考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法

本发明属于空间目标的卫星监测领域，具体而言涉及一种考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法。

背景技术：

1、在科研、军事等诸多领域内，通过天基观测卫星系统搭载可见光载荷获取空间目标的图像信息，通过图像处理检测获得空间目标的天文定位、定轨信息。相较于地基观测系统，天基观测系统克服了受限于空间(仅覆盖观测设备上方天区)、时间(一般需要夜晚)和环境(雨天等不利于观测)的缺点，可以持续、高频次、长时间地获取空间目标观测资料。

2、天基观测系统原理为：若干卫星组成监视平台星座，各监视平台通过搭载大视场、高探测能力的可见光载荷等，在曝光时间内收集目标能量获取目标图像信息。天基空间目标观测系统一般采用自然交会模式，即监视平台固定，通过空间目标相对监视平台运动时穿越监视平台载荷相机视场获取目标图像资料。

3、进行天基观测系统设计时，需要通过仿真计算模型分析其观测效能。然而传统的观测效能计算模型仅考虑监视平台与空间目标的观测构型，认为空间目标穿越可见光载荷视场即可获取有效观测资料。然而由于曝光时间内空间目标相对运动，目标光斑在图像中呈现“拉线”状，能量分布于十几个到几十个像元内，将引起目标信噪比下降。目前的图像处理算法对于信噪比低于2的目标图像检测率太低，无法支撑后续天文定位定轨，因此过低信噪比图像为无效观测资料。

技术实现思路

1、本发明解决的问题是：针对传统仿真计算模型未考虑目标相对运动导致仿真准确率下降的问题，提供一种考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，提高观测效能仿真计算的准确性。

2、为解决上述的技术问题，本发明公开了一种考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，所述天基空间目标观测效能仿真计算模型结合传统仿真计算模型和目标图像信噪比计算算法进行构建，具体步骤如下：

3、(1)所述传统仿真计算模型用于空间目标进入视场时间段的计算：对卫星轨道、目标轨道进行处理后作为输入，以相机最大探测能力等效探测距离作为载荷参数计算载荷视场覆盖范围，计算统计空间目标进入视场时间段作为目标图像信噪比计算的输入；

4、(2)所述目标图像信噪比计算算法用于相机观测图像在空间目标进入视场时间段内信噪比的计算：以步骤(1)中获得的空间目标进入视场时间段为输入，以空间目标进入视场时间段内空间目标亮度计算空间目标信号速率，并结合探测器系统噪声计算获得天基空间目标观测系统目标图像信噪比，作为判断目标是否可观测的输入；

5、(3)获得步骤(2)中所述的天基空间目标观测系统目标图像信噪比计算结果后，判断图像信噪比是否满足有效图像最低门限；若满足，则该空间目标进入视场时间段计入有效观测时间段，统计得到天基空间目标观测系统考虑相机探测能力的对空间目标覆盖率、频次、弧长分布的观测效能。

6、进一步的，所述传统仿真计算模型的计算步骤为：

7、第一步：设置任务场景及效能仿真时段；

8、第二步：建立天基空间目标观测系统模型；

9、第三步：建立空间目标轨道模型；

10、第四步：设置可见光载荷参数；

11、第五步：计算载荷视场覆盖范围；

12、第六步：计算空间目标进入视场时间段。

13、进一步的，考虑空间目标信号速率以及探测器系统噪声综合计算得到空间目标图像信噪比，其中：

14、空间目标探测图像信噪比计算公式为：

15、

16、上式中，s*为空间目标信号速率，t为曝光时间，nsystem为探测器系统噪声。

17、进一步的，考虑相机有效口径、光学系统透过率、目标亮度、探测器量子效率综合计算得到空间目标信号速率s*：

18、

19、上式中，d为望远镜有效口径(cm)，τ为光学系统透过率，mv为目标亮度，qe为探测器量子效率。

20、进一步的，据理论计算及工程经验，空间目标亮度mv的估算公式为：

21、mv＝-24.63-5logd-2.5logρ+5logl-2.5log((π-φ)cosφ+sinφ)

