本发明公开一种空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，是基于一球形容器构建近场测量环境，在所述球形容器上接一段加长通光光程筒构建远场测量环境；测量设备是基于将方位角和俯仰角转换为转台下的旋转角进行测量。本发明可实现空间目标近远场光学特性的测量。在该方法中，采用坐标转换的方法获得测试转台下的转角，将测量方位转换到转台转角下，可以方便操控转台。
1.一种空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：是基于一球形容器构建近场测量环境，在所述球形容器上外接一段加长通光光程筒构建远场测量环境，近场测量时在所述球形容器上设置测量设备，远场测量时在所述加长通光光程筒的远程端设置测量设备，在所述球形容器顶部设置太阳模拟器，球形容器内部设置测试转台，转台上设置测试目标；
所述测量设备是基于将方位角和俯仰角转换为所述转台下的旋转角进行测量，方法如下：定义两个坐标系为：固定坐标系Ot-XtYtZt，转台坐标系OZ-XzYzZz，XtOtYt平面与XzOZYz平面平行，Ot在球形容器中心，Oz在转台中心；
所述固定坐标系下能获得所述测量设备和太阳模拟器的俯仰角和方位角；所述转台坐标系下能获得所述转台的旋转角；
设测量设备在固定坐标系中的坐标为Ot0、在转台坐标系中的坐标为Oz0，坐标中包含有俯仰角和方位角，根据转台旋转方式可知Oz0，进一步可求解出测量设备在转台坐标系中的方位角和俯仰角，再进一步将转台坐标系中的方位角和俯仰角转换为转台的旋转角。
2.根据权利要求1所述的空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：设所述测量设备/太阳模拟器的方位角为θx、俯仰角为θy时,则方向矢量表示为：假定所述球形容器的半径为R，转台中心在固定坐标系中的坐标表示为 假定太阳模拟器在转台坐标系下的入射方位角、俯仰角为(α1，β1)，则太阳模拟器在固定坐标系中的坐标St0、在转台坐标系中的坐标Sz0分别为：假定测量设备在固定坐标系中的方位角、俯仰角为θ4、θ5，在转台坐标系下方位角、俯仰角为(α2，β2)，则观测位置在固定坐标系中的坐标Ot0，在转台坐标系中的坐标Oz0为：其中，
设转台的方位角为θ1、俯仰角为θ2、自转角为θ3，根据转台旋转方式可知：令式中，ci＝cosθi、si＝sinθi，考虑到坐标平移，则有：
其中，设θ0＝θ1-θ4，c0＝cos(θ0)、s0＝sin(θ0)，则有：将(7)、(8)公式得到的太阳模拟器位置和观测位置进行归一化，然后根据公式(1)求解出其在转台坐标系中的方位角和俯仰角；
再在转台坐标系下，将观测位置与太阳位置的方位、俯仰角转换为转台旋转角：求解θ2、θ3
根据式(9)、(3)，此时计算方向不考虑R、T，可得：(1)当θ2∈[-150,0]时，θ2＝-cos-1(t3)，此时θ2有唯一解；
(2)当θ3∈[-180,180]时，有特例，s2＝0时,θ3为任意值，可假定为θ3＝0θ3有唯一解；
A[k3c2-(k1c3-k2s3)s2]＝(Rs5-T) (10)令k0＝k3c2-(k1c3-k2s3)s2，则有当T＝0时S5为第一观测面，即赤道面，当T≠0时，S5在非赤道面上，由上式解出s5，即可求出θ5，根据下式求得θ0：
3.根据权利要求1所述的空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：所述测量设备在成像处理过程中，进行图像的目标区域选择和背景区域选择，所述目标区域选择方式有：跟踪窗输入目标选择、自动目标选择、手动目标选择，所述背景区域选择方式有：自动背景选择和手动背景选择；
所述目标区域选择，根据设定的目标图像灰度值的方差阈值，决定自动目标选择或手动目标选择；
所述背景区域选择，根据设定的背景图像灰度值的方差平方阈值，决定自动背景选择或手动背景选择。
