一种天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法与流程

本发明属于天基光学图像仿真技术领域，更具体地，涉及一种天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法。

背景技术：

天基光学空间碎片监视图像是指在大气层外采用天基光学系统拍摄的太空图像，由于成像过程不受大气、云层散射和大气衰减影响，没有地基观测平台地理位置部署的制约，是获取空间运动碎片信息的主要手段之一。近年来，许多空间碎片光学成像探测器也陆续研制成功并投入使用，例如：美国的天基可视化传感器(SBV)、欧洲空间态势感知系统(ESSAS)、加拿大的近地空间监视卫星(NESS)。由于空间运动碎片在太空中主要靠太阳的反射才能被相机捕获，且拍摄距离较远，所以能量微弱，空间运动碎片在光学系统成像面上的表现形式为点目标。在天基光学成像系统设计阶段，所有的信息处理算法的设计与验证都没有真实拍摄的图像作为数据来源，只能通过仿真图像进行验证。因此，基于天基光学成像系统的空间运动碎片监视图像仿真技术在空间可视化传感器的设计与制造中占有非常重要的地位。

空间碎片光学图像的成像过程受到光学系统参数、成像器件噪声、曝光时间、天球坐标到传感器坐标的变换、目标运动角速度等因素的影响。因此，空间碎片光学图像仿真技术面临着很多难题。现有研究集中在星敏感器星图仿真技术，但是星敏感器中的恒星运动角速度相对较低，并不适用于高速运动的空间碎片拖尾仿真，会产生断点而形成错误拖尾；解决仿真空间高速运动碎片点目标监视图像问题的方法较少，针对美国天基可见光传感器(SBV)的空间目标监视图像仿真方法所提出的拖尾能量仿真模型并不精确；一些针对静止的空间目标的仿真方法，并没有考虑目标运动造成的拖尾影响。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法，其目的在于对空间高速运动碎片的拖尾效应进行仿真。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法，包括如下步骤：

(1)获取空间运动碎片在给定的积分时间内在成像探测器像面上的运动距离像素；

(2)根据运动距离像素，建立一个(M_X,M_Y)像素大小的区域图像；碎片运动拖尾在该区域图像上经过的像素点，即为该碎片运动拖尾在积分时间ΔT内驻留的像元；

其中，ΔT＝T/N，N是指碎片运动拖尾在区域图像上经过的像素个数；

(3)将碎片拖尾在成像面上驻留的每一个像元看作一个子目标，将每个子目标R_i按照高斯模型进行点扩散模拟；

(4)将相邻子目标高斯点扩散之间能量叠加的区域相加，仿真出运动碎片拖尾。

优选地，上述天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法，空间碎片在像面上的运动距离像素数分别为M_X、M_Y；M_X＝V_X·T/P；

M_Y＝V_Y·T/P；

其中，T为给定的积分时间，V_X是指碎片在成像面上的运动角速度V(度/秒)在X方向上的角速度分量，V_y(度/秒)是指碎片在成像面上的运动角速度V在Y方向上的角速度分量。

优选地，上述天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法，其步骤(3)具体为，将每个子目标R_i按照以下高斯模型进行点扩散模拟

$R_i(x,y)=\frac{\mathrm{\Φ}}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp (-\frac{{(x-x_0)}^2+{(y-y_0)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2});$

其中，σ是指高斯弥散斑尺寸的大小，Φ是指积分时间ΔT内空间碎片在相机成像面上的能量，i＝1,2,3...,N。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

现有的空间运动碎片光学图像仿真技术中，缺乏有效的空间运动碎片拖尾效应仿真方法；本发明提供的天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法，具备能量仿真模型精确、在碎片目标高速运动条件下不会出现断点的优点；采用该仿真方法得到的天基光学图像中的空间运动碎片拖尾效应适用于支撑空间可视化传感器的信息处理。

附图说明

图1是本发明实施例中的目标运动拖尾区域图像示意图；

图2为本发明实施例中的连续高斯弥散斑示意图；

图3为本发明实施例中的能量重叠区域示意图；

图4为本发明实施例中的高运动角速度的空间目标拖尾仿真示意图；

图5为本发明实施例中的空间碎片仿真图像示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例提供的天基光学空间碎片监视图像中目标运动拖尾仿真方法，包括如下步骤：

(1)构建高速运动碎片拖尾效应区域图像；构建得到的目标运动拖尾区域图像如图1所示，区域图像的行和列个数分别代表高速运动碎片目标在天基光学系统成像面X轴与Y轴方向上的运动像元个数；每个小方格代表一个像素点，黑色的方块代表空间目标在该像素位置处驻留了一段时间Δt，在这个Δt时间段里认为空间目标点为一个静止的目标；

(2)构建连续高斯弥散斑；构建得到的连续高斯弥散斑如图2所示，其中，每个黑色方块代表的静止子目标的总能量Φ为该目标在积分时间Δt内在驻留像元上产生的电子数；

(3)累加高斯弥散斑重叠区域的能量；

以图2中标号分别为①和②的像元为例，这两个像元之间的高斯能量扩散区域发生了重叠；由于空间碎片本身并不发光，完全依靠太阳光的反射才能够被天基光学系统探测到，因此可以按照理想成像条件下的星点模型来模拟；

图3为包含点目标①和点目标②的示例图区域M，其中①和②分别用3×3像素大小的高斯星点模型表示，并保证它们的中心能量占恒星点总能量的60％以上，它们在区域图像M上的位置分别为M(x_i，y_j),i＝1,2,3j＝4,5,6和M(x_m,y_l)，m＝2,3,4l＝3,4,5；

点目标①和点目标②之间存在四个像元的能量重叠区域，分别位于M(2,5)，M(3,5)，M(2,4)，M(3,4)四个像元处，将点目标①和点目标②的像元重叠区域的能量全部累加后，作为新的像元能量赋值给M'(2,5)，M'(3,5)，M'(2,4)，M'(3,4)，获得最终重叠区域的像元能量；

(4)将图2所示的相邻所有能量重叠的高斯弥散斑区域进行能量累加，得到图4所示的线性拟合后的仿真目标拖尾效应，图4中的运动目标假定初始时位于图像的正中，并向右下角快速地运动，并最终在图像上形成一条拖尾。

采用实施例提供的仿真方法得到的拖尾效应充分考虑了理想成像条件下的能量分布，并且在仿真过程中不受目标运动角速度的影响，不会产生断点而仿真出错误拖尾；将仿真得到的高速运动目标拖尾放入到添加了成像噪声的恒星背景仿真图中，得到如图5所示的空间碎片光学仿真图像，图5中的仿真图像充分考虑天基光学平台成像的影响因素，包括成像噪声，非饱和恒星星点，饱和恒星星点以及快速运动的空间碎片产生的拖尾，基本接近真实的光学图像，能够为空间碎片检测方法的研究提供数据支撑。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。