一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法及系统

技术领域

本发明涉及空间目标图像仿真技术领域，具体涉及一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法及系统。

背景技术

由于空间目标实测图像数据获取难度大、数据量严重不足，在航天器光学载荷图像处理算法的地面测试验证中仍面临缺少数据源的问题。空间目标图像仿真技术是快速获取大量空间目标图像数据的重要手段。目前，主流的空间目标仿真方法大多仅基于渲染引擎以三维目标模型为输入实现图像仿真，而复杂太空背景环境对于实际在轨工作探测器获得的图像会产生较大影响，进而影响对于光学载荷图像处理算法的测试、评价及应用。

申请公布号为CN116933567A，发明名称为“一种天基复杂多场景空间目标仿真数据集构建方法”的专利，提出了依靠筛选导航星库完成恒星背景成像模拟的方法并考虑了对模拟图像叠加高斯噪声，热噪声及背景杂散光，是一种新的突破，但该专利只说明了可以选择线性和高斯两种分布方式的杂散光模拟方式，未对杂散光分布来源做区分，也未考虑地球背景图模拟。

发明内容

为了解决现有空间目标仿真图像背景信息不全的问题，并提升当前面向在轨应用的空间目标仿真图像的真实性，本发明提供了一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法及系统。为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法，是按以下步骤进行的：

步骤1、利用光线跟踪获得空间目标自身在图像上的辐射能量分布；

步骤2、利用星表计算恒星背景能量分布；

步骤3、利用投影坐标变换、杂散光经验公式和贴图映射得到地球、月球和太阳背景图；

步骤4、将步骤1、步骤2、步骤3生成结果依照前后景分布顺序进行叠加获得预生成图像，并根据相机参数对预生成图像叠加传函和噪声，量化生成复杂太空背景环境下的空间目标仿真图像。

进一步地，步骤1中所述利用光线跟踪获得空间目标自身在图像上的辐射能量分布，具体实现过程包括：光线初始化，光线与面元的遮挡判断，光线散射能量计算。

进一步地，步骤2中所述利用星表计算恒星背景能量分布，具体处理过程包括：恒星星等筛选，由惯性系到相机系的投影变换，由星等到辐射量的转换。

进一步地，步骤3中所述利用投影坐标变换、杂散光经验公式和贴图映射得到地球、月球和太阳背景图，具体包括以下步骤：

步骤3-1、利用J2000惯性系下地球、月球和太阳位置，通过投影坐标变换获得各自球心在像平面下的像素位置坐标和圆投影半径长度；

步骤3-2、根据月球杂散光分布经验公式获得月球在像平面上的杂散光分布；

步骤3-3、根据太阳杂散光分布经验公式获得太阳在像平面上的杂散光分布；

步骤3-4、根据地球杂散光分布经验公式获得地球在像平面上的杂散光分布；

步骤3-5、通过计算像平面反向传播光线与地球球面相交点，将地球纹理和大气贴图映射到地球圆投影域内；

步骤3-6、将步骤3-2、步骤3-3、步骤3-4、步骤3-5的结果结合得到包含地球、月球和太阳的背景图。

进一步地，步骤3-2中，所述月球杂散光分布经验公式如下式：

其中，

进一步地，步骤3-3中，所述太阳杂散光分布经验公式如下式：

其中，

进一步地，步骤3-4中，所述地球杂散光分布经验公式如下式：

其中，

进一步地，步骤3-5中，所述通过计算像平面反向传播光线与地球球面相交点，将地球纹理和大气贴图映射到地球圆投影域内，具体为：

当

其中，CloudGray表示大气贴图灰度值，LandGray表示地理贴图灰度值。

进一步地，步骤4中所述相机参数包括探测器积分时间、光学系统传递函数、探测器暗电流和读出噪声。

本发明还提供了一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真系统，应用上述复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法。

与现有技术相比，本发明的改进主要在于以下几点：

(1)在空间目标图像仿真过程中引入了投影坐标变换、地球、月球和太阳多种杂散光分布经验公式，能够快速获取地球、月球和太阳在像平面上的杂散光分布；

(2)本发明通过计算像平面反向传播光线与地球球面相交点，将地球纹理和大气贴图映射到地球圆投影域内，实现了更为真实的地球背景图模拟；

(3)通过将目标辐射能量分布、恒星背景能量分布和地球、月球和太阳背景图进行前后景叠加获得更加真实的复杂太空背景环境下的空间目标图像。

附图说明

图1为本发明复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法的总体流程图；

图2为本发明步骤3中地球、月球和太阳背景生成流程图；

图3为本发明的仿真效果图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种包含地球、月球、太阳及恒星的复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法，为后端算法测试验证提供输入条件，满足实际航天任务中的单机测试需求。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法，是按以下步骤进行的：

步骤1、通过光线初始化、光线与面元的遮挡判断和光线散射能量计算等过程，实现基于光线跟踪的空间目标辐射能量分布计算，其中光辐射传输方程可以表示为：

L

L

步骤2、以通用星表为输入，通过恒星星等筛选、由惯性系到相机系的投影变换，由星等到辐射量的转换等实现恒星背景能量分布计算。通用星表采用HIP星表、HD星表、SAO星表中的任意一种。

步骤3、利用投影坐标变换、杂散光经验公式和贴图映射得到地球、月球和太阳背景图，具体实现流程如图2所示，其中投影坐标变换公式可以表示为：

[x,y,z]＝(P-P

公式(2)-(4)中P表示月球、太阳或地球在惯性系下位置矢量，P

由公式(2)-(4)可以得到球心在像平面下的像素位置坐标(x

月球的杂散光经验公式表示为：

公式(5)-(7)中

太阳的杂散光经验公式表示为：

公式(8)-(10)中

地球的杂散光经验公式表示为：

公式(11)-(12)中

当

公式(13)中CloudGray表示大气贴图灰度值，LandGray表示地理贴图灰度值。

步骤4、将步骤1、步骤2、步骤3生成结果依照前后景分布顺序进行叠加获得预生成图像，并根据相机参数对预生成图像叠加传函和噪声，最终量化生成复杂太空背景环境下的空间目标仿真图像，图3是本发明的仿真效果图。相机参数包括探测器积分时间、光学系统传递函数、探测器暗电流和读出噪声等。

本发明还提供了一种复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真系统，应用上述复杂太空背景环境下的空间目标图像仿真方法。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。