面軟、硬件相結(jié)合的模擬方式，仿真空間光學(xué)相機(jī)在軌工作狀態(tài)，包括在軌的運(yùn)控過(guò)程、外部成像條件、光學(xué)成像效果、對(duì)外電子學(xué)接口、圖像數(shù)據(jù)格式以及在軌的圖像處理。以火星探測(cè)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，仿真系統(tǒng)主要可以分為3個(gè)模塊：(1)地物環(huán)境創(chuàng)建模塊；(2)主控模擬模塊；(3)相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊。整個(gè)仿真系統(tǒng)使用分布式結(jié)構(gòu)，分模塊地進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在提高開(kāi)發(fā)效率的同時(shí)，也提升了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)用性。相比集中式系統(tǒng)，在后續(xù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，只需要對(duì)某個(gè)模塊單獨(dú)修改就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)功能的修改，維護(hù)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)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(dǎo)入STK，使用STK仿真的相關(guān)功能迅速準(zhǔn)確地確定衛(wèi)星在軌運(yùn)行任意時(shí)刻的位置，根據(jù)相機(jī)的視場(chǎng)顯示衛(wèi)星星下點(diǎn)成像覆蓋區(qū)域，確定光學(xué)相機(jī)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(guò)1553B總線接收地面任務(wù)指令，通過(guò)RS422總線接收衛(wèi)星制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)(Guidance，Navigation and Control System, GNC)廣播的平臺(tái)參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的像移補(bǔ)償計(jì)算，并將偏流角計(jì)算結(jié)果反饋給GNC平臺(tái)，使其調(diào)整姿態(tài)；主控模擬模塊還可以根據(jù)像移補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果，將拍攝行頻、級(jí)數(shù)、增益等參數(shù)實(shí)時(shí)傳遞給相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊，通過(guò)RS422接口傳遞給相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊，使其根據(jù)參數(shù)輸入對(duì)生成圖像進(jìn)行調(diào)整。

2.4 相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊

相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊的主要作用是模擬光學(xué)相機(jī)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(chǎng)景管理驅(qū)動(dòng)單元不斷更新三維地景信息，模塊也將實(shí)時(shí)地生成二維的虛擬光學(xué)影像。

相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊通過(guò)調(diào)用STK生成星體二維和三維圖像；仿真衛(wèi)星在軌運(yùn)行位置及該時(shí)刻下探測(cè)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(guò)調(diào)用OSG生成實(shí)時(shí)的星體表面細(xì)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(duì)相機(jī)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(guò)一系列的鏈路環(huán)節(jié)投影至探測(cè)器成像焦面。這一過(guò)程中，會(huì)受到光學(xué)、電子學(xué)、信息傳輸與幾何成像等綜合影響。如圖2所示，對(duì)這一系列影響因素按照性質(zhì)分類(lèi)，分為3大類(lèi)，將其進(jìn)行仿真建模。影響模型的創(chuàng)建在OSG中實(shí)現(xiàn)。利用OSG開(kāi)源庫(kù)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(dú)在OSG中實(shí)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(kuò)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(fù)雜的力以及本身姿態(tài)調(diào)整等會(huì)造成衛(wèi)星顫振[15]，同時(shí)衛(wèi)星與地面存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這些都會(huì)對(duì)衛(wèi)星上的相機(jī)成像產(chǎn)生像移影響，需要對(duì)其影響進(jìn)行建模和補(bǔ)償。

3.1.1 偏流角影響模型

星球自轉(zhuǎn)是偏流角產(chǎn)生的主要因素，設(shè)星下點(diǎn)的移動(dòng)線速度為vn，星下點(diǎn)地物相對(duì)衛(wèi)星的移動(dòng)線速度為vn′，則vn和vn′的方向相反?？紤]火星自轉(zhuǎn)，令星下點(diǎn)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(diǎn)地物相對(duì)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(fù)，降軌為正。Vaeby與Vaebx是vsum在衛(wèi)星軌道坐標(biāo)系上x(chóng)軸與y軸的兩個(gè)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(jī)距離地面目標(biāo)的高度；δt為一次成像的時(shí)間。

