空间光学相机成像建模及仿真技术研究

作     者：樊金鹏 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：姬琪

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 082504[工学-人机与环境工程] 0802[工学-机械工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：空间光学相机 控制仿真 成像仿真 成像建模 视景仿真技术 

摘      要：使用空间光学相机获取地物目标信息,是空间观测的主要手段之一。随着信息需求的日益膨胀,对空间光学相机的功能、性能指标要求也越来越高,这就对空间光学相机的设计水平提出了高要求。受到测量条件的复杂性以及观测目标多样性的影响,进行相机实物实验不太现实。随着计算机技术以及计算算法的飞速发展,计算机仿真在空间光学相机的研制过程中发挥着越来越显著的作用。空间光学相机成像仿真系统可以为空间光学相机的方案设计、像移补偿计算验证、信息处理算法研究与地面性能测试提供技术支持。本文以火星探测的保障项目为例,针对目前空间光学相机成像仿真方案成像模型较少、覆盖不全面的问题,难以满足相机在复杂观测条件下的仿真需求的问题,设计了基于卫星工具包与开源场景图形相结合的空间光学相机成像仿真方案,本文的主要工作内容如下:对成像过程中的影响因素进行仿真。空间光学相机实际拍摄过程会面临光学、电子学、信息传输与几何成像等等因素综合影响。将一系列影响因素按性质分为位移影响模型、入瞳辐照度影响模型以及传输链路影响模型,并对这些影响因素进行分析以及仿真建模。对视景仿真技术开展研究。通过对不同视景仿真技术的比较,以及对现有视景仿真系统的总结,提出了基于STK与OSG相结合的视景仿真技术,为空间光学相机成像仿真系统提供逼真的仿真目标。对空间光学相机的全数字链路控制进行了一系列仿真。整个仿真系统使用地检平台发送指令,通过主控模拟模块接收地检平台发送的指令,并传输给相机光学仿真图像生成模块。随着卫星轨道高度、调光调焦等参数的变化,仿真图像实时更新。对空间光学相机成像仿真系统的各模块进行划分,设计实现各模块功能。整个仿真系统分为三个模块,分别是地物环境创建模块,主控模拟模块以及相机光学仿真图像生成模块。地物环境创建模块主要作用是通过视景仿真技术生成火星表面三维景物信息。主控模拟模块主要作用是通过1553B总线和RS422总线接收发送各种指令信息。相机光学仿真图像生成模块主要作用是仿真生成火星表面细节图像;调用成像影响模型,通过选取影响模型对图像进行处理。最后的仿真结果证明,本仿真系统不仅能仿真空间光学相机在轨成像功能,而且能验证相机在轨工作状态的正确性、合理性以及外部接口的准确性,本仿真系统目前已经在火星探测项目的验证星上进行了验证,为实验测试提供了全链路的仿真数据支持。