高凌雁 朱明月 阮寧娟 金海男 王有福 王慧亮

面向陸表目標的光學遙感成像仿真系統(tǒng)研究

高凌雁1,2朱明月3阮寧娟1,2金海男4王有福5王慧亮6

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）（3 錢學森空間技術(shù)實驗室，北京 100094）（4 國能（北京）商務網(wǎng)絡有限公司，北京 100161）（5 華能青海發(fā)電有限公司新能源分公司，西寧 810000）（6 國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，大同 037000）

基于光學遙感系統(tǒng)現(xiàn)有設計和約束條件，在滿足項目成本、研制進度和過程風險等因素的情況下，如何優(yōu)化圖像品質(zhì)，提升系統(tǒng)成像效能，是遙感設計研發(fā)人員需要考慮的重要方面。為了更好的支撐遙感系統(tǒng)研制的設計優(yōu)化和決策，有必要開展鏈路成像模擬與像質(zhì)性能預估。面向陸表場景和地物目標，文章基于遙感成像物理過程機理，對成像重要環(huán)節(jié)構(gòu)建精細化的數(shù)學模型，并結(jié)合成像系統(tǒng)工程測試數(shù)據(jù)，迭代訓練優(yōu)化系統(tǒng)模型。經(jīng)驗證，系統(tǒng)仿真置信度優(yōu)于0.83，可以實現(xiàn)光學遙感載荷的高真實度的成像模擬；并根據(jù)模型采用分層架構(gòu)設計，開發(fā)了成像仿真軟件，實現(xiàn)對陸表場景進行多波段、多種成像參數(shù)、多種分辨率和幅寬的光學成像仿真和結(jié)果可視化功能；并在載荷研制論證中開展應用，有效支撐遙感系統(tǒng)設計分析，提升總體效能。

光學成像仿真 精細化建模 模型優(yōu)化 精度驗證 軟件開發(fā) 航天遙感

0 引言

在遙感器方案論證階段或研制生產(chǎn)前期，通過成像仿真與性能評估，可以為系統(tǒng)方案調(diào)整、設計優(yōu)化和生產(chǎn)措施改進提供支撐，避免在設計和科研生產(chǎn)上走彎路，把相關(guān)風險控制在設計階段前期，提高整個系統(tǒng)設計研制的效費比。此外，高真實度和高精度的仿真結(jié)果與評估數(shù)據(jù)也可為后端的遙感應用提供科學研究和論證的數(shù)據(jù)資源，發(fā)揮更多的價值[1]。

自20世紀末始，國外機構(gòu)在光學遙感成像仿真模型研究和平臺開發(fā)上多方著力，形成很多卓有成效的研究成果，并在多個發(fā)達國家軍方和國家應用部門的系統(tǒng)論證、研制和在軌服務中開展了有效應用[2-7]。然而，目前應用在我國相關(guān)領(lǐng)域的工具還很有限，有一些只是不完整的基礎功能模塊，制約了我國遙感科學研究和產(chǎn)品研制方面的發(fā)展。國內(nèi)近年來也在該領(lǐng)域開展了諸多研究和開發(fā)工作，然而在整個成像鏈路的建模和開發(fā)中，傳感器模塊較為簡化，而成像系統(tǒng)涉及物理要素眾多，耦合關(guān)系復雜，交互影響，在軌成像效應無法全面通過仿真真實準確地反映，降低了成像模擬的整體效能。

本文基于光學遙感成像機理，結(jié)合遙感系統(tǒng)研制生產(chǎn)實際和特性測試真實情況，從系統(tǒng)工程論角度，著重精細化的開展光學成像系統(tǒng)的建模與算法研究，設計開發(fā)了成像仿真軟件平臺，旨在為實現(xiàn)我國成像仿真技術(shù)自主可控提供一定的知識研究基礎，并可靈活對接上游場景與大氣三維建模平臺和下游數(shù)據(jù)應用平臺，整體提升成像仿真鏈路的體系效能。