4.根据权利要求3所述的空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：所述背景区域选择，根据设定的背景图像灰度值的方差平方与亮度方差平方的差值，决定自动背景选择或手动背景选择。
5.根据权利要求3所述的空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：所述跟踪窗输入目标选择时，根据视频图像跟踪器计算出来的目标位置信息，自动设置目标阈值，进行目标区域的选择；
所述自动目标选择，采用自动阈值选取目标区域方法，其中阈值是自定义的一个固定值，或是有一定物理意义的阈值；
所述手动目标选择，包括任意点选取、线选取、规则图形选取、任意多点的封闭曲线选取。
6.根据权利要求3所述的空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：所述自动背景选取，是在目标区域选取的基础上，采用等间距扩张的方法获取背景的区域；
所述手动背景选取，是根据自定义选取的多个点的平均值作为背景值。
7.根据权利要求1-6之一所述的空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：所述测量设备进行图像的辐射计算，包括：
根据观测角度位置信息，结合测量设备镜头反馈的视场参数计算目标区域和背景区域在测量设备方向的投影面积：式中：A——目标或背景在测量设备方向的投影面积；
物体的表观辐射亮度可按式(14)计算：式中：Lλ1～λ2——物体的表观辐射亮度；
空间目标地面模拟试验光学特性测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于空间目标特性在地面模拟试验环境的模拟测量技术，特别涉及空间目标地面模拟试验光学特性测量方法。
背景技术
[0002] 空间目标地面模拟试验所测量的目标辐射数据，并不能直接获取目标的光学特性，需要通过与测试设备相关的数据处理方法来获取所需的结果。测量所获取的特定角度的目标数据是在设备坐标系下的，而实际所需要的是目标坐标系下的测量结果，所以必须进行坐标转换才能获取图像分析。
发明内容
[0003] 基于上述原因，本发明提出一种空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，目的在于获取空间目标的远近场光学特性。
[0004] 本发明的技术方案是：一种空间目标地面模拟试验光学特性测量方法，其特征在于：是基于一球形容器构建近场测量环境，在所述球形容器上外接一段加长通光光程筒构建远场测量环境，近场测量时在所述球形容器上设置测量设备，远场测量时在所述加长通光光程筒的远程端设置测量设备，在所述球形容器顶部设置太阳模拟器，球形容器内部设置测试转台，转台上设置测试目标；
[0005] 所述测量设备是基于将方位角和俯仰角转换为所述转台下的旋转角进行测量，方法如下：
[0006] 定义两个坐标系为：固定坐标系Ot-XtYtZt，转台坐标系OZ-XzYzZz，XtOtYt平面与XzOZYz平面平行，Ot在球形容器中心，Oz在转台中心；
[0007] 所述固定坐标系下能获得所述测量设备和太阳模拟器的俯仰角和方位角；所述转台坐标系下能获得所述转台的旋转角；
[0008] 设测量设备在固定坐标系中的坐标为Ot0、在转台坐标系中的坐标为Oz0，坐标中包含有俯仰角和方位角，根据转台旋转方式可知Oz0，进一步可求解出测量设备在转台坐标系中的方位角和俯仰角，再进一步将转台坐标系中的方位角和俯仰角转换为转台的旋转角。
[0009] 设所述测量设备/太阳模拟器的方位角为θx、俯仰角为θy时,则方向矢量表示为：
[0010]
[0011] 假定所述球形容器的半径为R，转台中心在固定坐标系中的坐标表示为假定太阳模拟器在转台坐标系下的入射方位角、俯仰角为(α1，β1)，则太阳模拟器在固定坐标系中的坐标St0、在转台坐标系中的坐标Sz0分别为：
