基于区域网格化的空间目标光学特性计算方法.pdf

第 3 3卷第 2期 2 0 1 2年 0 4月 航天返回与遥感 S P AC E C RA F T R EC O VE RYRE MO T E S E NS I NG 基于区域网格化的空间目标光学特性计算方法 王付 刚张伟王治 乐 ( 哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心， 哈尔滨1 5 0 0 0 1 ) 摘要为了精确计算空间目标光学特性 基于区域分解和网格划分的方法建立了空间目标光学特性 计算模型 首先把 目 标表面分解为若干材料属性单一且易于数学描述的区域： 对划分后的区域进行网格划 分； 对划分后的网格面元进行遮挡与掩蔽分析， 给出有效面元的判断准则： 最后结合表面材料的双向反射分 布函数建立了目 标的光学特性计算模型。为了验证计算模型的精确性 搭建了空间目标缩比模型测量平台。 当入射天顶角为 1 0 、 2 0 和 3 0 时 缩比模型理论计算结果与实验测量数据的相对均方根误差分别为 8 8 9 、 9 3 9 和 8 0 0 均小于 1 0 验证了所建目 标光学特性计算模型的准确性 关键词光学特性 网格化 遮挡 掩蔽 模型计算 空间目 标 中图分类号 ： 0 4 3 2 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 8 5 1 8 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 0 8 1 0 7 DO I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 9 8 5 1 8 2 0 1 2 0 2 0 1 3 A Ca l c u l a t i o n M e t h o d f o r S p a c e Ta r g e t Op t i c a l Ch a r a c t e r i s t i c s Ba s e d o n Lo c a l Re g i o n S u r f a c e M e s h - c r e a t i o n WANG F u g a n g Z HANG W e i WANG Z h i l e ( R e s e a r c h C e n t e r f o r S p a c e O p t i c a l E n g i n e e r i n g ， Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t I n o r d e r t o c a l c u l a t e t h e o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s p a c e t a r g e t a c c u r a t e l y， a c a l c u l a t i o n mo d e l o f o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s b a s e d o n d o ma i n d e c o mp o s i t i o n a n d s u r f a c e me s h - c r e a t i n g i s e s t a b l i s h e d F i r s t l y，t a r g e t s u rfa c e i s d e c o mp o s e d i n t o r e g i o n s wi t h u n i q u e ma t e r i a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d s i mp l e ma t h e ma t i c d e s c r i p t i o n，a n d l o c a l r e g i o n s u rfa c e me s h- c r e a t i o n i s d e c o mp o s e d T h e n t h e s h a d o wi n g a n d ma s k i n g a r e a n a l y z e d f o r s u r f a c e e l e me n t s ， a n d t h e j u d g m e n t c r i t e r i o n i s p u t f o r w a r d F i n a l l y a c a l c u l a t i o n m o d e l c o mb i n e d w i t h t h e B R D F o f s u r f a c e ma t e r i a l s for o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s i s e s t a b l i s h e d A me a s u r e me n t p l a tf o r m w i t h s c a l e d mo d e l i s c o n s t r u c t e d i n o r d e r t o v e r i f y t h e a c c u r a c y o f t h e c a l c u l a t i o n mo d e 1 T h e r e l a t i v e RMS e r r o r s b e t we e n t h e o r e t i c a l r e s u l t s a n d e x p e r i me n t a l d a t a for s c a l e d mo d e l a r e 8 8 9 ， 9 3 9 a n d 8 0 0 ， w h i c h a r e l e s s t h a n 1 0， r e s p e c t i v e l y c o r r e s p o n d i n g t o t h e i n c i d e n t z e n i t h a n g l e 1 0 。 