1 光學遙感成像鏈路

光學遙感成像鏈路主要包括輻射源（太陽）、場景（含探測目標和地形背景）、大氣、遙感成像系統(tǒng)和后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸處理[8]。傳輸過程為：一定光照條件下，攜帶場景信息的輻射能量經(jīng)過大氣輻射傳輸路徑進入光學遙感成像系統(tǒng)，通過能量采集傳輸、光電轉(zhuǎn)換、電荷轉(zhuǎn)換、電子學增益放大和濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換以及傳輸?shù)冗^程，呈現(xiàn)含有觀測目標和場景信息的圖像。

為了實現(xiàn)光學成像高精度仿真，重點研究了光學遙感系統(tǒng)的鏈路成像過程，分析成像系統(tǒng)各個組成單元在成像過程中的有效信號采樣、轉(zhuǎn)換及傳輸機理，各種物理效應機理和系統(tǒng)的噪聲產(chǎn)生機理，同時考慮大氣傳輸、平臺振動等因素對成像退化的影響。影響最終成像結(jié)果的環(huán)節(jié)和要素眾多，存在諸多耦合交互，復雜性強。通過梳理物理要素與成像性能之間的影響關(guān)系，結(jié)合遙感成像系統(tǒng)的研制經(jīng)驗和工程實際，建立了遙感成像系統(tǒng)的仿真精細化模型。成像模擬實現(xiàn)過程如圖1所示：首先，通過幾何、紋理和光譜等特性對關(guān)注目標的典型場景進行場景模型構(gòu)建；然后，利用成熟的大氣輻射傳輸模型對響應的大氣輸入條件完成場景與大氣的集成建模，得到遙感器入瞳前的輻射能量信息（即入瞳輻亮度）；接著，構(gòu)建精細化的遙感成像系統(tǒng)模型，包含信號、噪聲和MTF三大鏈路；最后，通過前面的模型模擬得到場景的仿真圖像結(jié)果，并可以進行可視化顯示，具備圖像縮放/拖拽功能、灰度信息查看功能和灰度直方圖顯示功能。

圖1 光學遙感器成像仿真過程

2 精細化建模與平臺開發(fā)

2.1 場景大氣集成建模

通過運用三維場景建模工具對陸表典型地面背景和地物目標進行幾何、光譜和紋理特性的建模[9-10]，完成場景建模（過程不贅述）。本文將生成賦有材質(zhì)屬性的場景數(shù)據(jù)作為集成建模的輸入數(shù)據(jù)。利用成熟的大氣輻射傳輸模型[11-12]，通過最小二乘擬合，計算得到不同光照和觀測角度下的輻亮度數(shù)據(jù)與反射率信息的參數(shù)查找表，針對大陸中緯度帶常規(guī)氣候條件，結(jié)合陸表典型目標的反射率，進行反射率反演，生成反射率矩陣，然后根據(jù)輸入的成像幾何條件，調(diào)用輻亮度計算參數(shù)查找表，結(jié)合場景反射率數(shù)據(jù)進行大氣輻射傳輸計算[13]，生成集成場景、大氣等特性的輻射能量數(shù)據(jù)，作為鏈路后端單元（遙感成像系統(tǒng)）的入瞳信息數(shù)據(jù)源。

2.2 成像系統(tǒng)建模

成像系統(tǒng)的建模主要完成入瞳輻射信息經(jīng)過成像系統(tǒng)的透過、聚焦、采樣、光電轉(zhuǎn)換、放大濾波和量化等作用后輸出圖像數(shù)據(jù)的過程。

灰度水平DN、信噪比SNR和調(diào)制傳遞函數(shù)MTF是評價遙感成像系統(tǒng)的重要成像性能指標[14]，基于成像性能開展信號、噪聲和MTF三大鏈路的成像精細化建模和訓練優(yōu)化。

