1 中国科学院国家空间科学中心, 北京 100190
2 中国科学院大学 计算机科学与技术学院, 北京 100049
3 中国科学院大学 杭州高等研究院基础物理与数学科学学院, 杭州 310024
针对视觉同步定位与建图(SLAM)算法前端漂移误差累积问题, 提出基于光学成像模拟的视觉里程计方法。该方法利用稠密三维点云数据进行目标表面泊松重建及材质物理特性关联, 依据光学物理特性和光线追踪原理构建基于物理模型的成像渲染引擎(PBRT), 生成不同观测条件下的目标特性仿真图像; 将目标特性仿真图像与光学相机拍摄图像进行配准与运动偏差恢复, 并设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)输出位姿状态最优估计值。通过原型系统研制与实验评估表明: 该方法有效克服了传统方法漂移误差累积的问题, 相较传统ORB-SLAM2算法前端定位精度提升了56%, 为视觉里程计的设计提供了一种新的技术思路。
光学成像模拟 光线追踪 位姿估计 视觉里程计 扩展卡尔曼滤波 optical imaging simulation ray tracing positional estimation visual odometry extended Kalman filter
1 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室，北京 100190
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院基础物理与数学科学学院，浙江 杭州 310024
星间超远距离传输仿真在精密激光测距任务中发挥着重要的作用。激光在星间的传输距离可达几百至百万公里量级，由于探测过程中的波前像差和衍射效应，无法直接采用经典高斯光束追迹的方法对其进行仿真。本文应用模式分解法对星间超远距离衍射传输进行仿真，通过与解析解和夫琅禾费衍射积分计算结果的对比分析以验证仿真精度，分析分解阶数、初始高斯光束腰半径与圆孔半径之比等参数对仿真精度的影响，从而为空间精密激光测距任务仿真提供一种兼顾计算精度和效率的数值模拟方法。
衍射与光栅 空间精密激光测距 衍射传输 模式分解法 超远距离 激光与光电子学进展
2022, 59(21): 2105002
1 中国科学院国家空间科学中心 复杂航天系统电子信息技术重点实验室，北京 101499
2 北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京 100191
为准确模拟星载光学遥感图像中的亚像素线目标，分析了场景采样率、传感器推扫方向对仿真结果的影响。针对两种因素进行理论分析、仿真试验，推导星地点坐标对应关系，使用Hough变换描述线目标的显著程度和空间分布，利用数据框架分析结果。结论表明：当推扫方向与线目标夹角在0°、90°附近变化时，混叠误差明显增大导致线的显著度下降、伪线数增加；夹角在45°附近仍存在混叠，但结果相比更具鲁棒性；采样率增加可以一定范围内提升线的显著度，但不能改变降质模糊引起的空间分布误差。结果可用于仿真置信度评估，并为模型设计提供参考。
星载光学遥感 图像生成 线目标 Hough变换 数据框架 spaceborne optical remote sensing synthetic image generation line target Hough transform DataFrame 红外与激光工程
2019, 48(9): 0926001
中国科学院国家空间科学中心 复杂航天系统电子信息技术重点实验室, 北京 100190
成像系统仿真对光学遥感器的论证、设计和在轨性能预估具有重要意义。场景作为遥感的对象, 其特性的表征和模拟对仿真结果有直接影响。场景特性难以全面表征, 针对光学遥感及其应用最为关键的几何、光谱和辐射特性, 提出一种基于光场理论的数字场景仿真方法。以包含空间坐标、方向、波长、强度的全光函数作为数字场景仿真的表征参数, 建立了涵盖太阳直射、天空漫射和背景反射等因素的数字场景入射辐照度场模型, 以及考虑方向反射特性的数字场景出射辐亮度场模型, 并基于简单场景对模型进行分析和验证。该方法能够为成像系统仿真及新型载荷研制提供包含多种特性的数字场景模型。
光学遥感 场景仿真 光场 全光函数 optical remote sensing scene simulation optical field plenoptic function 红外与激光工程
2018, 47(8): 0818003
1 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