[0012]
[0013]
[0014] 假定测量设备在固定坐标系中的方位角、俯仰角为θ4、θ5，在转台坐标系下方位角、俯仰角为(α2，β2)，则观测位置在固定坐标系中的坐标Ot0，在转台坐标系中的坐标Oz0为：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，
[0018]
[0019] 设转台的方位角为θ1、俯仰角为θ2、自转角为θ3，根据转台旋转方式可知：令[0020]
[0021] 式中，ci＝cosθi、si＝sinθi，
[0022] 考虑到坐标平移，则有：
[0023]
[0024]
[0025] 根据上述两式则有，
[0026]
[0027] 根据坐标转换关系有：
[0028]
[0029] 其中，设θ0＝θ1-θ4，c0＝cos(θ0)、s0＝sin(θ0)，则有：
[0030]
[0031]
[0032] 将(7)、(8)公式得到的太阳模拟器位置和观测位置进行归一化，然后根据公式(1)求解出其在转台坐标系中的方位角和俯仰角；
[0033] 再在转台坐标系下，将观测位置与太阳位置的方位、俯仰角转换为转台旋转角：
[0034] 求解θ2、θ3
[0035] 由公式(7)可知：
[0036]
[0037] 根据式(9)、(3)，此时计算方向不考虑R、T，可得：
[0038] (1)当θ2∈[-150,0]时，θ2＝-cos-1(t3)，此时θ2有唯一解；
[0039] (2)当θ3∈[-180,180]时，有
[0040]
[0041] 特例，s2＝0时,θ3为任意值，可假定为θ3＝0
[0042] θ3有唯一解；
[0043] 求解θ5、θ0
[0044] 由式(8)可得：
[0045]
[0046]
[0047] 可得：
[0048] A[k3c2-(k1c3-k2s3)s2]＝(Rs5-T) (10)
[0049] 令k0＝k3c2-(k1c3-k2s3)s2，则有
[0050]
[0051] 当T＝0时S5为第一观测面(即赤道面)，当T≠0时，S5在非赤道面上，由上式解出s5，即可求出θ5，根据下式求得θ0：
[0052]
[0053] 所述测量设备在成像处理过程中，进行图像的目标区域选择和背景区域选择，所述目标区域选择方式有：跟踪窗输入目标选择、自动目标选择、手动目标选择，所述背景区域选择方式有：自动背景选择和手动背景选择；
[0054] 所述目标区域选择，根据设定的目标图像灰度值的方差阈值，决定自动目标选择或手动目标选择；
[0055] 优选地，所述背景区域选择，根据设定的背景图像灰度值的方差平方阈值，决定自动背景选择或手动背景选择。
[0056] 优选地，所述背景区域选择，根据设定的背景图像灰度值的方差平方与亮度方差平方的差值，决定自动背景选择或手动背景选择。
[0057] 优选地，所述跟踪窗输入目标选择时，根据视频图像跟踪器计算出来的目标位置信息，自动设置目标阈值，进行目标区域的选择；
[0058] 所述自动目标选择，采用自动阈值选取目标区域方法，其中阈值是自定义的一个固定值，或是有一定物理意义的阈值；
[0059] 所述手动目标选择，包括任意点选取、线选取、规则图形选取、任意多点的封闭曲线选取。
[0060] 优选地，所述自动背景选取，是在目标区域选取的基础上，采用等间距扩张的方法获取背景的区域；
[0061] 所述手动背景选取，是根据自定义选取的多个点的平均值作为背景值。
[0062] 所述测量设备进行图像的辐射计算时，包括：
[0063] 1)投影变换计算
[0064] 根据观测角度位置信息，结合测量设备镜头反馈的视场参数计算目标区域和背景区域在测量设备方向的投影面积：
[0065]
[0066] 式中：A——目标或背景在测量设备方向的投影面积；
[0067] N——目标或背景图像大小所占的像元数；
[0068] R——目标到测量设备的距离；
[0069] ——水平瞬时视场；
[0070] ——竖向瞬时视场；
