[发明专利]基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法

说明书

本发明涉及一种基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法，通过对光线追踪方法中相同路径的光线进行整合，计算目标表面面元间的光束多次反射能量，在保证精度的同时有效降低计算成本。本发明基于光线追踪原理，提出一种多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法，该方法通过在每一次使用分布式光线追踪的方法生成大量反射光线后再对相同路径的光线进行整合，将其作为一个整体进行计算，有效解决了分布式光线追踪方法的光线数量爆炸增长问题。实验表明，本方法与光子映射方法相比，计算效率优于光子映射方法，且计算得到的目标光学图像具有良好的精度。

技术领域

本发明涉及光线追踪计算技术，具体为一种基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法。

背景技术

目标信息化感知及目标所处不同环境的复合信息特征在数字化信息对抗中的地位日益突出，而目标光学特性又是数字化信息的重要组成部分，其对目标的识别、伪装和跟踪等技术的研究和应用十分重要。但是目标结构和尺寸等因素复杂多变，实测样本非常有限，并且开展实验测量获取图像数据的代价非常昂贵。故而越来越多的研究者利用仿真计算来获取目标光学成像特征的方法，通过构建场景几何模型，分析光学成像特性的影响因素，建立目标和背景光学成像特征计算模型。然而，在对复杂目标进行光学图像仿真计算时，其光学特征的计算精度和计算效率往往不能同时提高，实现复杂目标图像的高精度仿真需要耗费大量的时间。

目前，为了对复杂目标进行高精度光学特性计算通常采用基于蒙特卡洛的光线追踪类方法，通过生成大量由光源发出的光线来模拟真实光照，追踪光线在场景中传播和反射的路径，直至光线进入到传感器。光子映射算法(Photon Mapping Algorithm,PMA)就是一种应用最为广泛的混合光线追踪方法，其使用光子来代替传统光线追踪方法中的光线，光子可以被物体表面反射或吸收，当光子被吸收时，就可以存储在光子图的相应位置，用于计算物体向传感器反射的辐射能量。描述光线在物体表面反射现象时，光线追踪类的方法通常被分为两类：分布式光线追踪和路径跟踪。分布式光线追踪方法的特点在于当一条光线在目标表面发生反射时，从反射点处生成多条反射光线并继续追踪，这种方法的计算精度高，但光线的数目会随着反射次数增加而成几何级的増长。路径追踪的方法特点是每条光线最多产生一条反射光线，并继续追踪这条光线直至与光源相交；每个二维图像的像素点都会追踪许多条这样的路径，并根据表面材质计算反射路径的分布概率，该方法的缺陷在于收敛速度较慢。为了在保证精度的前提下提高计算效率，开展复杂目标光学特性快速准确计算方法的研究是十分必要的。

发明内容

为了克服传统目标光学成像仿真应用中光学辐射多次反射计算效率低下的问题，本发明提出一种多级分布式光束追踪方法，能够在保证精度的同时有效降低计算成本。

本发明提出的基于多级分布式光束追踪的复杂目标天基光学成像仿真方法，该方法通过对光线追踪方法中相同路径的光线进行整合，计算目标表面面元间的光束多次反射能量，在保证精度的同时有效降低计算成本；其具体过程：

步骤1：输入目标的三角面元模型和观测参数，对所述目标的三角面元模型进行面元再划分，计算各面元由于相互遮挡而相对于其他面元的可见性关系，判断各面元反射的辐射能量是否能到达其他面元；

步骤2：入射光线在目标表面各面元处生成多条能够到达其他可见面元和传感器的反射光线，使用分布式光线追踪方法计算本级反射光线的反射结果；

步骤3：对所述步骤2中的反射向其他面元的光线进行路径整合，将射入同一面元的多条反射光线叠加作为该面元下一级计算的入射辐射，剔除低于第一阈值的入射辐射；

步骤4：重复步骤2和3，逐级计算面元反射辐射，直至所有面元的入射辐射都低于第一阈值，停止循环；

步骤5：对各面元反射向传感器的多级反射辐射进行累加，得到各面元反射向传感器的总辐射，根据大气辐射、背景辐射的反射以及所述目标的自发热辐射，完成目标面元在像平面上的映射，得到目标光学特性成像。