2 0 。 a n d 3 0 。 Re s u l t s h o ws t h a t t h e mo d e l h a s e x c e l l e n t p e rf o r ma n c e i n a c c u r a c y Ke y wo r d s o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ；me s h - c r e a t i n g ；s h a d o wi n g ；ma s k i n g ；mo d e l c a l c u l a t i 0 n ； s p a c e t a r g e t 1 引言 随着航天技术的不断发展， 进入空间的目标越来越多， 如何探测、 编目和识别这些目标已经成为各国空 收稿 日 期： 2 0 1 2 一 O 1 1 O 基金项 目： 国家自然科学基金项 目( 6 1 0 0 7 0 0 8 ) 万方数据 8 2 航 天 返 回 与 遥 感 2 0 1 2年第 3 3 卷 间和地区监视面临的重要任务 对空间目标的探测主要采用光学探测的方法 即利用空间目标的反射光度 信号进行探测。因此空间目 标反射特性的研究已经成为热门课题。 目 前 在空间目 标光学特性研究方面已经开展了大量的工作。影响空间目 标光学特性的因素主要有两 个： 目标表面材料的反射特性和目 标的几何形状结构。在空间目 标光学特性理论建模与计算方面， 基于材料 光学特性的不同假设 建立 L a m b e r t 模型和双向反射分布函数模型 基于材料反射特性为 L a m b e r t 模型的假 设下 建立了标准几何体解析法 1 J 和有限元网格划分的方法2 1 。为提高标准几何体解析法的计算速度与准确 度 出现了基于矢量法的计算方法3_和基于材料特性差异的计算方法 。空间目 标表面材料尤其是电池片和 本体包裹的热控材料存在较强的相干散射 用 L a m b e r t 体散射模型无法真实反应材料反射特性， 故不能够得 到真实的目标光学反射特性 在材料反射特性为双向反射分布函数模型的基础上 主要采用网格划分的方 法进行几何结构建模。文献 5 1 1 1 侧重于研究更能准确描述材料反射特性的双向反射分布函数模型 ， 并致力 于求解模型中的参数 在空间目 标几何结构网格化的研究不够深入 针对当前影响空间目标光学特性存在的主要问题 在材料反射特性方面选择了改进的 s u n模型描述材 料的反射特l生。 并用真实材料的实测数据拟合了模型中的材料属生 参数。 在几何结构建模方面， 首先把目标分 解成易于数学描述的若干区域。 对分解后的区域进行网格划分 并进行网格面元遮挡判断， 对有效面元结合面 元表面材料双向反射分布函数进行光学特生 计算。 对有效面元求和得到目标整体反射光学特性。利用搭建的 空间目标缩比模型测量平台对缩比模型进行了实际测量。测量数据验证了本文建立的计算模型的准确性 2 区域网格化计算方法 2 1 计算方法原理 空间目 标是一个复杂的几何体， 为了准确计算目标的光学特性 首先建立 目 标本体坐标系， 根据 目标的 几何形状与表面材料特征对 目标表面进行区域分解 ， 并对每一个区域建立表面方程和约束方程 为了准确建 立 目 标特性的计算模型 基于有限元的思想。 对目 标的每一个区域进行了网格划分， 并对划分后的网格进行 遮挡与掩蔽判断。 从而确定既能被光源照亮又能被探测器观测到的有效面元 结合面元表面材料双向反射分 布函数 。 构建了面元光学特l生 计算模型 最后叠加所有的有效面元， 从而得到目 标整体光学特性。整个计算 流程如图 l 所示 非 空 区 遮 间 域 挡 面 目 目 结构 分 与 元 标 标 建提 解 网格 非 特性 光 叠加 整 原 与 生虎 掩 计簸 学 求礼 体 始 网 蔽 特 光 结 格 面 性 学 划 兀 计 特 构 判 算 性 分 断 图 1 目标光学特性计算 流程 F i g 1 C a l c u l a t i o n fl o wc h a a f o r t a r g e t o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s 2 2 基于区域分解的网格划分 空间目标外形各种各样。 有球形、 方体、 圆柱体、 多面体、 圆台体以及各种不规则形体。另外， 空间目标本 体上一般安装有许多附属构件， 如太阳翼、 杆状物、 抛物面结构和喇叭状结构的构件等。因此， 很难用一个解 析表达式进行描述 为了准确描述空间目标的几何结构 首先根据空间目标的几何形状 把空间目标分成易于数学描述的若 干区域 即分解后的区域可以用平面或二次曲面描述。