[0071] 2)辐射计算
[0072] 物体的表观辐射亮度可按式(14)计算：
[0073]
[0074] 式中：Lλ1～λ2——物体的表观辐射亮度；
[0075] h——普朗克常数；
[0076] c——真空中的光速；
[0077] k——波耳兹曼常数；
[0078] T——热力学温度(K)；
[0079] λ——辐射波长(μm)。
[0080] 本发明的显著效果在于：本发明通过采用所述近远场模拟试验系统的设置，可实现空间目标近远场光学特性的测量。在该方法中，采用坐标转换的方法获得测试转台下的转角，将测量方位转换到转台转角下，可以方便操控转台。这样在数据处理过程中可以只参照转台参数，无需考虑参数坐标转换问题。图像的处理也可采用背景区和目标区分开处理，并且进行误差补偿。
附图说明
[0081] 图1为目标近远场特性测量试验系统；
[0082] 图2为在近场球形容器中表征的固定坐标系与转台坐标系的关系；
[0083] 图3(a)、3(b)、3(c)分别为三种目标区域选择方式效果图；
[0084] 图4为目标区域辐射特征直方图显示；
[0085] 图5为目标区域等温线分布图；
[0086] 图6自动选取背景区域示意图。
具体实施方式
[0087] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0088] 本发明包括以下几部分内容。
[0089] 一.设备建设
[0090] 一般用近场测量结果外推目标远场辐射特性的方法，会因为目标表面遮挡关系的简化处理造成较大的误差，因此本发明首先在设备建设上采用在近场模拟试验设备基础上增加一段加长光程设备的办法来实现远场测量。如图1所示，本发明选择的近场基础设备为一球形容器1，用于近场特性测量；在球形容器1的基础上外连一段加长通光光程筒2，用于远场测量。在近场测量时光学特性测量设备3可安装在近场球形容器1上，如图2所示；在远场测量时可安装在加长通光光程筒2的远程端，如图1所示。利用加长通光光程筒2可延长测量光程，满足目标全尺寸远场特性测量需求，可直接获得目标远场总辐射强度和目标远场光谱辐射强度。太阳模拟器4于球形容器1顶部向容器内照射。
[0091] 二.坐标系定义及坐标转换
[0092] 为了测量不同方位和角度下的目标辐射特性，需要通过坐标转换算法，将所输入的太阳照射俯仰、方位角和探测器的俯仰、方位角等地面坐标系下的参数转换为测试转台和轨道等试验装置坐标系下的角度，测量时通过控制转台等旋转到指定角度即可实现试验所需的探测方位、俯仰角和太阳照射方位、俯仰角。转换方法如下：
[0093] 1、坐标系定义
[0094] 如图2所示，假设设备固定坐标系为(相当于地面坐标系)：Ot-XtYtZt，转台坐标系(相当于目标坐标系)为：OZ-XzYzZz；XtOtYt平面与XzOZYz平面平行，Zt轴与Zz轴重合，Ot在球形容器中心，Oz在Ot正下方，Oz在转台中心。
[0095] 俯仰角定义：是方向矢量与矢量在XOY面(XtOtYt或XzOZYz)内的投影的夹角，当矢量Z分量大于0时，为正，小于0时为负，角度在(-90～90°)之间。
[0096] 方位角定义：是方向矢量在XOY面内的投影与+X轴的夹角，当矢量Y分量大于0时，为正，小于0时为负，角度在(-180～180°)之间。
[0097] 所以当方位角为θx、俯仰角为θy时，则方向矢量表示为：
[0098]
[0099] 相应有：
[0100]
[0101] 2、太阳与观测位置表示
[0102] 假定球形容器的半径为R，转台中心在固定坐标系中的坐标表示为 (即转台中心在固定坐标系中心下方距离T)，假定太阳模拟器在转台坐标系下的入射方位角、俯仰角为(α1，β1)，则太阳模拟器在固定坐标系中的坐标St0、在转台坐标系中的坐标Sz0分别为：
[0103]
[0104]
[0105] 假定观测位置在固定坐标系中的方位角、俯仰角为θ4、θ5，在转台坐标系下方位角、俯仰角为(α2，β2)，则观测位置在固定坐标系中的坐标Ot0，在转台坐标系中的坐标Oz0为：
