一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法技术

一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，属于光学成像仿真技术领域，所述方法步骤如下：(1)基于光学卫星在焦离焦图像，利用物方视场与像的位置关系，对图像做分块处理；(2)反演各视场及方向的波前像差；(3)构造复孔径函数，对其进行归一化自相关处理，得到不同的MTF；(4)结合各过程建模表征，建立光学卫星在轨成像质量退化模型；(5)在模型基础上，将景物入瞳前辐亮度输入来完成仿真，得退化图像。本发明专利技术能反映光学遥感卫星在轨成像质量退化规律，可支持光学遥感成像系统的优化设计、指标论证、性能评估以及图像处理算法的验证与优化，适用于折射/反射式成像系统仿真和衍射成像新体制的光学卫星在轨成像仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法
本专利技术属于光学成像仿真
，具体涉及一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法。
技术介绍
光学遥感卫星在轨成像质量仿真在侦察、测绘、监视等应用任务、成像效能分析、成像系统优化设计与性能评估以及图像处理算法优化等方面具有重要的理论指导意义和工程应用价值。传统的仿真方法多以调制传递函数(MTF)模型为主，主要是针对光学遥感成像链路的不同环节建立相对独立的MTF，并采用子午和弧矢两个方向MTF的平均值来模拟全视场、全方向的MTF。此类方法存在以下不足：(1)无法反映光学遥感成像过程中相机与平台、场景与相机等各环节参数耦合特性对成像质量的影响(如平台振动同时影响相机光学系统成像、探测器采样等过程)；(2)无法全面反映MTF随不同视场、不同方向上的变化特性(即MTF的空间变化特性)对成像质量的影响。此外，以MTF模型为基础的仿真方法针对折射/反射式系统是近似有效的，但无法适用于衍射系统。而衍射光学成像系统具有超大口径、轻量化、加工周期短、成本低等特点，已成为未来高轨卫星空间载荷的重要发展方向。综上分析，从光学遥感成像质量退化机理出发，开展既适用于折射和反射式系统又适用于衍射系统、更加全面精确的在轨成像质量仿真模型与方法研究，对于科学指导光学遥感器优化设计、指标论证以及超大口径衍射系统的实际应用与未来发展具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有光学卫星在轨成像仿真方法不能全面反映光学遥感全链路各环节参数间的耦合特性和成像系统的传递函数空间变化特性对成像质量的影响，且无法适用于衍射式成像系统的问题，提出一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法。本专利技术从光学卫星在轨成像质量退化机理出发，建立成像质量退化模型，全面覆盖信号传输与转换、空间滤波(即模糊过程)、采样、系统噪声、量化等物理过程。其中，空间滤波模型采用在轨反演得到的波前像差代替传统的MTF模型，同时给出了基于在轨图像的波前像差反演方法。该仿真方法适用于折射式、反射式和衍射式多种成像体制的光学卫星在轨成像仿真，并能够更加全面地反映光学遥感卫星成像质量退化规律。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，所述方法步骤如下：步骤一：基于光学卫星在焦图像和离焦图像，利用物方视场与像的空间位置关系，对两幅图像进行分块处理；步骤二：结合步骤一的分块结果，采用PD技术反演各视场及方向的波前像差；步骤三：基于步骤二计算的波前像差，构造复孔径函数，对复孔径函数进行归一化自相关处理，得到系统不同视场及方向的MTF；步骤四：结合信号传输与转换、采样、噪声、量化过程的建模表征，建立光学卫星在轨成像质量退化模型；步骤五：在退化模型基础上，将景物入瞳前辐亮度作为输入完成在轨成像仿真，得到退化图像。