为了后续计算的方便。 根据表面材料特性进一步区域 分解( 见图 2 ) ， 使得分解后的区域表面材料属性单一， 即只包含一种材料。 因此， 区域分解的区域具有材料属 万方数据 第 2期 王付刚 等 ： 基于区域网格化的空间目标光学特性计算方法 8 3 性单一和易于数学描述 的特点 分解后的区域可以用平面或二次曲面描述 ， 其数学描述包括表面方程和约束方程两部分。表面方程确 定分解区域的形状 ， 约束方程确定分解区域在空间中的位置及大小。平面可看成是一种特殊的二次曲面， 因 此 用二次曲面描述分解区域。分解区域表面方程的通用表达式为： C( x ， Y ， ) = 0 ( 1 ) 表面约束方程的通用表达式为： 血 一， y ， z 一 ( 2 ) 从有限元的角度出发对分解后的区域进行 网格划分 ( 见 图 2 ) ， 网格划分 的原则是每个划分后的网格面 元近似为一个小平面。 网格面元大小均匀并且几何尺度大于背景辐射光波长， 而且易于数学描述。每个网格 单元都有一个特征量。 包括面元的中心坐标、 面元的法线方向矢量、 面元的面积等， 不同形状的表面的网格特 征量可参见文献 4 1 ， 在此不再赘述 。 图 2 区域分解 F i g 2 Re g i o n d i v i s i o n s 2 - 3 遮挡与掩蔽分析 空间目标进行网格划分后 不是所有的网格面元都对光学特性计算起作用 部分网格由于被遮挡而不 能被光源照亮， 这种现象称为遮挡： 部分网格虽然能够被光源照亮， 但其反射光线由于其它面元的遮挡而无 法进入探测器。 这种现象称为掩蔽。 遮挡与掩蔽如图 3 所示。 这两部分面元对 目 标光学特j生 计算不起作用。 因 此 只有同时满足“ 被光源照射” 与“ 对探测系统可见” 两个条件的有效面元。 才对整个目标特性的计算有所贡 献。为了准确计算空间 目标光学杼 l生， 需要对所划分的网格面元进行遮挡和掩蔽分析 。 遮 图 3 面元的遮挡与掩蔽 F i g S h a d o w i n g a n d ma s k i n g o f mi c r o f a c e t s 如图4 所示， 假定背景光源光线入射方向矢量为n u n = ( p ，P ， P ) ， 规定其方向为远离目标； 探测系统观测 方向矢量为 ，l = ( g ， g ， ， g ) ， 也规定其方向为远离 目 标 ； 对曲面 ， 规定其上任一点的法向矢量指向朝外； d S 为在 上任取的微面元， ( ， Y ， z ) 为中心点坐标， 其法向矢量为 n 。 万方数据 航 天 返 回 与 遥 感 2 0 1 2 年第 3 3卷 + l z = z + J = X m + c q z Y ： = z Y m + +C q y c q f 6) z zm + z J E k ( A ) E ( h ) A k c s O i c o s O r c O S O d 一 - ( 0 i ， i ， ， ， A) ( 7 ) 万方数据 第 2期 王付刚 等： 基于区域网格化的空间目标光学特性计算方法 8 5 式中 表示面元表面材料的双向反射分布函数。 3 计算结果与验证 表面面元 面 图5 面元光学特性计算原理示意图 F i g 5 Op t i c a l c h a r a c t e ri s t i c s c a l c u l a t i o n p r i n c i p l e o f mi c r o - f a c e t s 为 了验证计算模型的准确性 ， 设计了空间 目标缩 比模型的测量方案 并根据测量方案搭建了空间 目标缩 比测量平台， 利用缩比模型实测数据验证本文所提出的计算方法 3 1 测量方案 空间目标的背景辐射主要来自太阳的直接与间接辐射， 为了真实描述空间目 标的背景特性 实验中选用 太阳模拟器作为背景辐射光源。将 目 标缩比模型放置在电控旋转台上 实现不同入射角、 探测角下目标特性 的测量 。当太 阳模拟器发射的平行光 以某一角度入射到 目标缩 比模型的表面后 选用相应的探测设备在空 间的某一位置接收目标表面反射的光学特性信息。测量方案如图 6 所示 图6 空间目标光学特性测量方案 F i g 6 Me a s u r e me n t s c h e me f o r o p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f s p a c e t a r g e t s 3 2 测量结果 选用某三轴稳定卫星缩比模型进行测量， 缩比比例为 2 3 ： 1 。目标表面接收到的辐射照度为 2 8 9 3 W m z 在入射角为 1 0 。 、 2 0 。 和 3 0 。 ， 不同的反射天顶角下探测器人瞳处接收到的目 标反射辐照度数据如图7 所示。 万方数据 8 6 航 天 返 回 与 遥 感 2 0 1 2年第 3 3卷 0 2 5 0 2 0 1 5 翟 0 1 染 0 0 5 0 I l 人 射天顶角1 0 I 墨 一J ： 曩 o 一 o a o a o 口 一 尊 口 o 毋 U l U 2 U 3 U 4 U 5U 6 U 反射角 ( o ) 图 7缩比模型测量数据 F i g 7 Me a s u r e d d a t a o f s c a l e d mo d e l 3 3 理论计算与实测数据比较 缩 比模型的物性参数如表 1 所示 。卫星表面材料的双向反射分布函数参数见文献 1 2 1 。