[0106]
[0107]
[0108] 其中，
[0109]
[0110] 3、坐标转换
[0111] 设转台的方位角(也叫下圆弧转角)为θ1(-180°～180°)、俯仰角(也叫中圆弧转角)为θ2(0°～-150°)、自转角也叫(上圆弧转角)为θ3(-180°～180°)，根据转台旋转方式可知：令
[0112]
[0113] 式中，ci＝cosθi、si＝sinθi。
[0114] 考虑到坐标平移，则有：
[0115]
[0116]
[0117] 根据上述两式则有，
[0118]
[0119] 根据坐标转换关系有：
[0120]
[0121] 其中，有θ0＝θ1-θ4，c0＝cos(θ0)、s0＝sin(θ0)。则有：
[0122]
[0123]
[0124] 将(7)、(8)公式得到的太阳位置和观测位置进行归一化，然后根据公式(1)即可求解出其在转台坐标系中的方位角和俯仰角，此处不再赘述。
[0125] 4、在转台坐标系下，将观测位置与太阳位置的方位、俯仰角转换为转台旋转角：
[0126] 求解θ2、θ3
[0127] 由公式(7)可知：
[0128]
[0129] 根据式(9)、(3)，此时计算方向不考虑R、T，可得：
[0130] (3)当θ2∈[-150,0]时，θ2＝-cos-1(t3)，此时θ2有唯一解。
[0131] (4)当θ3∈[-180,180]时，有
[0132]
[0133] 特例，s2＝0时,θ3为任意值，可假定为θ3＝0
[0134] θ3有唯一解；
[0135] 求解θ5、θ0
[0136] 由式(8)可得：
[0137]
[0138]
[0139] 可得：
[0140] A[k3c2-(k1c3-k2s3)s2]＝(Rs5-T) (10)
[0141] 令k0＝k3c2-(k1c3-k2s3)s2，则有
[0142]
[0143] 当T＝0时S5为第一观测面(即赤道面)，当T≠0时，S5在非赤道面上，由上式解出s5，即可求出θ5，根据下式求得θ0：
[0144]
[0145] 5、在获得太阳模拟器和测量设备方位角、俯仰角关于转台坐标系下的转台旋转角度后，实际测试时通过控制转台旋转角获得所需的观测位与太阳位的方位角、俯仰角。
[0146] 三.图像处理
[0147] 在坐标转换形式完成以及设备标定完成后，设定试验条件进行试验，对于空间目标的光学特性用热像仪测量处理。
[0148] 在成像处理过程中，包括目标区域选择、背景区域选择、辐射计算、目标温度提取、目标等温面积计算、目标红外辐射特性处理结果显示、图像的编辑操作等过程。首先通过目标区域选取和背景区域选取兴趣区域，然后通过辐射计算得到型号研究感兴趣的数据，包括目标温度提取、目标等温面积计算等，形成目标红外辐射特性。
[0149] 1.目标区域选择
[0150] 对于红外热成像系统而言，目标辐射计算中辐射面积的选取直接影响辐射计算的精度，辐射边界的选择原则直接影响后续的计算结果。
[0151] 目标区域选择有如下方式：
[0152] 1)跟踪窗输入目标选择：红外图像处理软件提供跟踪窗输入目标选择的功能。根据视频图像跟踪器计算出来的目标位置信息，自动设置目标阈值，进行目标区域的选择，如图3(a)中所示。
[0153] 2)自动目标选择：采用自动阈值选取目标区域方法。其中阈值的选择可以是自定义设定的一个固定值，也可以是有一定物理意义的阈值。比如：自动设定图像中最高温度的百分比温度，或是图像信噪比的几倍值作为阈值，如图3(b)中所示。
[0154] 3)手动目标选择：主要包括：任意点选取、线选取、规则图像选取(圆、椭圆、矩形等)、任意多点的封闭曲线选取，如图3(c)中所示。
[0155] 所述目标区域选择，根据设定的目标图像灰度值的方差阈值，决定自动目标选择或手动目标选择。