本专利技术相对于现有技术的有益效果是：(1)本专利技术立足于光学遥感全链路，从光学卫星在轨成像质量退化机理出发，通过对信号传输与转换、空间滤波、采样、系统噪声、量化等物理退化过程进行精确建模表征，建立更加完备、准确的光学卫星在轨成像仿真模型与方法，该方法能够更加全面地反映光学遥感卫星成像质量退化规律，可为光学遥感器的优化设计、指标论证、性能评估以及图像处理算法的验证与优化提供理论指导与技术支撑。(2)本专利技术提出基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，结合分块思想及基于在轨图像的波前像差反演技术，实现了不同视场、不同方向上的系统传递函数的精确表征，相较于传统的传递函数仿真模型，能够更加准确地反映系统传递函数的空间变化特性对成像质量的影响，并且能够体现出相机光学系统、探测器、电子学系统、卫星平台等光学遥感成像链路各环节及其参数的耦合特性对系统传递函数的影响，从而提高光学卫星在轨成像质量的仿真精度。(3)本专利技术建立的成像仿真方法不仅适用于折射/反射式成像系统仿真，还可适用于衍射式成像系统的在轨成像仿真，能够准确模拟不同成像视场、衍射透过率、焦距、像元尺寸等衍射成像系统参数下的退化图像，从而更加准确地揭示衍射光学成像系统像质退化规律，对于超大口径衍射系统的实际应用与未来发展具有重要的理论研究意义和工程应用价值。附图说明图1为分块策略示意图；图2为基于PD技术的波前反演原理图；图3为卫星在轨成像仿真建模方案图；图4为在焦图像；图5为离焦图像；图6为仿真退化图像。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。具体实施方式一：本实施方式记载的是一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，所述方法步骤如下：步骤一：基于光学卫星在焦图像和离焦图像，利用物方视场与像的空间位置关系，对两幅图像进行分块处理；步骤二：结合步骤一的分块结果，采用PD技术反演各视场及方向的波前像差；步骤三：基于步骤二计算的波前像差，构造复孔径函数，对复孔径函数进行归一化自相关处理，得到系统不同视场及方向的MTF；步骤四：结合信号传输与转换、采样、噪声、量化过程的建模表征，建立光学卫星在轨成像质量退化模型；步骤五：在退化模型基础上，将景物入瞳前辐亮度作为输入完成在轨成像仿真，得到退化图像。具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，所述步骤一的具体步骤如下：首先确定图像上不同方向及视场的分块中心位置(具体可参考光学设计中考虑的典型视场，即中心视场、分视场、全视场)，并均匀选择图像上多个方向，针对不同视场不同方向，选择合适的分块大小，使得所有分块能够覆盖整幅图，并设计分块间重叠区域，根据不同系统及应用需求，采用不同的分块策略。具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，所述步骤二的具体步骤如下：结合步骤一的分块结果，以各分块中心为原点，建立正交直角坐标系，标记每个图像块的中心坐标为(xa，yb)；利用PD技术，计算各分块对应的波像差系数，波像差函数由Zernike多项式精确拟合，该模型为：其中α为像差系数、K为总项数、Zi表示Zernike多项式的第i项、W为波前像差；令i(xa，yb)是焦面图像某一分块上的强度分布，id(xa，yb)是离焦图像对应分块上的强度分布，o(xa，yb)为相应目标物体分布函数，d为离焦图像的离焦量，PD技术的关键在于利用i(xa，yb)、id(xa，yb)和d去估算波函数的相位分布或像差系数；根据最大似然估计理论、Parseval定理及卷积定理，定义一个评价函数来判断重建的图像强度与实际拍摄的图像强度之间的逼近程度，即：其中Ix(u)、O(u)、OTF(u)分别对应于ix(x)、o(x)、PSF(x)傅里叶变换的结果；令K＝2，求解泛函数E(O，α)关于变量O和α的极小值，最终的评价函数表达式为：I(u)、Id(u)、OTFd(u)分别对应于i(x)、id(x)、PSFd(x)傅里叶变换的结果；评价函数的表达式确定后，波前反演的过程描述为大规模非线性优化求极值的过程，当评价函数取得最小值时，此时得