空间交会对接中目标航天器位姿图像处理及杂散光技术研究.pdf

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空间交会对接中目标航天器位姿图像处理及杂散光技术研究贺瑞聪2014年12月 中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540空间交会对接中目标航天器位姿图像处理及杂散光技术研究作者姓名贺瑞聪学院名称光电学院指导教师李林教授答辩委员会主席刘越教授申请学位工学硕士学科专业仪器科学与技术学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月 ImageprocessingandstraylightanalysistechnologyresearchofthetargetspacecraftpositioninspacerendezvousanddockingCandidateName：HeRuicongSchoolorDepartment:SchoolofOptoelectronicsFacultyMentor:Prof.LiLinChair,ThesisCommittee：Prof.LiuYueDegreeApplied:MasterMajor：InstrumentScienceandTechnologyDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2015 北京理工大学硕士学位论文摘要在空间光学系统中，图像的生成会受杂散光、空间距离、轨道参数等很多因素影响。为了获取精确的图像，这些因素应该综合考虑。在获取真实图像之前，仿真是必要的。通过对比仿真图像和真实图像，就可以判断精确度。本文主要工作是利用3DStudioMax软件建立了目标卫星的三维模型，并且根据目标航天器和对接航天器的位置和距离对目标航天器的真实图像进行了仿真，通过对接航天器上的敏感器相机捕获目标航天器特定位置姿态的二维图像。本论文应用了3DStudioMax软件来建模、仿真并且产生图像，3DsMax是一款制作三维动画、模型和图像的计算机图形软件。同时，本论文还利用杂散光分析计算软件Tracepro仿真分析了交会对接激光雷达的真实图像，并计算了相应的能量。在Tracepro中，建立了目标卫星的模型和光源，并且设置了不同位置的接收面，然后进行了卫星表面的光线追迹，最终得到辐照度图分析卫星表面的杂散光。关键词：三维建模；二维成像；杂散光分析I 北京理工大学硕士学位论文AbstractInspaceopticalsystem,imagedisplayandgenerationcanbeinfluencedbyvariousfactorssuchasstraylight,spacedistance,orbitparametersandsoon.Toacquireaccurateandclearimage,thesefactorsshouldbeconsidered.Beforeacquiringtherealimage,simulationisnecessary.Throughcomparingthesimulatedimagewiththerealone,accuracycanbeproved.Thispaperfocusesonbuildingathree-dimensional(3D)modelofatargetsatelliteandsimulatingtherealimageofthetargetspacecraftaccordingtothepositionanddistancebetweenthedockingspacecraftandthetargetspacecraft.The2Dimagesofthetargetsatelliteshouldbeacquiredinspecificpositionsandposturesfromasensorcameraonthedockingspacecraft.3DStudioMaxisthesoftwareusedintheprocesstobuildmodels,simulateandgenerateimagesinthepaper.Itisa3Dcomputergraphicsprogramformaking3Danimations,models,andimages.Alsointhepaper,straylightanalysisandcalculationsoftwareTraceproisusedtosimulateandanalyzetherealimageoftherendezvousanddockinglaserradar,andcalculatethecorrespondingenergy.InTracepro,firstwebuildmodelsoftargetsatellite,lightsourceandreceivingsurfaceconsideringthreeconsequences,50m,20kmand2km.Thenwetracetherays.Finallywegettheirradiancemapandanalyzethestraylightofthesatellitesurface.Keywords:Three-dimensionalmodeling;Two-dimensionalimaging;StraylightanalyzeII 北京理工大学硕士学位论文目录摘要.........................................................................................................................................IAbstract..................................................................................................................................II目录.......................................................................................................................................III第1章绪论..........................................................................................................................11.1研究背景及意义.....................................................................................................11.2国内外研究概况.....................................................................................................31.2.1交会对接技术的发展..................................................................................31.2.2交会对接中的敏感器技术..........................................................................41.2.3对接机构的发展...........................................................................................91.2.4交会对接的验证和仿真技术....................................................................101.2.5视觉测量动态标校设备............................