卫星红外图像序列仿真技术的研究与实现

卫星红外图像序列仿真技术的研究与实现杨政军1赵龙1李志军2（1 长沙国防科技大学计算机学院 410073；2 长沙国防科技大学电子科学与工程学院 410073）摘要：为了降低实际获取卫星红外图像序列所需的代价，针对探测器的特点，提出一种结合星空背景仿真卫星红外图像的方法。

该方法采用红外图像仿真技术建立了卫星和星空背景的几何模型、运动模型和红外辐射模型，并生成了与星空背景结合的卫星红外图像序列。

结果表明，仿真生成的卫星红外图像序列效果逼真，为目标检测、跟踪算法研究及评估提供了实验验证的仿真环境。

关键词：红外图像仿真；卫星红外图像序列Study and Implementation of Infrared Images SimulationTechnology of a SatelliteYang Zhengjun1 Zhao Long1 Li Zhijun2（1 School of Computer, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2 School of Electrical Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China）Abstract：According to the characteristics of detectors, we propose a solution which simulates the infrared images of a satellite in the star sky to cut the cost of getting the infrared images. We establish the 3D models, motion models and infrared radiation models of the satellite and stars. At the same time, the infrared images of a satellite combined with the star sky are generated. Simulation results illustrate that our method which supplies a simulation condition is suitable to the study of targets detection and targets track.Keywords：Infrared Images Simulation Technology; Infrared Images of a Satellite1 引言在目标检测、跟踪等算法研究中，需要通过探测器列阵面接收的目标辐射或反射能量形成红外图像信号，这些信号经过预处理和目标提取等环节后最终以红外图像序列的形式输入到控制系统中。

如果直接通过实验来获得太空场景中天体的真实红外图像序列，虽然符合实际情况，但需要耗费巨大的人力、财力和物力。

红外图像仿真是通过建立空间物体的几何模型、运动模型以及红外辐射模型，以计算机仿真生成目标的近似二值图像序列的一种技术。

采用这一技术可以对复杂多样的红外仿真目标及其环境任意地进行重复试验，且所需的代价小、所受的客观制约少。

本文针对探测器的特点，以星空背景中的典型卫星为目标，建立了卫星和星空背景的几何模型、运动模型和红外辐射模型，并生成了与星空背景结合的卫星红外图像序列。

本文的结构如下：第二节介绍了国内外红外场景仿真相关研究的进展情况；第三节采用红外图像仿真技术对卫星和星空背景分别建模，最终建立了其合成模型；第四节根据第三节的模型生成了以星空为背景的卫星红外图像序列，并对此结果进行了分析；第五节总结全文，并对在红外图像仿真过程中还需解决的问题进行了展望。

2 研究现状 目前场景的红外仿真工作大多数是针对地面或空中场景的，对太空场景的红外仿真涉及得较少；随着航天事业的不断发展，太空场景的红外场景仿真在航空、航天方面的应用前景及在军事上的应用价值日趋明显，使得该领域的研究近年来有了新的发展。

人造卫星是太空场景的重要目标，其红外成像与其内部热结构及其飞行状态等有密切的关系。

闵桂荣等对卫星的热状态进行了专门的分析并用于卫星设计的热控制[1]；Dieter Roos 等利用MSC/PATRAN THERMAL 专用软件对卫星的在轨热状态分析进行了讨论[2]；韩玉阁、宣益民等对卫星的红外辐射进行了具体的计算[3]。

NASA 的红外天文卫星IRAS 所提供的LRS 红外星表是目前深空场景红外仿真的主要数据源。

Paola Andreani 等对银河系外的天空在银河系背景下的重构、仪器噪声和混淆问题，并给出了红外模拟图像[4]；浙江大学刘世光、张智丰等模拟了以天空中星空和云层为对象的红外场景[5]。

这些研究都是集中在具体的某一场景对象上，而多个场景对象结合的应用非常普遍。

本文提出的结合星空背景进行卫星目标的红外仿真的方法，是一种高效率、高可信度地设计评估红外系统的途径。

下面一节将重点对卫星和星空的红外辐射模型建模。

3 卫星和星空背景建模由于红外场景的特殊性，场景图像的生成不仅要考虑目标、背景的物理特性、运动特性、辐射特性等，还要考虑到干扰、大气环境等的复杂性、多变性，因此实时仿真出动态的红外场景具有一定的难度。

本文以典型卫星为目标，并以星空为背景进行建模，实时仿真出与天体实际运行相一致的场景，避免在仿真时像以往的红外仿真场景一样通过不时更换图片来达到显示不同背景的目的。