3.1.2 平臺(tái)震顫影響模型

平臺(tái)顫振影響姿態(tài)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致與時(shí)間相關(guān)的相對(duì)姿態(tài)誤差。在軌運(yùn)行時(shí)，造成平臺(tái)顫振的成因很復(fù)雜，包括外部空間環(huán)境和內(nèi)部機(jī)械運(yùn)作兩部分。

假設(shè)衛(wèi)星平臺(tái)顫振在3個(gè)姿態(tài)角方向都按一定的正弦函數(shù)變化，即在t時(shí)刻，平臺(tái)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(gè)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(diǎn)到像主點(diǎn)的距離；f′為等效焦距。

3.2 入瞳輻照度影響模型

空間光學(xué)相機(jī)對(duì)火星地表景物成像的過(guò)程實(shí)際是景物反射的太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣和光學(xué)系統(tǒng)作用后到達(dá)探測(cè)器并被接收、處理以及量化的輻射傳輸和光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程。而從入瞳輻亮度到數(shù)字(Digital Number, DN)值，需要對(duì)大氣效應(yīng)、輻射傳輸?shù)热胪椓炼扔绊戇^(guò)程進(jìn)行建模。

輻射傳輸與大氣效應(yīng)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(hào)場(chǎng)的條件下，入瞳輻亮度信號(hào)場(chǎng)主要由觀測(cè)幾何條件(高度角、方位角、觀測(cè)目標(biāo)經(jīng)緯度)和大氣條件以及大氣后向散射強(qiáng)度共同確定。

假設(shè)地表面的反射率為ρλ，相機(jī)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(diǎn)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(guò)率；Eλ,Direct為太陽(yáng)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(guò)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(zhuǎn)換為二進(jìn)制電子脈沖，在電子脈沖信息傳輸過(guò)程中，會(huì)面臨電子學(xué)、信息學(xué)因素的影響，對(duì)這些因素進(jìn)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(duì)于正弦波輸入的振幅響應(yīng)，主要用來(lái)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(duì)于目標(biāo)細(xì)節(jié)的分辨本領(lǐng)。

MTF本質(zhì)上就是各個(gè)空間頻率的正弦波影像經(jīng)過(guò)成像系統(tǒng)后調(diào)制損失的百分比。由于實(shí)際中衍射、像差等作用的影響，實(shí)際像的對(duì)比度會(huì)降低。遙感圖像的MTF模擬可以看作是對(duì)成像系統(tǒng)介質(zhì)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(guò)這些子單元的MTF相乘得到，表達(dá)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(jìn)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(jìn)行等間距劃分，從而把二維圖像平面劃分成M×N個(gè)網(wǎng)格，取網(wǎng)格中心點(diǎn)的位置作為采樣結(jié)果的過(guò)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(qiáng)視覺(jué)效果的像素點(diǎn)或像素塊。在電子網(wǎng)絡(luò)中，通信信道可能受到來(lái)自許多自然源的寬帶高斯噪聲的影響，例如導(dǎo)體中原子的熱噪聲、散粒噪聲、起伏噪聲、來(lái)自太陽(yáng)等天體的宇宙噪聲等，這些噪聲對(duì)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(duì)這些擾動(dòng)進(jìn)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(shí)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(qiáng)度是一條連續(xù)的曲線。模擬圖像經(jīng)過(guò)采樣后，在時(shí)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(shí)空間場(chǎng)景數(shù)據(jù)的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行了離散化操作。

3.3.5 信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸模型

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

(11)

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 軟件實(shí)現(xiàn)及調(diào)試

基于仿真系統(tǒng)需要良好的人機(jī)交互界面、好的擴(kuò)展性和復(fù)用性、仿真衛(wèi)星實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)以及火星表面具體細(xì)節(jié)仿真的要求，仿真系統(tǒng)采用分布式技術(shù)，分為3個(gè)模塊獨(dú)立進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)Visual Studio 2017實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面以及系統(tǒng)各模塊間的通訊功能；使用STK實(shí)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(shí)現(xiàn)相機(jī)光學(xué)圖像仿真生成模塊中對(duì)火星二維三維影像生成、衛(wèi)星運(yùn)行軌跡展示、火星表面具體細(xì)節(jié)生成以及仿真圖像進(jìn)行退化影響的功能。軟件的整體實(shí)現(xiàn)框圖以及功能如圖3所示。