................................................101.2.6测量系统的发展........................................................................................111.3本文研究内容.......................................................................................................12第2章理论基础................................................................................................................162.1引言.......................................................................................................................162.2仿真实验方案的设计...........................................................................................162.2.1数字仿真....................................................................................................162.2.2半物理仿真................................................................................................172.3空间杂光的影响...................................................................................................172.3.1杂散辐射概述............................................................................................202.3.2杂散辐射的基础理论................................................................................232.3.3杂散光水平评价方法................................................................................342.3.4红外观测系统的内杂散辐射....................................................................38III 北京理工大学硕士学位论文2.4软件支持...............................................................................................................392.5本章小结..............................................................................................................40第3章卫星的建模仿真....................................................................................................413.13DMAX中卫星建模...............................................................................................413.2建立卫星轨道模型...............................................................................................463.3建立太阳模型.......................................................................................................473.4本章小结...............................................................................................................52第4章二维图像获取及处理............................................................................................534.1引言.......................................................................................................................534.2原理方法...............................................................................................................534.3不同位姿卫星图像...............................................................................................534.4交会对接地球反照成像建模及逼近段合成图像模拟.......................................614.5本章小结...............................................................................................................64第5章激光雷达接收面能量检测....................................................................................655.1引言.......................................................................................................................655.2原理方法...............................................................................................................655.3光线追迹结果.......................................................................................................695.3.1激光雷达与目标卫星相距50m处...........................................................695.3.2激光雷达与目标卫星相距20km处.........................................................705.3.3激光雷达与目标卫星相距2km处...........................................................725.4本章小结...............................................................