阮寧娟 莊緒霞 李妥妥 滿益云

（1 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）（2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100081）

(1 Beijing Institute of Space Mechanics &Electricity,Beijing 100094,China)(2 China Academy of Space Technology,Beijing 100081,China)

1 引言

空間光學(xué)遙感系統(tǒng)獲取的圖像質(zhì)量（Quality，全文同）受諸多因素的影響，只有在整個(gè)遙感成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)科學(xué)合理時(shí)，才能獲得滿足需求的圖像，使得系統(tǒng)各組成部分實(shí)現(xiàn)優(yōu)化匹配，達(dá)到獲取的圖像質(zhì)量與投入的資源相匹配的目標(biāo)。為了保證最終的圖像質(zhì)量，需要從系統(tǒng)工程的角度，開展遙感成像系統(tǒng)全鏈路仿真分析綜合研究?？臻g光學(xué)遙感全鏈路仿真技術(shù)是開展光學(xué)遙感衛(wèi)星系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)、方案論證、系統(tǒng)優(yōu)化和效能評(píng)估的基礎(chǔ)[1-2]，國際上多個(gè)遙感系統(tǒng)的研制經(jīng)驗(yàn)普遍證實(shí)[3-6]，空間光學(xué)遙感全鏈路仿真在光學(xué)遙感系統(tǒng)的研制和在軌應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。

2 空間光學(xué)遙感系統(tǒng)全鏈路環(huán)節(jié)建模

空間光學(xué)遙感系統(tǒng)是指地面景物目標(biāo)經(jīng)過反射或輻射的信息，經(jīng)大氣傳輸?shù)叫l(wèi)星平臺(tái)上的遙感器成像，光電轉(zhuǎn)換之后傳輸至地面，經(jīng)處理再現(xiàn)景物信息的全系統(tǒng)?？臻g光學(xué)遙感全鏈路仿真要針對(duì)整個(gè)遙感系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，包括場景目標(biāo)、大氣、遙感器（光學(xué)系統(tǒng)、探測器和電路）、衛(wèi)星平臺(tái)、數(shù)據(jù)傳輸以及地面處理[7-8]。

基于輻射質(zhì)量的空間光學(xué)遙感系統(tǒng)建模，重點(diǎn)通過成像鏈路的信號(hào)及噪聲鏈路和調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）鏈路進(jìn)行建模[9-13]，建立各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)成像質(zhì)量影響的高精度數(shù)學(xué)模型，如圖1所示，為成像質(zhì)量仿真分析與應(yīng)用提供物理模型。

圖1 空間光學(xué)遙感系統(tǒng)全鏈路建模Fig.1 End to end modeling of space optical remote sensing system

光學(xué)遙感成像系統(tǒng)總的MTF 可以由大氣、光學(xué)系統(tǒng)等表示，為

式中 MTFatm，MTFopt，MTFccd，MTFcir，MTFsat，MTFpro分別為大氣、光學(xué)系統(tǒng)、CCD 探測器、電路、衛(wèi)星平臺(tái)和地面圖像處理等環(huán)節(jié)MTF 對(duì)成像質(zhì)量的影響模型。

系統(tǒng)信噪比可定義為：在一定光照條件下，系統(tǒng)輸出信號(hào)電子數(shù)S和系統(tǒng)噪聲均方根電子數(shù)Nnoise的比值，即

系統(tǒng)輸出信號(hào)電子數(shù)可以通過相機(jī)輸出的目標(biāo)電子數(shù)Starget來表示，Nnoise用輸出總噪聲的電子數(shù)來表示。由于噪聲通常被認(rèn)為是疊加性的，則系統(tǒng)的總噪聲可以表示為各噪聲源平方和的平方根，即

式中 dCCD為單個(gè)像元探測器面積；h為普朗克常數(shù)；λ為λ=(λmax+λmin)/2，λmax為波段上限，λmin為波段下限；c為光速；tint為積分時(shí)間；nTDI為TDI 級(jí)數(shù)；Lrad為目標(biāo)輻亮度；EN為系統(tǒng)噪聲電子數(shù)。