测量过程 中， 探 测距离为 3 6 8 m 表 1 缩比模型物性参数 部件名称 几何尺寸 材料 本体 4 3 6 4m m 4 3 6 4m m 7 2 5 6m m 黄色热控材料 太阳翼 1 6 0 0 mm5 2 3m m3 0 m m 电池片 本体上平板附件 2 8 3 4m mX 1 3 7 4m m2 0 0m m 黄色热控材料 采用模型计算的结果如图8 所示。当人射天顶角为 l 0 。 、 2 O 。 和 3 0 。 时， 理论计算结果与实验测量数据的 相对均方根误差分别为 8 8 9 、 9 3 9 和 8 0 0 ， 误差在 1 0 12内， 证明了采用本文的模型可以准确的计算目 标光学特性 。 l 测量数据 I- 计量数据 矗 I ， 0 。 粤 蚕 0 测量数捌 -计量数 - U 一 一 l 瓣 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 反射天顶角， ( 。 ) 反射天顶角 ( 。 ) ( a ) 入射天顶角为 1 0 。 ( b ) 入射天顶角为 2 0 。 ( a )1 0 。o f i n c i d e n t z e n i t h a n g l e ( b )2 0 。 o f i n c i d e n t z e n i t h a n g l e 图 8缩比模型的计算值与测量值 F i g 8 C a l c u l a t e d a n d me a s u r e d d a t a o f s c a l e d mo d e l 4 结束语 O 1 I o。 0 1 0 2 0 30 4 0 50 反射天顶角 ( 。 ) ( C ) 入射天顶角为 3 O 。 ( C )3 0 。 o f i n c i d e n t z e n i t h a n g l e 本文建立了目标光学特性计算模型。模型首先对空间目 标的几何结构进行区域分解 ， 把复杂结构体分 解成能用平面或二次曲面描述的区域， 对分解后的区域进行了网格划分， 并给出了既能被光源照亮又能被探 万方数据 第 2 期 王付刚 等： 基于区域网格化的空间目标光学特性计算方法 8 7 测器探测到的有效面元的判断准则， 结合表面材料的双向反射分布函数构建了面元的光学特性计算模型， 对 有效面元进行叠加求和便可得到目标整体光学特性。为了验证所建模型的准确性 设计并搭建了基于缩比 模型的测量平台。测量数据与理论计算结果误差在 1 0 以内， 表明了所建模型的正确性。 参考文献( R e f e r e n c e s ) 【 1 】 李斌成 空间目标的光学特性分析 J 1 光学工程，1 9 8 9 ， 1 6 ( 2 ) ： 2 1 2 6 L I B i n c h e n g O p t i c a l C h a r a c t e ri s t i c A n a l y s i s o f S p a c e T a r g e t J O p t i c a l E n g i n e e ri n g ，1 9 8 9 ， 1 6 ( 2 ) ： 2 1 2 6 ( i n C h i n e s e ) 2 鲍文卓， 丛明煜，张伟， 等 基于面元网格化的空间目标光学特性计算方法f J 1 哈尔滨工业大学学报， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 5 ) ： 7 1 0 7 1 5 B AO W e n z h u o ， C ONG Mi n g y u ，ZHANG W e i ，e t a 1 A n Op t i c a l C h a r a c t e ri s t i c s Ca l c u l a t i n g Me t h o d b a s e d o n S u r f a c e Me s h c r e a t i o n f o r S p a c e T a r g e t s J J o u r n a l o f Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 5 ) ： 7 1 0 7 1 5 ( i n C h i n e s e ) 【 3 】 李晓燕 ， 高晓东， 朱耆祥 矢量法在计算空间目标地面照度中的应用 J 光电工程， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 4 ) ： 2 8 3 1 L I X i a o y a n ， G A O X i a o d o n g ， Z HU Q i x i a n g A p p l i c a t i o n o f V e c t o r M e t h o d t o t h e C a l c u l a t i o n o f S p a c e T arg e t G r o u n d I r r a d i a n c e J O p t o - E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 ， 3 0 ( 4 ) ： 2 8 3 1 ( i n C h i n e s e ) 4 李淑军 ， 高晓东， 朱耆祥 带太阳能帆板的卫星光度特性分析 J 】 光电工程，2 0 0 4 ， 3 1 ( 4 ) ：1 - 5 L I S h u n ， G A O X i a o d