基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

杨飞; 金光; 谢金华; 邱振戈; 曲宏松; 贺小军

doi:10.3788/CO.20150806.0971

基于在轨成像物理机理的立体测绘相机建模与仿真

doi: 10.3788/CO.20150806.0971

杨飞^{1, 3, ,},
金光^{1, 2, ,},
谢金华^4, ,,
邱振戈^5, ,,
曲宏松^{1, 2, ,},
贺小军^{1, 2, ,}

1.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林长春 130033;
2.
小卫星技术国家地方联合工程研究中心, 吉林长春 130033;
3.
中国科学院大学, 北京 100049;
4.
国家测绘地理信息局卫星测绘应用中心, 北京 101300;
5.
上海海洋大学, 上海 201306

基金项目: 国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(No.2014AA7012019);吉林省青年基金资助项目(No.201201010)

详细信息

通讯作者:
杨飞(1989—)，女，山东聊城人，博士研究生，2006年于吉林大学获得学士学位，主要从事空间相机成像技术方面的研究。E-mail:yangfei403305@123.com

金光(1958—)，男，吉林长春人，研究员，博士生导师，主要从事空间相机总体设计方面的研究。E-mail:jing@ciomp.ac.cn

谢金华(1979—)，男，湖北武汉人，硕士，工程师，主要从事摄影测量与遥感、测绘卫星总体设计方面的研究。E-mail:13581875361@163.com

邱振戈(1966—)，男，上海人，博士，教授，主要从事摄影测量与遥感、测绘卫星总体设计方面的研究。 E-mail：qiuzhenge@sina.com

曲宏松(1980—)，男，辽宁大连人，博士，助理研究员，主要从事TDI CCD成像系统方面的研究。E-mail:quhongsong@yahoo.com.cn

贺小军(1983—)，男，四川广安人，博士，助理研究员，主要从事空间相机智能成像技术方面的研究。E-mail: hexiaojun6@163.com

中图分类号: V411.8
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出版历程
- 收稿日期: 2015-06-18
- 录用日期: 2015-07-30
- 刊出日期: 2015-01-25

Stereo mapping camera modeling and simulation based on the physical mechanism of on-orbit imaging

YANG Fei^{1, 3
, ,},
JIN Guang^{1, 2
, ,},
XIE Jin-hua^{4
, ,},
QIU Zhen-ge^{5
, ,},
QU Hong-song^{1, 2
, ,},
HE Xiao-jun^{1, 2
, ,}

1.
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;
2.
National and Local United Engineering Research Center of Small Satellite Technology, Changchun 130033, China;
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
4.
Satellite Surveying and Mapping Application Center, SBSM, Beijing 101300, China;
5.
Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China

摘要

摘要: 基于在轨成像物理机理的立体测绘相机成像建模与仿真综合考虑了大气辐射传输、卫星运行平台、光学系统成像、相机辐射响应等各个环节,采用数值模拟技术进行精确建模,可用于进行成像过程端到端的完整分析,评估成像系统设计可行性及成像质量。本文以可见光立体测绘相机为例,采用高精度高、分辨率地表物理模型作为输入源,首先结合立体测绘相机内外方位元素计算正视相机和前视相机CCD光敏面各亚像元区域中心的观测向量,然后根据目标相机的成像参数得到地面目标在相机入瞳处的辐亮度,最后通过光线追迹算法和光学系统点扩散函数模型计算探测器靶面的辐通量,经由探测器辐射响应模型得到数字影像。实验结果表明,正视相机几何物理模型定位精度达124 m,前视相机定位精度达193 m,能够较为可靠地模拟出立体影像,模拟方法可行。
- 仿真 /
- 物理机理 /
- 光线追迹 /
- 立体测绘
Abstract: A system model for the simulation of stereo mapping camera is presented. The system is divided into some parts: atmospheric radiation transmission, satellite platform, optical system, camera radiation response and so on. The numerical simulation technology can be used to complete end-to-end analysis and assess the feasibility of physical imaging system design, and predict the stereo mapping camera on-orbit imaging capability. In this paper, we take visible imaging stereo system as example. The high precision and high resolution surface physical model is used as the input source. First of all, the interior and exterior camera elements are used to calculate the observation vector on the all pixels of CCD photosensitive surface in forward-looking and faced-looking camera. And then according to the imaging camera parameters for ground targets, the radial brightness of the camera into the pupil is calculated. Finally, through the ray tracing algorithm and point spread function of optical system model, the probe on the surface of the target radial flux is calculated. Then the digital image is obtained by probe radiation response model. The experimental results show that the geodetic precision of physical model for faced-looking camera is 124 m, and that for forward-looking camera is 193 m, indicating that more reliable simulating stereo images can be obtained by this simulation method.
- simulation /
- physical mechanism /
- ray tracing /
- stereo mapping

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图 1 光学系统光路示意图

Figure 1. Light path diagram of optical system

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图 2 TDI CCD芯片典型光谱响应曲线及有效量子效率图

Figure 2. Typical spectrum response curves and EQ chart

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图 3 全链路仿真流程图

Figure 3. Simulation flow chart of all link

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图 4 点扩散函数计算模型

Figure 4. Model for calculating the point spread function(PSF)

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图 5 仿真影像

Figure 5. Simulated scene

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表 1 测试场景数据参数

Table 1. Data parameters of test scenario

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表 2 立体测绘相机系统参数

Table 2. Parameters for stereo mapping camera system

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