[发明专利]一种交会对接逼近段成像敏感器非目标成像的仿真方法

摘要

本发明一种交会对接逼近段成像敏感器的非目标成像仿真方法，适用于针孔模型的光学系统的杂散光分析。该方法在应用迭代算法前，须导入具有分组属性的表面数据并预先计算每个待切分面元的切分信息；在迭代算法中，采用了双线程架构，并设计了包含BRDF模型输入输出结果和互遮挡控制代码的结构化面元数据，一个线程利用迭代细分算法产生这种面元数据，另一个线程以之为输入并基于辐射几何得到单个像元接收的辐照度。另外，针对杂散光计算时微面元的互遮挡问题，提出了具体可行的伪投影成像算法。本发明方法模拟的仿真图像可给出非目标成像细节，利用人眼能够直接辨认，而现有的杂散光分析软件尚未能实现这一点。

主权项

一种交会对接逼近段成像敏感器的非目标成像仿真方法，其特征在于步骤如下：1)获得具有分组属性的目标航天器前端面三维表面数据；根据目标航天器前端面上各部件表面材质，为每个分组选择BRDF模型及模型系数；2)根据基于边线中点的迭代面元细分算法，在交会对接逼近段过程中的各个位置对步骤1)获得的三维表面数据中的每个面元进行划分，每次划分将每个面元分为4n个子面元，其中n为细分次数，n的具体数值根据成像敏感器的相机参数和两对接航天器的相对距离确定；记录每个面元每次划分的细分次数n；3)根据预设的航天器对接时间以及两航天器的轨道六要素和姿态误差，计算得到太阳以及成像敏感器的相机在目标航天器对接面坐标系下的坐标；31)建立交会对接常用的三个坐标系{d1},{d2},{dm}，分别对应目标航天器对接面坐标系、追踪航天器对接面坐标系和成像敏感器相机坐标系；32)将坐标系{d1}下的坐标转换到坐标系{dm}下，具体的转换关系如下：设两航天器在各自坐标系下的姿态误差为Rierr，i＝1,2，即{dierr}＝Rierr{di}，坐标系之间的转换由下式表示为：{dm}＝Rm{d1err}+tm,Rm＝t2TR2errR1err‑1,tm＝‑t2T(R2errM1+M2)；其中，t2＝[0 0 1；1 0 0；0 1 0]为常置换矩阵，M1＝[xr1,yr1,zr1]T为坐标系{d1}下两航天器的相对位置，M2＝[xm,ym,zm]T为成像敏感器相机在坐标系{d2}下的安装位置；记两航天器各自的姿态角误差为Δi＝[Δix,Δiy,Δiz]T，i＝1,2，记Δθi×为Δi对应的反对称矩阵，则有Rierr＝I3‑Δθi×，I3为单位矩阵；33)根据开普勒定律获得太阳在目标航天器本体系{do}下的矢量坐标为qso＝L001Rz(ωo+M0)Rx(io)Rz(Ωo)Rz(‑Ωs)Rx(‑is)Rz(‑ωs)p0；其中，L001＝[0 1 0；0 0 ‑1；‑1 0 0]，(ao,eo,io,Ωo,ωo,Mo)为目标航天器的轨道六要素，(as,es,is,Ωs,ωs,Ms)为太阳的轨道六要素；p0＝[cosv,sinv,0]T，ν为真近点角，R表示绕坐标轴旋转的方向余弦矩阵；由于{do}与{d1}只存在平移关系，因而太阳在坐标系{d1}下的矢量坐标也即为qso；4)根据步骤2)获得的每个面元每次划分的细分次数n，采用双线程操作，实现整个迭代算法过程；其中一个线程利用迭代面元细分算法获得子面元结构化面元数据，所述的结构化面元数据包括子面元的顶点坐标、法向量坐标、离轴角、面积，以及子面元到成像敏感器的相机的距离；结合该线程获得的子面元结构化面元数据法向量坐标和步骤3)的结果计算获得子面元的BRDF的输入参数；根据求得的输入参数，选用子面元对应的BRDF模型计算模型的输出值；所述BRDF输入参数的具体方法如下：41)计算获得BRDF模型的输入参数，所述BRDF模型的输入参数包括入射方向的天顶角θi与反射方向的天顶角θr，以及入射方向的方位角φi与反射方向的方位角φr；具体方法如下：设子面元由A,B,C三个顶点围成的三角形表示，Oi为三角形的重心，对应Oi在坐标系{d1}下的位置矢量；在坐标系{d1}下，定义为入射方向和反射方向的单位向量，则p^i=-R1errqso,p^r=-Rm-1O→rm||O→rm||,nsi=AB→·AC→||AB→||||AC→||;]]>θi=cos-1(-p^i·nsi),θr=cos-1(-p^r·nsi);]]>其中，为矢量的转换坐标，公式如下：O→rm=RmR1errO→i+tm,Rm=t2TR2errR1err-1,tm=-t2T(R2errM1+M2);]]>建立该三角形子面元的本地坐标系，三角形重心Oi为坐标系原点，三角形法线方向nsi为z轴方向，x轴指向y轴由右手坐标系确定；则x^=OA→||OA→||,cosφi=(-p^i-z^cosθi)·x^||-p^i-z^cosθi||,cosφr=(p^i-z^cosθr)·x^||p^r-z^cosθr||;]]>42)根据求得的输入参数，选用子面元对应的BRDF模型计算模型的输出值；另一个线程根据获得的子面元结构化面元数据，结合辐射几何、BRDF模型的输出值计算获得成像敏感器相机单个像元接收的低精度辐照度，经剔除重复后得到成像敏感器相机成像平面上单个像元接收的高精度辐照度；5)整个迭代过程完毕后，形成完整的仿真图像。