o n g ， Z HU Q i x i a n A n a l y s i s o f L u m i n o s i t y F e a t u r e s o f a S a t e l l i t e w i t h S o l a r P a n e l s J O p t o - E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 4 ， 3 1 ( 4 ) ：1 - 5 ( i n C h i n e s e ) 【 5 】 吴振森 ， 窦玉红 空间目标的可见光散射与红外辐射 J 】 光学学报， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 0 ) ：1 2 5 0 1 2 5 4 WUZ h e n s e n ， D O UY u h o n V i s i b l e L i g h t S c a t t e ri n g a n d I n f r a r e d R a d i a t i o n o f S p a c e O b j e c l J A c t a O p t i c a S i n i c a ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 0 ) ： 1 2 5 0 - 1 2 5 4 ( i n C h i n e s e ) 6 李道勇，王云强， 宫彦军， 等 空间目标的光散射特性研究 J 烟台大学学报( 自然科学与工程版) ， 2 0 0 4 ，1 7 ( 3 ) ：1 8 3 1 8 7 L I D a o y o n g ， WA N G Y u n q i a n g ， G O N G Y a n j u n ， e t a 1 R e s e a r c h o n L i g h t S c a t t e ri n g f r o m S p a c e O b j e c t J J o u rna l o f Y a n t a i U n i v e r s i t y ( N a t u r a l S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g E d i t i o n ) ， 2 0 0 4 ，1 7 ( 3 ) ：1 8 3 - 1 8 7 ( i n C h i n e s e ) 7 】 曹运华， 吴振森，张涵璐， 等 基于粗糙样片光谱 B R D F的空间目标可见光散射研究l J 】 光子学报， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 1 1 ) ： 2 2 6 4 2 2 6 8 C AO Yu n h u a ，W U Z h e n s e n，Z HANG Ha n l u ， e t a 1 Re s e a r c h o n Vi s i b l e L i g h t S c a t t e ri n g o f S p a c e T a r g e t s B a s e d o n S p e c t r al B R D F o f C o a rse S a m p l e s S p e c t r u m J A c t a P h o t o m o c a S i n i c a ， 2 0 0 8 ，3 7 ( 1 1 ) ： 2 2 6 4 2 2 6 8 ( i n C h i n e s e ) 8 】 石良臣， 朱定强， 蔡国飙 卫星多光谱信号的仿真研究 光电工程， 2 0 0 9 ，3 6 ( 5 ) ： 4 0 4 6 S H I L i a n g c h e n ，Z H U D i n g q i a n g ，C A I G u o b i a o S i mu l a t i o n R e s e a r c h o f M u l t i - s p e c t r a l S i g n a t u r e o f S a t e l l i t e J O p t o - E l e c t r o n i c E n g i n e e ri n g ，2 0 0 9 ， 3 6 ( 5 ) ： 4 0 - 4 6 ( i n C h i n e s e ) 9 张翼， 郑昌文， 吴佳泽 卫星表面光学反射特性建模与仿真研究 J 计算机仿真， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 9 ) ： 5 7 6 1 Z HANG Yi ，Z HENG Ch a n g we n，WU J i a z e Re s e a r c h o n Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n o f S a t e l l i t e s S u r f a c e Op t i c a l Re fl e c t i o n C h a r a c t e r i s t i c s J C o m p u t e r S i mu l a t i o n 2 0 1 0 ， 2 7 ( 9 ) ： 5 7 - 6 1 ( i n C h i n e s e ) 1 0 张伟，汪洪源， 王治乐， 等 空间目标可见光散射特性建