大气点扩展函数(PSF)是开展光学遥感邻近效应研究和校正的有效方法。基于蒙特卡罗模拟获得的大气PSF，设计足够多带有Sigmoid函数的隐藏神经元和线性输出神经元的两层前馈神经网络，采用Levenberg-Marquardt反向传播算法，获得了大气、光谱和观测几何等输入参数与大气PSF之间的关系。模拟结果证明该方法能够在相对较短的时间内，以95%的计算精度产生预期的大气PSF的近似值。
遥感 邻近效应 大气点扩展函数 逆向蒙特卡罗法 人工神经网络 激光与光电子学进展
2016, 53(10): 102801
1 中国科学院空间科学与应用研究中心 复杂航天系统电子信息技术重点实验室, 北京 100190
2 中国科学院空间天气学国家重点实验室, 北京 100190
光学遥感的邻近效应可以看作大气点扩散函数(PSF)和地表辐射场的卷积, 通过逆向蒙特卡罗法模拟大气PSF, 利用辐射传输模型MODTRAN计算地表辐射场, 获得遥感器入瞳处的辐亮度值.开展不同对比度目标背景物在典型条件下的邻近效应模拟与分析, 结果显示: 目标和背景的反射率分布对邻近效应影响很大, 背景反射率越大, 邻近效应占总辐射的比例越高; 暗目标在亮背景下的邻近效应明显大于亮目标在暗背景下的邻近效应; 固定成像高度和区域, 空间分辨率越高, 邻近效应越明显; 地面气象视距对邻近效应的影响非常显著, 气象视距增大, 邻近效应减弱; 太阳天顶角增大, 邻近效应减弱.模拟结果为高分辨率光学遥感成像系统高精度建模和邻近效应校正算法研究提供了依据.
光学遥感 邻近效应 大气点扩散函数 蒙特卡罗 optical remote sensing adjacency effect atmospheric point spread function(PSF) Monte Carlo
中国科学院空间科学与应用研究中心空间信息与仿真技术研究室, 北京 100190
针对光学遥感成像系统的全链路仿真在我国刚刚起步。通过分析能量在大气、场景和遥感器之间传递时发生的各种相互作用，将整个仿真过程分为三维场景构建与组织、遥感器 入瞳处辐亮度图像模拟、遥感器效果模拟三部分，分析了框架中各个模块的功能和模块之间的概念数据流向。最后分析了地形起伏和观测角度变化对成像的影响。 计算显示：像元高度从0增至1 km时，入瞳处辐亮度的最大相对差异可达170%;观测天顶角从180°变为124.4°时，辐亮度的相对差异最大可接近50%。
遥感 成像仿真 框架研究 全链路 remote sensing imaging simulation framework research entire image chains
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学研究室, 安徽 合肥 230031
基于光闪烁的孔径平均效应,研制了测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪(LALS)。该仪器在一定程度上实现了闪烁饱和现象的抑制。仪器采用对称式结构布局,同时采用调制解调方法提高信噪比,并以嵌入式控制单元完成对数据的采集、处理、显示和存储。与传统仪器设备的测量结果相比,在1000 m的水平传输路径上两者的线性拟合系数为1.01,相关系数为0.92; 进一步分析表明,大气湍流内尺度会对闪烁方差的测量产生影响,从而导致大气折射率结构常数的测量结果略显离散。
大气光学 光传播 大口径闪烁仪 孔径平均效应 折射率结构常数
中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心，安徽 合肥 230031
在沿海某地区的海面大气边界层中进行了距离分别为0．5 km、1．0 km和3．0 km的激光大气传输效应研究，通过对可见光(0．473 μm、0．532 μm和0．671 μm)和中红外(3．8 μm)波段激光传输实验测量，得到了海面大气边界层内多波段激光传输的光强起伏、光束漂移和大气衰减，此外，光传输光强起伏的频谱分析进一步揭示了不同波段的激光在海面上传输的独特性。
光强起伏 光束漂移 大气衰减 optical intensity fluctuation beam wandering atmospheric extinction 大气与环境光学学报
2007, 2(6): 0464
中国科学院安徽光学精密机械研究所,安徽,合肥,230031
研制了一种便携式三波长激光闪烁仪,使用473 nm、532 nm和671 nm三个波长实现了大气湍流内尺度和折射率结构常数的同步测量.该仪器包含发射系统和接收系统两部分:发射系统由激光器、挡光器和远程无线控制器组成;接收系统包括探测器和数据采集器.仪器的噪声分析表明:系统可测的折射率结构常数的精度为1.0×10-16m-2/3.对三波长的相关性分析证明了利用该闪烁仪反演内尺度的可靠性,同时将三波长激光闪烁仪和温度脉动仪测量的折射率结构常数进行了对比,发现两者的相关性系数为0.95.
大气湍流 闪烁仪 折射率结构常数 内尺度
