郭彪，劉雅

1.河北水利電力學院 電氣自動化系，河北 滄州 061001：2.河北省高校水利自動化與信息化應用技術(shù)研發(fā)中心，河北 滄州 061001

0 引言

在航空航天技術(shù)飛速發(fā)展的背景之下，空間在國家戰(zhàn)略利益中的影響力變得越來越強，其已經(jīng)深入影響到了我國軍事、經(jīng)濟、政治等諸多領(lǐng)域當中，并在其中占據(jù)著重要地位，發(fā)揮著不容忽視的影響力[1]。特別是在近些年復雜多變的世界發(fā)展形勢之下，空間目標監(jiān)視系統(tǒng)是對空間進行控制的核心手段，也是我國在空間領(lǐng)域?qū)嵙μ嵘淖詈靡娮C。目前，在天基空間監(jiān)視系統(tǒng)課題研究當中，關(guān)于獲取圖像方面最常采用的一種方法便是利用數(shù)字圖像生成的方法獲取仿真圖像。

1 關(guān)于天基空間目標監(jiān)視系統(tǒng)以及相關(guān)研究工作的分析

天基空間目標監(jiān)視系統(tǒng)，其主要是借助光學系統(tǒng)來接收空間目標反射的太陽光線來探測、識別、捕獲和跟蹤空間牧寶。同樣作為監(jiān)視手段，天基空間目標監(jiān)視系統(tǒng)要比光電系統(tǒng)或者地基雷達系統(tǒng)更具優(yōu)勢，諸如天氣變化、境外設(shè)站、可見光范圍等因素都不會對天基空間目標監(jiān)視系統(tǒng)產(chǎn)生影響[2]。

雖然近些年我國一直都在不斷加強對天基空間目標監(jiān)視研究工作的力度，也在很多方面取得了一定的成績和結(jié)果。但是，研究識別探測、定軌預報方法，論證荷載總體參數(shù)、分析可見光相機可行性以及選取參數(shù)等方面，要想獲得更加精準的結(jié)果，都需要有圖像數(shù)據(jù)的支撐。獲取原始圖像數(shù)據(jù)雖不現(xiàn)實，但借助天基空間監(jiān)視系統(tǒng)成像鏈路進行仿真，獲取仿真圖像卻是可行之路，也是目前解決問題的最好方式。

2 關(guān)于光線追跡的簡要介紹

何為光線追跡，其是當前幾何光學中應用比較頻繁的一類通用型技術(shù)。光線追跡是通過對和光學表面發(fā)生交互作用的光線進行追蹤而獲得的光線通過路徑模型。光線追跡在光學系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域有著非常廣泛的應用，諸如大眾比較熟知的設(shè)備：顯微鏡、照相機鏡頭、雙目鏡、望遠鏡等等[3]。除此之外，光線追跡也用于表示三維計算機圖形學中的特殊渲染算法，其跟蹤的不是從光源發(fā)出來的光線，而是從眼睛里面發(fā)出的光線。關(guān)于光線追跡的優(yōu)缺點，其具體體現(xiàn)為。

2.1 光線追跡的優(yōu)點

光線追跡擁有著更強的光線模擬性。光線追跡和光線投射、掃描線渲染等其它渲染方式相比，對光線模擬的現(xiàn)實程度要更高一些。諸如，像光線投射、掃描線渲染這些方式是很難實現(xiàn)陰影或者反射這類效果的，但是光線追跡卻可以輕松實現(xiàn)。還有，光線追跡的視覺效果是非常理想的，因此，在圖形編程當中通常會作為首次嘗試。

2.2 光線追跡的缺點

從目前的光線追跡的實際應用情況來看，比較大的一個缺點在于它的性能。光線追跡和掃描線算法的計算方式不同，其采取的是獨立計算的方式，把每一條光線都看作是獨立的光線，所以每一次都需要重新進行計算，而掃描線算法則是基于數(shù)據(jù)的一致性而進行共享計算。但光線追跡這一獨立計算也有著自己的優(yōu)勢，比如其能使用更多光線來抵抗混疊現(xiàn)象的發(fā)生，而且其隨時可以根據(jù)需要來提高圖像的質(zhì)量。