入瞳輻亮度經(jīng)過光學系統(tǒng)，在探測器焦面得到的信號電子數(shù)target為

式中為普朗克常數(shù)，=6.63×10–34J·s；為光速，=3×108m/s；為光學系統(tǒng)相對孔徑的倒數(shù)；為光學系統(tǒng)雜光系數(shù)；為光學系統(tǒng)線遮攔比；opt為光學系統(tǒng)透過率；max和min為光譜響應范圍的上限和下限，為波段的中心波長；det為探測器面積，對方形探元，等于探測器像元尺寸的平方；int為成像系統(tǒng)的積分時間，對普通CCD探測器等于曝光時間，對TDICCD探測器等于曝光時間×TDI級數(shù)[15]；QE()為光譜響應率，即波長為的每個入射光子平均產(chǎn)生的光電子數(shù)，也稱探測器量子效率；target即為攜帶目標信息的入瞳輻亮度。

信號電子數(shù)值的上限為探測器的飽和電子數(shù)，當電子傳遞到探測器敏感結(jié)電容時，便產(chǎn)生電壓，經(jīng)過源跟隨放大器輸出電壓信號，假設器件飽和電子數(shù)為sat，那么有

式中SIGNAL為信號電壓；out為信號電子數(shù)；CCE為電荷轉(zhuǎn)換效率；單位一般為μV/e-。

經(jīng)過電子學增益調(diào)整和模數(shù)轉(zhuǎn)換（量化位數(shù)為）后的輸出信號為

式中SAT為滿量程飽和輸出電壓；DNout為模數(shù)轉(zhuǎn)換后的量化輸出值。

經(jīng)過遙感器相關(guān)雙采樣后的系統(tǒng)噪聲SYS[16]為

式中n（=1, 2, 3, 4, 5）分別為1散粒噪聲、2模式噪聲、3探測器讀出底噪聲、4電路放大器噪聲和5量化噪聲。

成像鏈路中大氣、光學成像系統(tǒng)以及衛(wèi)星平臺都會對成像產(chǎn)生退化效應，系統(tǒng)的MTF可表達為各個環(huán)節(jié)的MTF乘積

式中 MTF（=1, 2, 3, 4, 5）為大氣、光學系統(tǒng)、探測器、電子學系統(tǒng)和衛(wèi)星平臺5個環(huán)節(jié)在頻域的MTF退化模型。

2.3 仿真軟件設計開發(fā)

基于成像仿真模型和算法，在Windows7/10環(huán)境下，采用分層軟件架構(gòu)開展成像仿真軟件開發(fā)，實現(xiàn)光學遙感系統(tǒng)成像模擬，并綜合考慮持續(xù)發(fā)展與應用拓展，建立可擴展的數(shù)據(jù)庫管理模式和接口設計，系統(tǒng)整體的基本框架設計如圖2所示。

軟件主要具備五大功能：1）參數(shù)手動輸入/配置文件導入/存儲輸出；2）源數(shù)據(jù)調(diào)用；3）不同分辨率和幅寬、多種可見波段、多類型成像系統(tǒng)的子環(huán)節(jié)效應和全功能的成像仿真；4）仿真結(jié)果按照設置好的存儲路徑進行保存；5）成像仿真結(jié)果可視化顯示與灰度/直方圖等信息對比查看。軟件設計效果見圖3所示。

圖2 成像仿真軟件數(shù)據(jù)流與綜合框架

圖3 成像仿真軟件設計界面與仿真結(jié)果可視化顯示

3 模型驗證與分析

為了建立高置信度仿真模型，利用遙感載荷工程研制中的真實測試數(shù)據(jù)進行模型訓練，迭代修訂模型和參數(shù)，不斷優(yōu)化模型算法。最后選用某商遙高分相機的工程數(shù)據(jù)對最終模型開展子單元級和系統(tǒng)級的驗證，采用灰度DN值、信噪比、MTF指標進行計算對比，分析模型仿真精度。

3.1 成像模型的地面數(shù)據(jù)驗證

采用相機地面輻射定標測試和MTF測試數(shù)據(jù)進行單元級模型驗證，流程如圖4所示。

圖4 地面工程數(shù)據(jù)驗模流程

（1）信號噪聲模型的地面驗證

選取某商遙載荷全色譜段（500～800nm）的TDI級數(shù)12級和不同增益參數(shù)下的定標測試數(shù)據(jù)開展信號與噪聲模型的精度驗證，驗證對比結(jié)果見表1和表2。