3 模型驗(yàn)證

空間光學(xué)遙感全鏈路仿真是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，成像仿真需要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)建模[14]。各個(gè)環(huán)節(jié)模型的精度水平直接影響全鏈路仿真結(jié)果的真實(shí)性與可信度，在進(jìn)行全連路仿真前，需要對(duì)各環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。本文將從2個(gè)方面開展模型的驗(yàn)證：MTF 模型驗(yàn)證和信號(hào)模型驗(yàn)證。MTF 模型驗(yàn)證主要是針對(duì)遙感器中不同的模塊進(jìn)行驗(yàn)證（大氣、數(shù)據(jù)傳輸、地面圖像處理等環(huán)節(jié)主要是對(duì)比分析不同模型、不同算法優(yōu)勢，本文不再論述），最后再從系統(tǒng)層面進(jìn)行系統(tǒng)MTF 模型驗(yàn)證。影響系統(tǒng)信號(hào)的主要因素有大氣和遙感器環(huán)節(jié)，信號(hào)模型驗(yàn)證首先針對(duì)遙感器模型進(jìn)行驗(yàn)證，其次從系統(tǒng)層面進(jìn)行信號(hào)模型驗(yàn)證。仿真模型驗(yàn)證方法如圖2所示。

圖2 仿真模型驗(yàn)證方法Fig.2 Validation method of simulation model

3.1 MTF 模型驗(yàn)證

（1）光學(xué)系統(tǒng)模型

光學(xué)系統(tǒng)模型綜合考慮遮攔、像差、離焦等因素對(duì)系統(tǒng)MTF 的影響，通過商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax驗(yàn)證模型的精度。以有遮攔的光學(xué)系統(tǒng)為例，設(shè)線遮攔比為0.243，波前差為0.033 1λ，F(xiàn) 數(shù)為14，MTF仿真及設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示，不同頻率處MTF 誤差分析如表1所示。由表1 可以看出，光學(xué)系統(tǒng)模型仿真輸出與Zemax 軟件的輸出符合度較好，最大偏差在10%以內(nèi)。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)MTF 模型驗(yàn)證Fig.3 Validation of MTF model of optical system

表1 不同頻率處MTF 誤差分析Tab.1 Analysis of MTF error for different frequencies

（2）探測器模型

線陣探測器可認(rèn)為是級(jí)數(shù)為1 的延遲積分（Time Delayed Integration，TDI）探測器，面陣探測器的MTF 也可等效為TDI 探測器，因此選用TDICCD 進(jìn)行仿真可以驗(yàn)證探測器模型。選用某型號(hào)探測器進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如表2所示，探測器模型仿真MTF 如圖4所示。

表2 探測器仿真參數(shù)表Tab.2 Table of simulation parameters for the sensor

圖4 探測器模型仿真MTFFig.4 Simulation MTF for detector model

MTF 仿真結(jié)果與手冊結(jié)果比較如表3所示。

表3 仿真結(jié)果與手冊結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison results for simulation result and handbook result

由以上分析可知，探測器MTF 模型誤差小于2%，精度優(yōu)于98%。

（3）電路模型

根據(jù)電路模型，計(jì)算不同帶寬電子濾波器MTF 與實(shí)驗(yàn)室測試MTF 如表4所示，模型誤差如表5所示。

表4 電路模型仿真MTF 與實(shí)驗(yàn)室測試MTF Tab.4 MTFs of simulation and lab test

表5 電路模型誤差Tab.5 Error of circuit model

由以上分析可知，電路模型誤差小于4%，模型精度優(yōu)于96%。

（4）MTF 系統(tǒng)模型

MTF 系統(tǒng)模型精度的驗(yàn)證通過某衛(wèi)星在軌測試參數(shù)和圖像來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圖5所示原始靶標(biāo)圖像的DN 值，將計(jì)算仿真MTF 結(jié)果與在軌實(shí)測的MTF 值相比較，驗(yàn)證模型MTF 的精度。

原始靶標(biāo)圖像共布設(shè)了三線標(biāo)、刃邊標(biāo)、輻射標(biāo)和動(dòng)態(tài)范圍標(biāo)共4 種靶標(biāo)，所有靶標(biāo)都布設(shè)在黑色襯網(wǎng)上。三線陣靶標(biāo)分為航向三線標(biāo)（上）和旁向三線標(biāo)（下），分別平行和垂直于衛(wèi)星的飛行方向。航向三線靶標(biāo)由5 小塊靶標(biāo)組成，每小塊靶標(biāo)由4 條黑靶標(biāo)和3 條白靶標(biāo)相間拼接而成，小塊靶標(biāo)之間相隔2.2個(gè)像元，旁向三線靶標(biāo)與此相同，只是受空間限制，每小塊靶標(biāo)之間相隔1.2個(gè)像元。每條靶標(biāo)長23.4m，同時(shí)附上了黑白三線標(biāo)的反射率數(shù)據(jù)。

仿真得到的圖像靶標(biāo)MTF 與在軌MTF 數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。如表6所示，結(jié)果顯示MTF 誤差小于19%，全鏈路模型MTF 精度優(yōu)于80%。