圖3 軟件實(shí)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(tái)設(shè)備進(jìn)行仿真驗(yàn)證。如圖4所示，最左邊的是地檢設(shè)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(tái)發(fā)送的指令，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊；最右側(cè)是相機(jī)光學(xué)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(shí)時(shí)生成星下點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圖像，在模塊中進(jìn)行展示。

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是主控模擬模塊，可以控制1553B、RS422總線以及網(wǎng)絡(luò)通訊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)1553B接收地檢平臺(tái)發(fā)送的指令，通過(guò)RS422總線接收GNC平臺(tái)廣播的參數(shù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)像移補(bǔ)償計(jì)算，并將偏流角的計(jì)算結(jié)果反饋給GNC平臺(tái)，使其調(diào)整參數(shù)。主控模擬模塊還可以將像移補(bǔ)償參數(shù)(如行頻、級(jí)數(shù)、增益等調(diào)光參數(shù))通過(guò)RS422總線傳遞給相機(jī)光學(xué)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(jī)光學(xué)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(shí)時(shí)運(yùn)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(yùn)行軌道，綠色區(qū)域是該時(shí)刻衛(wèi)星傳感器推掃到的地點(diǎn)；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(yùn)行軌跡。右側(cè)圖像是OSG中進(jìn)行建模渲染的火星表面具體細(xì)節(jié)，使用OSG預(yù)先創(chuàng)建豐富的成像影響模型，仿真復(fù)雜的影響因素對(duì)成像過(guò)程的影響。隨著左側(cè)二維、三維圖像中衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，右側(cè)OSG生成的火星表面細(xì)節(jié)也會(huì)發(fā)生變化，生成新的仿真圖像，實(shí)現(xiàn)了空間光學(xué)相機(jī)在軌運(yùn)行工作狀態(tài)的仿真。圖7是不同時(shí)刻仿真產(chǎn)生的圖像結(jié)果。

圖7 不同時(shí)刻仿真生成結(jié)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(duì)比Fig.8 Comparison of the original image and the image adding a degradation model

相機(jī)光學(xué)仿真圖像生成模塊中可以對(duì)仿真生成的圖像選擇添加退化模型。通過(guò)在軟件中選取影響模型，調(diào)用OSG中封裝的相對(duì)應(yīng)的成像影響模型，對(duì)生成的圖像添加相對(duì)應(yīng)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(jié)果。圖9左側(cè)是添加偏流角為30°的像移影響模型之后的仿真結(jié)果，添加像移影響之后出現(xiàn)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)的模糊，右側(cè)是像移補(bǔ)償之后的結(jié)果。圖10是不同太陽(yáng)高度角對(duì)成像效果的影響結(jié)果，左圖是太陽(yáng)高度角為30°時(shí)的影響效果，右圖是太陽(yáng)高度角為50°時(shí)的影響效果，太陽(yáng)高度角低時(shí)，圖像更暗，高度角高時(shí)圖像較亮。多種仿真影響模型可以滿足空間光學(xué)相機(jī)實(shí)際在軌工作所遇到的復(fù)雜情況。

圖9 像移對(duì)圖像像質(zhì)的影響Fig.9 Influence of image shift on image quality

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

5 結(jié) 論

本文針對(duì)空間光學(xué)相機(jī)日益復(fù)雜的地面仿真測(cè)試需求，對(duì)多種成像影響模型進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了基于STK與OSG的分布式空間光學(xué)相機(jī)成像仿真系統(tǒng)。多種圖像退化模型可以滿足復(fù)雜條件下相機(jī)的成像效果仿真；OSG開(kāi)源庫(kù)的使用使得系統(tǒng)擁有良好的可擴(kuò)展性；分布式技術(shù)的采用使系統(tǒng)擁有良好的復(fù)用性。通過(guò)實(shí)際火星探測(cè)項(xiàng)目應(yīng)用，證明了該系統(tǒng)可以為空間光學(xué)相機(jī)地面驗(yàn)證提供一個(gè)良好的仿真環(huán)境，為空間光學(xué)相機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供一定的參考。下一步將結(jié)合光學(xué)仿真軟件，更準(zhǔn)確地分析整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)，建立更加精確的影響模型。