并對不同增益的響應變化作曲線進行對比，見圖5所示。由圖5可看出，相機增益為0dB時，由于該載荷探測器件響應限制，器件達到飽和狀態(tài)后，電路未進行放大作用的情況下（0dB），輸出灰度約為670DN，此時即使增加輸入亮度，輸出值也不再增加；后續(xù)在電子學系統(tǒng)中增加增益調(diào)控至6dB后，系統(tǒng)飽和輸出響應才達到10bit量化的滿量程值。這與該載荷在軌實際成像特點吻合，驗證了信號響應模型的有效性。

表1 成像系統(tǒng)信號鏈路定標測試結(jié)果與模型仿真結(jié)果

表2 高端亮度系統(tǒng)SNR-地面定標結(jié)果與模型仿真結(jié)果對比和誤差

圖5 可見光全色波段（0.5～0.8μm）不同增益下的定標結(jié)果與仿真結(jié)果

對成像系統(tǒng)進行信號和噪聲模型驗證的結(jié)果表明，信號與噪聲的精細化成像模型可以模擬真實成像過程的具體效應，包括探測器器件飽和、系統(tǒng)飽和、線性變化以及噪聲等。其中，信號模擬誤差不大于4.55%，信噪比誤差不大于7.28%。

（2）MTF模型的地面驗證

根據(jù)遙感系統(tǒng)中的光學鏡頭設計分析MTF數(shù)據(jù)、探測器件的測試MTF數(shù)據(jù)和系統(tǒng)測試MTF數(shù)據(jù)，進行子單元級和系統(tǒng)級MTF模型精度驗證。以全色譜段為例，計算對比結(jié)果見表3所示。

表3 PAN（0.5～0.8μm）譜段MTF設計（測試）結(jié)果與仿真結(jié)果對比

對成像系統(tǒng)進行MTF模型驗證的結(jié)果表明，成像系統(tǒng)MTF精細化模型可以模擬真實成像過程的各子環(huán)節(jié)的成像退化效應，精度驗證結(jié)果中：光學系統(tǒng)MTF模型精度優(yōu)于92%，探測器精度優(yōu)于94%，相機系統(tǒng)的MTF模型精度可優(yōu)于95%。

3.2 成像模型的在軌數(shù)據(jù)驗證

采用該商遙相機在軌運行時對靶標地區(qū)場景成像的分辨率為1m的全色PAN波段工程測試數(shù)據(jù)，開展系統(tǒng)成像模型的精度驗證，流程見圖6所示。

圖6 在軌工程數(shù)據(jù)驗模流程

場景包含草地、土壤、水泥道路、樹木、可測算靶標等典型目標，通過對真實成像時的大氣條件和相機成像參數(shù)進行成像模擬，得到仿真結(jié)果見圖7所示，并計算灰度值、信噪比和靶標的MTF性能指標，與在軌工作測試數(shù)據(jù)進行對比，分析模型模擬精度和置信度。

圖7 含靶標目標的陸表場景——全色（0.5～0.8μm）通道光學成像模擬結(jié)果

對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行指標結(jié)果計算，其中：DN值和SNR值通過對均勻區(qū)域求均值和均方差計算得到，MTF通過刃邊法[17-18]計算得到。計算分析結(jié)果見表4。

表4 成像載荷在軌測試結(jié)果與仿真模擬結(jié)果

采用仿真系統(tǒng)與真實成像系統(tǒng)（即被仿真系統(tǒng)）的相似度表征仿真系統(tǒng)的置信度，兩者之間的相似指標、數(shù)量以及對系統(tǒng)影響的權(quán)重因子將產(chǎn)生綜合影響[19-20]。設為仿真系統(tǒng)，為被仿真的真實系統(tǒng)，、之間存在個相似元，設每個相似元的值為q，影響權(quán)重為ω，則系統(tǒng)相似度為