光學載荷的成像仿真主要就是對成像的鏈路進行仿真，整個成像鏈路的模.型構(gòu)建已經(jīng)完成，所以本章主要是在前面的幾個建模結(jié)果的基礎(chǔ).上利用光線追跡方法實現(xiàn)成像仿真，得到仿真圖片。主要包括三種成像仿真的方法:理想光學成像仿真、光線追跡的成像仿真、基于傳遞函數(shù)的成像仿真，下面對這幾種成像方法進行介紹[4]。

3 理想光學系統(tǒng)成像仿真

在理想成像仿真的過程中不涉及光學系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)，將光學系統(tǒng)看成理想光學系統(tǒng)，只是利用光學系統(tǒng)的焦距，進行一-些簡單的坐標變換，即可以實現(xiàn)理想光學系統(tǒng)的成像仿真。理想成像仿真通過以下幾個步驟實現(xiàn)：（1）目標網(wǎng)格化以后可以選取三角面元的頂點作為目標表面的光線起點；（2）通過該起點與相機位置的連線確定光線方向；（3）確定由目標反射的光線在成像焦平面上的位置信息以及強度信息。

在目標光學特性計算中目標的位置等特征信息均在衛(wèi)星本體坐標系中，在理想光學成像中需要實現(xiàn)衛(wèi)星本體坐標系到相機本體坐標系、相機本體坐標系到焦平面坐標系之間的轉(zhuǎn)換。坐標系之間的相互變換簡單的說就是坐標系的旋轉(zhuǎn)和平移，經(jīng)常用到三個旋轉(zhuǎn)矩陣R1（θ）、R2（θ）、R3（θ），分別表示yz平面、zx平面和xy平面和xy平面分別繞x軸、y軸和z軸順時針旋轉(zhuǎn)θ角。

3.1 衛(wèi)星本體坐標系到相機本體坐標系

圖1 相機相對于衛(wèi)星的安放位置

3.2 相機本體坐標系到焦平面坐標系

在成像仿真中相機本體坐標系到焦平面坐標。這是一個由三維坐標到二維坐標的投影變換，變換關(guān)系如下圖所示：

圖2 目標在焦平面上投影示意圖

經(jīng)過以上兩步坐標變換既可以實現(xiàn)理想光學系統(tǒng)的成像仿真。

4 光線追跡的成像仿真

光線追跡的成像仿真的主要原理是綜合運用光學系統(tǒng)建模、目標光學特性的計算結(jié)果，利用光學特性計算所返回的目標反射光線作為追跡光線，通過運用光線追跡公式對光學系統(tǒng)的每一個光學鏡頭表面進行光線追跡，直至追跡到成像焦平面上，進行產(chǎn)生仿真圖像。這個過程中也涉及到了坐標系之間的變換[5]。具體流程圖如下所示：

圖3 光線追跡成像仿真流程圖

5 成像仿真輻射解算

在空間目標表面達到能量平衡時，自發(fā)輻射能量與入射輻照度反射能量之和等于出射輻射能量。

可以得到任一像元接受輻射值，成像仿真完成。

6 結(jié)語

綜上所述，近些年我國一直都在全力發(fā)展天基空間監(jiān)視研究工作，不斷創(chuàng)新和優(yōu)化技術(shù)手段，積極嘗試和應用更具先進性的空間設(shè)備。實踐證明在歷經(jīng)多年發(fā)展之后，我國的仿真技術(shù)水平與之前相比已經(jīng)得到了很大的提升，但與世界發(fā)達國家相比還是存在著一定的差距，我國的成像仿真方法研究依然有著非常大的上升空間。相信伴隨著基于光線追跡的空間目標成像仿真方法的不斷成熟與完善，我國的天基空間監(jiān)視成果將會獲得更大進步，在空間探測領(lǐng)域也將展示出更強大的影響力。