3.1 卫星模型根据开普勒定律，近地卫星的运动轨迹近似为以地球重心为一个焦点的椭圆。

在不考虑摄动的情况下，通过确定卫星轨道根数，即可得到任意时刻卫星在地心惯性坐标系中的具体位置和速度矢量。

从卫星各部分功能及材质出发，采用3DSMAX 软件建立几何模型，并划分为主体、太阳能帆板和天线等几个不同的部分。

近地卫星的红外辐射包括自身的红外辐射和反射太阳、地球的红外辐射（忽略太空背景辐射和其他辐射的影响）[1]。

自身辐射由卫星外表面的温度和辐射率决定；而反射辐射由被反射源辐射强度的大小和入射方式以及卫星外表面的反射率决定。

忽略模型各个不同部分之间的热交换，分别建立起它们的热平衡方程，并根据目标卫星的位置判断其是否在地球的阴影区，可得到各部分的温度T 。

将卫星外表面辐射微元看做朗伯辐射源，则辐射亮度 L 、辐射强度I 和辐射出射度M 有如下关系：2121152(,)[exp(/)1]c M T d c T λλλλελλλλ−=−∫cos MI dA θπ=0/cos I I L M dA dAπθ=== 其中ε为卫星表面的热辐射率，1c 、2c 为辐射常数，0I 为微元dA 法向上的辐射强度。

由上式可知当目标微元的温度和发射率确定后，探测器视场内的亮度就确定了。

相对于地球半径来说，日地距离非常远，在仿真过程中假设太阳辐射恒定，太阳光为平行光，太阳辐射在地球外层空间各处产生的辐射照度相等，则太阳可以等效为5762K 的黑体，地球可以等效为293K 的黑体[3]，由此可得到卫星表面接收到太阳在地球外层空间的光谱辐照度为：158148[exp(2.497/)1]E λλλ=− 卫星表面接收到地球在外层空间的光谱辐照度为：8225 3.741810()[exp(49.1/)1]E E R E R hλλλ×=−+ 其中E R 为地球半径，h 为卫星离地面高度。

对于温度为T ，辐射率为s a ，面积为dA 的微元面，若L 为被反射源的入射方向，R 为镜面反射主方向，且红外探测器从V 方向对微元进行红外成像。

当微元成像大小超过单个像素时，根据辐射亮度的定义，从V 方向看去的辐射亮度可以等效为微元自身的辐射亮度加上反射辐射亮度，即有：L L L =+总反射自身辐射211521(,)[exp(/)1]c L T d c T λλελλπλλ=−∫自身辐射 1(cos cos )cos cos n i d i i s i i i L E kE k θφθγ=+∑反射辐射其中i E 为被反射源辐照度，d k 、s k 分别为漫反射和镜面反射系数，i θ为入射方向与微元法向方向的夹角，i φ为视线方向与反射方向的夹角，γ为视线方向与微元法向方向的夹角，n 为镜面反射因子。

3.2 星空背景模型太阳、月球、地球大气层、宇宙背景和恒星天体等都是自然辐射源，它们的红外辐射总和构成了空间目标的深空背景辐射。

考虑到太阳辐射和月亮反射太阳辐射直接照射到探测器上时容易使探测器饱和甚至损坏，在仿真过程中，我们假设探测器背对太阳，避开地球和月球反射直接照射到探测器上，并且忽略宇宙背景辐射，而只考虑背景恒星的辐射，那么由红外星表可直接得到深空背景的红外辐射。

NASA 的LRS 星表包含了4000多颗红外星源的记录，共5MB 数据，数据量太大，不能满足软件对速度的要求，因此只提取了赤经、赤纬、3-5微米波段的红外辐射强度等几个有用的参数组成一个小的子星表。

从预处理后的星表中读取各星点在标准历元t 0时刻赤道直角坐标系下的历元平位置00(,)αδ，对恒星历元平位置进行自行修正[5]，得到任意时刻t 1下恒星相对于 t 0时刻赤道直角坐标系的位置11(,)αδ：10101010()()t t t t αδααμδδμ=+−⎧⎨=+−⎩ 忽略岁差、章动的影响，由11(,)αδ即可转换为以r 为天球半径的ECI 坐标(,,)x y z ：11111cos cos cos s sin x y r in z δαδαδ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦为了得到星源成像的大小和亮度，需要提取星表中3-5微米波段的红外辐射强度3~5f ：53~5335i i f f d f λλλλλ≤≤==Δ∑∫其中i f λ为对应于LRS 星表中位于相应波长i λ处的辐射强度；i λΔ为两个采样点波长的间隔，可从表1得到。

表1 3~5m μ波段的i λΔ值 1λΔ 2λΔ3λΔ4λΔ5λΔ6λΔ0.6228 0.48990.41730.36970.33540.3093假设太空背景视为绝对黑体，深空背景灰度图像中恒星的灰度值A 由星源的红外辐射强度f 通过如下线性变换得到：A = A 1＋(f －f 1)(A 0－A 1)/(f 0－f 1)，其中f 0、f 1为参考星源的红外辐射强度，其对应的灰度值分别为A 1、A 0。

3.3 合成模型目标红外图像显示过程分为远距离和近距离两个阶段：当卫星目标距离探测器很远时，它在视场内的成像为点目标，将由实时计算得到的卫星红外辐射总亮度叠加到视场内星空背景相应位置的像素上；若距离比较近，卫星在视场内的成像为多个像素的面目标，此时对卫星辐射表面进行区域划分，成像落在同一个探测器像素的表面单元属于同一个区域，再将卫星红外辐射模型计算得到的每一个区域的红外辐射总亮度叠加到视场内星空背景相应位置的像素上。