圖5 原始圖像—靶標(biāo)Fig.5 Original im age—target

表6 MTF 值統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.6 Statistical results of MTF

3.2 信號(hào)模型驗(yàn)證

（1）遙感器信號(hào)模型

遙感器信號(hào)仿真模型采用某相機(jī)的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)完成驗(yàn)證工作，將實(shí)驗(yàn)室測試輻亮度值作為輸入，經(jīng)過遙感器模塊仿真輸出圖像，將該圖像的DN 值與實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表7所示。

表7 遙感器信號(hào)模型誤差Tab.7 Error of signal model for the remote sensor

由表7 可知，遙感器模型與實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)誤差小于15%，模型精度優(yōu)于85%。

（2）系統(tǒng)信號(hào)模型

系統(tǒng)信號(hào)模型的驗(yàn)證，首先利用在軌圖像的DN 值和定標(biāo)系數(shù)，計(jì)算出入瞳前目標(biāo)場景的輻亮度值，與對(duì)同一場景進(jìn)行仿真成像獲得的入瞳輻亮度圖像的輻亮度值進(jìn)行比較，由此來驗(yàn)證場景大氣仿真結(jié)果；基于HJ-1A 星的成像參數(shù)對(duì)4個(gè)譜段進(jìn)行成像仿真，將仿真結(jié)果與在軌數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，仿真數(shù)據(jù)與在軌圖像數(shù)據(jù)比較結(jié)果如表8～9所示，結(jié)果表明B1 譜段均值誤差較大，小于18%，其余誤差小于15%，因此系統(tǒng)模型精度均優(yōu)于82%。

表8 DN 值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.8 Statistical results of DN

表9 系統(tǒng)信號(hào)模型誤差Tab.9 Error of systemic signal model

4 仿真分析

空間光學(xué)遙感系統(tǒng)全鏈路仿真在遙感衛(wèi)星全周期各階段都能夠發(fā)揮重要作用。比如在系統(tǒng)論證與設(shè)計(jì)階段，可以通過仿真分析指導(dǎo)系統(tǒng)指標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)通過仿真為圖像處理算法改進(jìn)、有效性驗(yàn)證等提供數(shù)據(jù)源；在在軌運(yùn)行階段，仿真分析在軌衛(wèi)星存在問題的根源，為指標(biāo)修改、產(chǎn)品升級(jí)換代提供支撐；還可以通過仿真預(yù)估，為在軌成像參數(shù)的調(diào)整提供參考。本文就系統(tǒng)在軌成像參數(shù)調(diào)整為例，對(duì)遙感器的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行在軌仿真設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)范圍直接影響圖像的灰度層次，并最終影響到圖像的輻射質(zhì)量[15]。以采用線陣CCD 器件的對(duì)地觀測系統(tǒng)為例，在軌可調(diào)整的參數(shù)只有增益，增益設(shè)置過高，會(huì)導(dǎo)致圖像高端容易飽和，出現(xiàn)高端信息丟失的情況；增益設(shè)置過低，會(huì)出現(xiàn)圖像全部壓縮在低端，灰度層次不豐富的情況，因此需要對(duì)在軌增益值進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

首先為保證獲取的在軌圖像質(zhì)量統(tǒng)計(jì)入瞳輻亮度，以譜段為0.63～0.69μm為例，如表10所示，根據(jù)某衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到中國4個(gè)不同區(qū)域四季的平均入瞳輻亮度值。

表10 根據(jù)在軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的平均入瞳輻亮度Tab.10 Average radiance at aperture based on in-orbit data （W·m–2·sr–1·μm–1）

為保證在軌得到圖像的動(dòng)態(tài)范圍較大，圖像整體不會(huì)偏暗，將增益后的灰度平均DN 值達(dá)到飽和值的45%作為約束條件，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的入瞳輻亮度進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，得到不同區(qū)域、不同季節(jié)在軌增益調(diào)整值（增益分4 檔，增益值與檔數(shù)的關(guān)系為1.68×1.2n，n=1,2,3,4），如表11所示，設(shè)計(jì)結(jié)果可以為在軌增益調(diào)整提供參考。