到的一组Zernike系数即表征该分块波前的位相信息，基于上述方法，结合自适应遗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤一：基于光学卫星在焦图像和离焦图像，利用物方视场与像的空间位置关系，对两幅图像进行分块处理；步骤二：结合步骤一的分块结果，采用PD技术反演各视场及方向的波前像差；步骤三：基于步骤二计算的波前像差，构造复孔径函数，对复孔径函数进行归一化自相关处理，得到系统不同视场及方向的MTF；步骤四：结合信号传输与转换、采样、噪声、量化过程的建模表征，建立光学卫星在轨成像质量退化模型；步骤五：在退化模型基础上，将景物入瞳前辐亮度作为输入完成在轨成像仿真，得到退化图像。

【技术特征摘要】
1.一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，其特征在于：所述方法步骤如下：步骤一：基于光学卫星在焦图像和离焦图像，利用物方视场与像的空间位置关系，对两幅图像进行分块处理；步骤二：结合步骤一的分块结果，采用PD技术反演各视场及方向的波前像差；步骤三：基于步骤二计算的波前像差，构造复孔径函数，对复孔径函数进行归一化自相关处理，得到系统不同视场及方向的MTF；步骤四：结合信号传输与转换、采样、噪声、量化过程的建模表征，建立光学卫星在轨成像质量退化模型；步骤五：在退化模型基础上，将景物入瞳前辐亮度作为输入完成在轨成像仿真，得到退化图像。2.根据权利要求1所述的一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，其特征在于：所述步骤一的具体步骤如下：首先确定图像上不同方向及视场的分块中心位置，并均匀选择图像上多个方向，针对不同视场不同方向，选择合适的分块大小，使得所有分块能够覆盖整幅图，并设计分块间重叠区域，根据不同系统及应用需求，采用不同的分块策略。3.根据权利要求1或2所述的一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，其特征在于：所述步骤二的具体步骤如下：结合步骤一的分块结果，以各分块中心为原点，建立正交直角坐标系，标记每个图像块的中心坐标为(xa，yb)；利用PD技术，计算各分块对应的波像差系数，波像差函数由Zernike多项式精确拟合，该模型为：其中α为像差系数、K为总项数、Zi表示Zernike多项式的第i项、W为波前像差；令i(xa，yb)是焦面图像某一分块上的强度分布，id(xa，yb)是离焦图像对应分块上的强度分布，o(xa，yb)为相应目标物体分布函数，d为离焦图像的离焦量，PD技术的关键在于利用i(xa，yb)、id(xa，yb)和d去估算波函数的相位分布或像差系数；根据最大似然估计理论、Parseval定理及卷积定理，定义一个评价函数来判断重建的图像强度与实际拍摄的图像强度之间的逼近程度，即：其中Ix(u)、O(u)、OTF(u)分别对应于ix(x)、o(x)、PSF(x)傅里叶变换的结果；令K＝2，求解泛函数E(O，α)关于变量O和α的极小值，最终的评价函数表达式为：I(u)、Id(u)、OTFd(u)分别对应于i(x)、id(x)、PSFd(x)傅里叶变换的结果；评价函数的表达式确定后，波前反演的过程描述为大规模非线性优化求极值的过程，当评价函数取得最小值时，此时得到的一组Zemike系数即表征该分块波前的位相信息，基于上述方法，结合自适应遗传算法，即求得各分块对应的Zernike系数。4.根据权利要求3所述的一种基于波前反演的光学卫星在轨成像仿真方法，其特征在于：所述步骤三的具体步骤如下：基于步骤二计算的波前像差，系统的复孔径函数可表示为：P(x，y)＝A(x，y)exp[i2πW(x，y)](4)其中A(x，y)为光学孔径函数，W(x，y)为像差函数，i为虚数；对应的系统MTF为复孔径函数的归一化自相关：x′、y′是像面坐标；其中λ为入射...

【专利技术属性】
技术研发人员：智喜洋，傅斌，张伟，于頔，胡建明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23