式中y和y分別為系統(tǒng)實際輸出結(jié)果和仿真結(jié)果。

令灰度DN值、SNR和MTF作為評價相似元，通過構(gòu)造兩兩判斷矩陣[19-20]的方法計算得到權(quán)重系數(shù)，根據(jù)在軌成像驗證的三個指標參數(shù)的仿真精度和權(quán)重值，計算得到系統(tǒng)模型的仿真置信度為

在軌系統(tǒng)級模型驗證的結(jié)果表明：系統(tǒng)仿真置信度可優(yōu)于0.83。

4 結(jié)束語

本文基于光學遙感鏈路成像機理，概述了遙感成像載荷的精細化建模過程與成像仿真軟件開發(fā)總體設計，并結(jié)合遙感載荷單元級和系統(tǒng)級的工程測試數(shù)據(jù)，開展模型算法訓練優(yōu)化以及精度驗證。仿真驗證結(jié)果顯示：成像仿真模型能夠模擬真實成像過程的線性響應、飽和、像質(zhì)MTF退化等各種具體效應，且系統(tǒng)信號模型精度可優(yōu)于90%，信號與噪聲模型考核信噪比性能精度優(yōu)于92%，MTF模型精度優(yōu)于72%，系統(tǒng)置信度可優(yōu)于0.83，能夠完成高真實感、較高置信度的成像模擬。成像建模仿真研究應用需要不斷緊跟遙感發(fā)展趨勢，持續(xù)更新，后續(xù)不僅會繼續(xù)更新優(yōu)化模型和算法，增加仿真圖像多種指標計算評價單元，并將拓展和深化兩方面的研究：1）高光譜波段的成像建模研究；2）與后端數(shù)據(jù)應用處理的結(jié)合，進一步優(yōu)化模型，逐步完善多類型的光學遙感系統(tǒng)仿真研究與應用。

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Terrestrial Objective-oriented Optic Remote Sense Imaging Simulation Research

GAO Lingyan1,2ZHU Mingyue3RUAN Ningjuan1,2JIN Hainan4WANG Youfu5WANG Huiliang6

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Key Laboratory for Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）（3 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, Beijing 100094, China）（4 Guoneng（Beijing）Business Network Co., Ltd., Beijng 100161, China）（5 Huaneng Qinghai Power Generation Co., Ltd., New Energy Branch, Xi'ning 810000, China）（6 State Gird Jibei Electric Power Co., Ltd., Maintenance Branch, Datong 037000, China）

Under the satisfying of project cost, schedule and process risk, remote sensor system designers and developers need mainly considering how to optimize image quality and promote system effectiveness within the existing design and constraints. Imaging simulation and the prediction of image quality can contribute to the design optimization and decision of system development. Based on the research of optical remote sensing mechanism, in this paper, the terrestrial objective-oriented fine-grained mathematic models of the vital steps in the imaging chain are built and trained combined with mass sensors’ engineering test data. System simulation dependability is better than 0.83 through the models verifying, which prove the imaging system model can realize the imaging simulation with high quality. Imaging simulation software was developed with layered architectural approach according the model, which has a variety imaging simulation function for many spectrums, different resolutions and widths, and results visual display. The research and software can be applied in the development and reasoning of remote sensor, and support the remote sensing design and analysis effectively, in addition improve overall effectiveness.

optic imaging simulation; fine modeling; model optimization; precision verify; software develop; space remote sensing

V445

A

1009-8518(2021)06-0064-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.06.007

2021-08-28

民用航天十三五預研項目（D040401）

高凌雁, 朱明月, 阮寧娟, 等. 面向陸表目標的光學遙感成像仿真系統(tǒng)研究[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(6): 64-73.

GAO Lingyan, ZHU Mingyue, RUAN Ningjuan, et al. Terrestrial Objective-oriented Optic Remote Sense Imaging Simulation Research[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(6): 64-73. (in Chinese)

高凌雁，女，1987年生，2011年獲哈爾濱工業(yè)大學儀器科學與技術(shù)專業(yè)碩士學位，高級工程師。主要研究方向為光學遙感成像建模與仿真、系統(tǒng)像質(zhì)論證與圖像數(shù)據(jù)預處理。E-mail：gaolingyan20080910@126.com。

（編輯：龐冰）