22、上式中，d表示目标尺寸，单位cm；ρ为目标的反射率或散射率；l为观测者与目标之间的相对观测距离，φ是观测相位角，所述相位角的定义为观测者－被观测目标－太阳之间的夹角。

23、进一步的，所述探测器系统噪声nsystem影响因素包含探测器背景噪声、量化噪声、电子读出噪声等，计算公式如下：

24、

25、上式中，nb为背景噪声，np为量化噪声，nread为电子读出噪声；其中：

26、(1)所述背景噪声nb主要来源有天光信号和探测器暗电流，nb为噪声电子总数，计算公式如下：

27、nb＝npixel·(ssky+sdark)·t

28、上式中，npixel为拉线像元数，t为曝光时间，ssky为天光信号速率，sdark为探测器暗信号速率；

29、(2)所述量化噪声np与探测器量子效率有关，np为目标辐射产生的光电子数；

30、(3)所述电子读出噪声nread属于暂态噪声，nread为探测器读出噪声等值光电子数。

31、进一步的，所述拉线像元数npixel与目标相对监视平台的可见光相机相面运动速度、曝光时间和相机像元角分辨率有关；假设目标相对监视平台像面运动速度为vtar，导致npixel拉线十几个到几十个像元；考虑曝光时间不变情况下，目标相对像面运动速度vtar与目标弥散斑所占像元数npixel成正比。

32、本发明的有益效果是：提供了一种考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，通过空间目标尺寸、观测距离以及观测相位角计算目标亮度特性，并结合目标相对运动特性、相机性能参数对目标探测图像信噪比进行计算，考虑目标图像信噪比对系统观测效能进行仿真计算。该模型相较于传统仿真计算模型，剥离了由于相对运动导致信噪比不足以进行图像处理检测的目标，有效去除了系统的无效观测资料，提高了仿真模型的计算准确性。

技术特征：

1.考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：所述天基空间目标观测效能仿真计算模型结合传统仿真计算模型和目标图像信噪比计算算法进行构建，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述的考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：所述传统仿真计算模型的计算步骤为：

3.根据权利要求1所述的考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：考虑空间目标信号速率以及探测器系统噪声综合计算得到空间目标图像信噪比，其中：

4.根据权利要求3所述的考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：考虑相机有效口径、光学系统透过率、目标亮度、探测器量子效率综合计算得到空间目标信号速率s*：

5.根据权利要求4所述的考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：空间目标亮度mv的估算公式为：

6.根据权利要求3所述的考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：所述探测器系统噪声nsystem计算公式如下：

7.根据权利要求6所述的考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，其特征在于：所述拉线像元数npixel与目标相对监视平台的可见光相机相面运动速度、曝光时间和相机像元角分辨率有关；假设目标相对监视平台像面运动速度为vtar，导致npixel拉线十几个到几十个像元；考虑曝光时间不变情况下，目标相对像面运动速度vtar与目标弥散斑所占像元数npixel成正比。

技术总结本发明公开了一种考虑图像信噪比的天基空间目标观测效能仿真计算模型构建方法，通过空间目标尺寸、观测距离以及观测相位角计算目标亮度特性，并结合目标相对运动特性、相机性能参数对目标探测图像信噪比进行计算，考虑目标图像信噪比对系统观测效能进行仿真计算。该模型相较于传统仿真计算模型，剥离了由于相对运动导致信噪比不足以进行图像处理检测的目标，有效去除了系统的无效观测资料，提高了仿真模型的计算准确性。技术研发人员：王妍卉,夏明,张靖鹏,胡海鹰,陈起行,董磊,郑珍珍,姬聪云,颜九妹受保护的技术使用者：中国科学院微小卫星创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/29