[0156] 不论何种选择方式，目标区域选择后最终都可利用红外辐射图像处理软件，获得目标区域的形状参数和辐射特征参数。形状参数主要有：面积；辐射特征参数主要有：目标的辐射亮度、辐射强度、等效黑体辐射温度、平均温度、平均亮度、温度方差、亮度方差等。此外对划分的目标区域，还可分析得出该目标区域温度的变化范围、分布区域、最大最小温度点、温度与显示灰度对应关系、目标与背景温差等指标。
[0157] 此外，在目标区域选取的基础上，可完成目标区域的一些实用图形显示，比如直方图绘制，如图4所示；等温线图绘制：可用等温线标出等温区域并计算得出等温面积；同时可设定门限，显示等温点或门限以上、门限以下的点，如图5所示。
[0158] 2.背景区域选择
[0159] 1)在红外辐射图像处理中，一个必须要考虑的因素是背景辐射的贡献，因此背景区域的选取也是一个关键环节。提供两种背景区域的选取方法：自动选取和手动选取。
[0160] 自动选取：在目标区域选取的基础上，采用等间距扩张的方法获取背景的区域。即设定一背景扩展像素数，在选定的目标区域外，按照设定的背景扩展像素数等间距的扩展出一个闭环区域作为背景区域，如图6所示，其中内部曲线封闭的区域为选取的目标区域，内部曲线和外部曲线之间的区域为自动选取的背景区域，内部曲线和外部曲线之间的间距为背景扩展像素数。
[0161] 2)手动选取：根据自定义选取多个点的平均值作为背景值。
[0162] 同样图像处理软件可提供背景选取的参数主要有：背景区域面积，背景表观亮度和表观温度，背景平均亮度和平均温度，背景温度方差和亮度方差等。
[0163] 所述背景区域选择，根据设定的背景图像灰度值的方差平方阈值，决定自动背景选择或手动背景选择。
[0164] 优选的，所述背景区域选择，根据设定的背景图像灰度值的方差平方与亮度方差平方的差值，决定自动背景选择或手动背景选择。
[0165] 3.辐射计算
[0166] 1)投影变换计算
[0167] 根据观测角度位置信息，结合红外热像仪镜头反馈的视场参数计算分割后的目标和背景在探测器方向的投影面积。
[0168] 目标或背景在探测器方向的投影面积可以按式(13)计算：
[0169]
[0170] 式中：A——目标(或背景)在探测器方向的投影面积；
[0171] N——目标(或背景)像大小所占的像元数；
[0172] R——目标到探测器的距离；
[0173] ——水平瞬时视场；
[0174] ——竖向瞬时视场。
[0175] 2)辐射计算
[0176] 物体的表观辐射亮度可以按式(14)计算：
[0177]
[0178] 式中：Lλ1～λ2——物体的表观辐射亮度；
[0179] h——普朗克常数，h＝6.6262×10-34W·S2；
[0180] c——真空中的光速，c＝2.9979×108m/s；
[0181] k——波耳兹曼常数，k＝1.3806×10-23J/K；
[0182] T——热力学温度(K)；
[0183] λ——辐射波长(μm)。
[0184] 一般的，如果测试距离不远，例如在实验室环境下，如果红外图像中的目标足够大，得到的图像中，目标的表观辐射亮度就是目标的真实辐射亮度，即：
[0185] Lt＝Lt,app
[0186] 式中：Lt——目标的红外辐射亮度；Lt,app——目标的表观辐射亮度，也就是目标在红外图像中显示的红外辐射亮度。
[0187] 背景辐射亮度Lb为：
[0188] Lb＝Lb,app
[0189] 式中：Lb,app——背景表观辐射亮度，单位：W/(m2·Sr)。
[0190] 对红外热像机采集的红外图像，确定目标区域和背景区域，并根据目标是大目标还是点目标与小目标，计算背景的辐射亮度Lb。
[0191] 4.目标温度提取
[0192] 对划分的目标区域，可分析得出该目标区域温度的变化范围、分布区域、最大最小温度点、温度与显示灰度对应关系、目标与背景温差等指标。
[0193] 5.目标等温面积计算
[0194] 可用等温线标出等温区域并计算得出等温面积；同时可设定门限，显示等温点或门限以上、门限以下的点。
