TDI线扫相机光学通道建模与仿真

    0 引 言

    卫星相机建模和仿真不论在民用还是军事领域都具有强烈的需求和应用背景,它可以直观的分析和评测那些单靠经验和理论分析难以预计的,影响卫星图像质量的内外界因素的影响和作用机制,从而寻求补偿方法。目前随着计算机技术的飞速发展,卫星相机建模和仿真已经成为实际卫星相机测试系统的有力补充和替代方法,国内外许多相关研究机构都正在进行相关方面的研究工作,比较著名的有美国Stanford大学开发了一套基于Matlab仿真语言的数码相机计算机仿真软件[1];俄罗斯莫斯科国立交通大学开发的CCD图像传感器的仿真软件[2]。Multigen-Paradigm公司推出的Vega系列仿真软件等。国内对相机计算机仿真的研究工作也做了一些工作,如研究了光照模型、大气模型、飞行器姿态模型、和噪声模型等。

    研究卫星相机建模和仿真首先需要建立景物和光学成像过程的数学模型。对于本文研究的TDI线扫相机来说,卫星相机在高空对地面景物动态扫描成像,景物反射自然光或自身发射的光携带光能沿着成像路径传播,通过光学镜头投影到接收端。本文通过详细分析TDI线扫相机扫描成像原理,建立了一个TDI线扫相机光学通道的数学模型,给出了从地面景物上的光亮度为L0的小面元dA0到图像传感器上的对应的小面元dA1的几何投影关系和光能量传递关系。这样对于确定的成像系统,给定地面景物和光学系统的参数,就可以确定对应图像传感器上的离散图像。

    本文的研究目的是为了计算入射到图像传感器表面的对应景物的光能,最终推导出了从景物光亮度L0到图像传感器表面光照度Ei的数学关系表达式。为了验证所建立的模型,本文针对具体的TDI行扫描相机进行了计算机仿真研究。选取一幅高分辨率的卫星图像作为景物,设定成像光学系统的参数,如焦距、孔径直径、透射比,物距、以及图像传感器的参数,如像元尺寸、像元数等,得到对应景物图像的TDI CCD传感器表面的离散图像。另外,仿真结果还给出了当成像系统焦距和物距改变时,对图像的影响。本文建立的这个模型可以用来研究当TDI行扫描相机成像条件改变时对应图像的变化以及用来发展整个的虚拟相机系统。

    1 相机光学通道模型

    光学成像过程是从景物反射或发射的光携带光能从景物出发,在空间介质中传播,到达光学成像系统,光学系统收集这些光线并投影到图像传感器上。整个过程如图1所示。

    这里假设景物是朗伯平面,景物上的每个小面元可以认为是一个朗伯点光源。朗伯光源的光强呈球体分布[3](图2),服从朗伯余弦定律。