表11 仿真設(shè)計(jì)的增益值Tab.11 Gain set by simulation design

5 結(jié)束語

空間光學(xué)遙感系統(tǒng)全鏈路仿真是遙感器設(shè)計(jì)、研制、應(yīng)用過程中的一個(gè)重要輔助手段。本文在全鏈路各個(gè)環(huán)節(jié)建模的基礎(chǔ)上，開展各個(gè)環(huán)節(jié)和系統(tǒng)模型精度驗(yàn)證，模型驗(yàn)證結(jié)合了商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件、實(shí)驗(yàn)室測試數(shù)據(jù)、器件手冊、在軌測試數(shù)據(jù)等，并利用驗(yàn)證后的模型進(jìn)行仿真分析，開展了系統(tǒng)在軌動(dòng)態(tài)范圍的仿真設(shè)計(jì)。驗(yàn)證結(jié)果表明，所建模型精度較高，系統(tǒng)MTF 模型精度達(dá)到80%，信號(hào)模型精度達(dá)到82%以上，從而保證仿真結(jié)果和仿真分析結(jié)論具有較高的可信度。后續(xù)將進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行修正與完善，提升模型精度，并促進(jìn)仿真分析在遙感器全生命周期中的應(yīng)用。

References)

[1]孫偉建,林軍,阮寧娟,等.國外光學(xué)遙感成像系統(tǒng)仿真軟件發(fā)展綜述與思考[J].航天返回與遙感,2010,31(3):70-75.SUN Weijian,LIN Jun,RUAN Ningjuan,et al.Summarization and Consideration of Oversea’s Simulation Software Development for Optical Remote Sensing System[J].Spacecraft Recovery &Remote Sensing,2010,31(3):70-75.(in Chinese)

[2]Brian K McComas.Toolkit for Remote-sensing Analysis,Design,Evaluation and Simulation[J].SPIE,2004,5420:75-84.

[3]John R Schott,Aaron D Gerace,Scott D Brown,et al.Modeling the Imaging Performance of the Landsat Data Continuity Mission Sensors[J].SPIE,2011,8153:81530F-1-81530F-1.

[4]Anko BSrner,Lorenz Wiest,Keller Peter,et al.SENSOR:A Tool for the Simulation of Hyperspectral Remote Sensing Systems[J].ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,2001,(55):299-312.

[5]Gregory G G,Freniere E R.End-to-end Electro-Optical Modeling Software[J].SPIE,1999,3780：23-32.

[6]Gerace A,Gartley M,Raqueno N,et al.Data-driven Simulations of the Landsat Data Continuity Mission (LDCM) Platform[J].SPIE,2011,8048:804815-1-804815-13.

[7]陳世平,楊秉新,王懷義,等.空間相機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[M].北京:宇航出版社,2003.CHEN Shiping.YANG Bingxin,WANG Huaiyi,et al.Space Camera Design and Experiments[M].Beijing:Astronautics Press,2003.(in Chinese)

[8]Fiete R D.Image Chain Analysis for Space Imaging Systems[J].Journal of Imaging Science and Tecnology,2007,51(2):103-109.

[9]劉兆軍,周峰,滿益云,等.光學(xué)遙感器像質(zhì)預(yù)估與評(píng)價(jià)技術(shù)研究[J].紅外與激光工程,2006,35(增刊):222-226.LIU Zhaojun,ZHOU Feng,MAN Yiyun,et al.Prediction and Evaluation Technology of Optical Sensor’s Image Quality[J].Infrared and Laser Engineering,2006,35(Supplement):222-226.(in Chinese)

[10]Fiete R D.Image Quality and λFN/p for Remote Sensing Systems[J].Opt.Eng,1999(38):1229-1240 .

[11]Fiete R D,Tantalo T A.Comparison of SNR Image Quality Metrics for Remote Sensing Systems[J].Opt.Eng,2001(40):574-585.

[12]Feltz J C,Karim M A.Modulation Transfer Function of Charge-Coupled Devices[J].Applied Optics,1990,29(5):717-722 .

[13]Schowengerdt R A.Remote Sensing:Models and Methods for Image Processing[M].Academic press,2006.

[14]劉兆軍,周峰,阮寧娟,等.一種光學(xué)遙感成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)新方法研究[J].航天返回與遙感,2011,32(2):34-41.LIU Zhaojun,ZHOU Feng,RUAN Ningjuan,et al.Study on Trade-offs Design Method for Space Optical Remote Sensing Imaging System[J].Spacecraft Recovery &Remote Sensing,2011,32(2):34-41.(in Chinese)

[15]何紅艷,王小勇,付興科.遙感衛(wèi)星CCD 相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)考慮[J].航天返回與遙感,2008,29(1):39-42.HE Hongyan,WANG Xiaoyong,FU Xingke.Study on Designing of Dynamic Range of Remote sensing Satellite’s CCD Camera[J].Spacecraft Recovery &Remote Sensing,2008,29(1):39-42.(in Chinese)