................................................75结论......................................................................................................................................76参考文献..............................................................................................................................77攻读学位期间发表论文与研究成果清单..........................................................................80致谢......................................................................................................................................81IV 北京理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1研究背景及意义空间交会对接（RVD）指的是两个空间轨道飞行器（例如航天飞机、宇宙飞船等）会合成为一个整体的过程。目前，空间交会对接技术经常应用在航天飞机向空间站运输物资补给，及空间飞行器之间物质和人员的交换。由于空间交会对接技术具有控制系统复杂、规模庞大和变量参数众多的特点，所以成为目前人类航天事业发展过程中最重要和棘手的测控领域难题之一。2011年11月3日，神舟八号飞船与天宫一号实现空间交会对接，如图1-1所示；2012年6月18日，神舟九号飞船与天宫一号实现载人交会对接，这使得中国成为世界第三个掌握该项技术的国家。而最早掌握空间交会对接技术的国家依次为俄罗斯和美国。图1-1神舟八号和天宫一号实现交会对接示意图空间交会对接的过程通常可以分为四个阶段，分别为远程导引段、近程导引段、1 北京理工大学硕士学位论文最终逼近段以及对接停靠段等。首先，在远程导引阶段，地面控制中心操纵航天器进行变轨机动，直到对接航天器可以感应到与其交会对接的目标航天器，这个范围通常为15～100km。然后对接航天器开始进入近程导引阶段，根据自身的敏感器获取其与目标航天器之间相对位置和运动参数，直至抵达距离目标航天器0.5～1km的初始瞄准点。接下来进入了最终的逼近阶段，对接航天器会捕获目标航天器的对接轴，缓慢地进入对接走廊，此时两个航天器之间距离约100m，相对运动的速度约1～3m/s。最后阶段，对接航天器启动微型发动机，一边测量系统获取两个航天器的相对运动速度和距离，一边控制发动机调整航天器姿态，使对接航天器向目标航天器逐步地逼近。在对接合拢之前发动机会被关闭，对接航天器依靠惯性以0.15～0.18m/s的速度与目标航天器会合，并利用锁紧机构对两个航天器进行硬连接。到此为止，交会对接的整个过程结束[1]。交会对接的控制方式分为四种，分别是任务控制、人工控制、自动控制和自主控制。任务控制指的是由地面控制中心依靠遥感对飞船进行控制；人工控制指的是由航天员手动人工进行控制的方式；自动控制指的是由航天器上的设备和系统与地面控制中心协同操作，以此实现对接的方式；自主控制则是指完全由星载设备和系统实施控制的方式。相对于其它航天任务来说，交会对接任务的特点是参与的系统多、流程复杂、飞行控制的难度大、实时性的要求强等。在交会对接任务的设计和实施过程中，仿真是一个不可缺少的手段并贯穿整个任务的始终。采用仿真技术不需要复杂的地面试验设备，比传统地面试验更加省钱、省力、省时。此外，通过仿真技术也可以对飞行故障对策等地面试验无法验证的环节进行检验，从而达到飞行试验前充分验证的目的。因此，仿真具有经济性好、预测性强等优点。美国、俄罗斯／苏联、欧洲和日本在交会对接仿真方面都投入了大量的人力和物力，建立了多个交会对接仿真系统，这些仿真系统在地面试验验证中起均到了非常重要的作用。我国在交会对接仿真方面，建成了用于飞行仿真和方案规划的交会对接飞行任务仿真与规划系统；用于近距离段交会对接测量、控制技术仿真与验证的交会对接九自由度半实物仿真系统；用于对接机构动力学地面仿真的交会对接综合试验台等。这些系统不但有力地支撑了我国载人航天交2 北京理工大学硕士学位论文会对接技术的研发，而且也是我国载人航天交会对接技术的重要组成部分。为了实现更精确的空间交会对接，需要对对接航天器在接近目标航天器的过程中，从放置在对接航天器上的捕获相机中捕获到的目标航天器的位置姿态图像进行仿真，得到的二维图像与将来的实际图像进行比对，从而大致确定目标航天器的位置姿态[2,3]。1.2国内外研究概况目前为止，世界上第一次人工参与的空间交会对接是发生于1965年12月15日，由美国航天员参与的宇宙飞船“双子星座”6号和7号飞船的交会对接。而前苏联是在1968年10月26日实现了第一次自动的空间交会。1975年7月17日，美国的“阿波罗”号宇宙飞船和苏联的“联盟”号宇宙飞船实现了交会对接，这是人类首次实现对两个在不同发射场发射的航天器进行的空间对接。之后，在1984年4月，美国的“挑战者”号航天飞机成功地俘获并修复了一颗卫星，这次任务的成功完成完全得益于空间交会对接技术。在1995年6月29日，美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机顺利地实现了与已在运行的俄罗斯“和平”号航天站的对接，与20年前相比，这次对接规模更大、耗时更长，配套和合作项目也非常多。显而易见，此次交会对接任务的圆满成功，极大地促进了国际空间站的建立，也对世界航天技术的发展起到了推波助澜的作用。1.2.1交会对接技术的发展在实际操作中，美国在四种控制方式中更倾向于应用人工控制和任务控制相结合的方式来完成交会对接，之前提到的“双子星座”6号和7号的交会对接便是一个例子。而苏联更倾向于使用自动控制的方式，苏联实现的人类历史上首次自动空间交会对接就是使用自动控制的方式。与此同时，苏联也在研究人工控制模式，并在“联盟”号与空间站的交会对接中结合了任务控制和自动控制的方式检验了该项技术。按照美苏两国几十年的经验来看，航天员人工控制的方式可以提高交会对接的成功率，也可以节省维修费用、降低燃料消耗。但是人工控制的方式有很明显的缺点，尤其是在太空环境中工作的时候，随着工作时间和劳动强度的增加，航天员体能消耗也会随之增加，因此更容易出现纰漏。但自动控制模式也有一些弊端，首先表现在建3 北京理工大学硕士学位论文设和管理的费用上。自动控制模式需要大量的地面站和人造卫星，这需要很大的开销，即使美苏这样的发达国家也会觉得难以承受。因此，自动控制方式也不是今后空间交会对接技术发展的方向[4]。综合考虑，自主控制模式下的交会对接是交会对接技术发展的一个必然趋势。从20世纪90年代开始，美国就开始着手研究和攻克自主交会对接技术的关键技术和难题，并且取得了重大的进展。美国航空航天局NASA在2005年首次演练其“自主交会技术演示（DART）”计划，成功地完成了自主交会，但是最终因为燃料耗尽而未能实现与目标飞船的对接任务。即便如此，美国也从中获得了充分的演练经验和相关的技术资料，对其自主交会技术的进一步发展提供了相当的技术支撑。此外，欧盟和日本也在积极开展自主交会对接技术的相关研究。当然，人工控制和任务控制模式对交会对接的影响和作用仍然不可能小视，人可以处理十分复杂的任务，具有机动和应变能力，比如人眼的识别能力就是机器无法比拟的。人在必要和紧急情况下的决策性的介入和参与可以保证系统的可靠性，因此，使用人工控制与自主控制的方式相结合来实现交会对接也是今后的一个重要的方向。其次，任务控制模式在深空探索的情况下显得力不从心，但其仍然发挥着重要的作用。比如使用任务控制可以监控自动控制的进程，保证任务成功。用自动化软件可以弥补因排除人工参与而增加的危险，但软件开发成本因此就会大幅提高。总之，结合人工控制、任务控制和自主控制的方式来实现交会对接，是交会对接技术发展的必然趋势。而自主模式的交会对接技术应该取长补短，利用上述三种控制方式的优势，以达到降低成本、节省燃料和保障任务成功的目的[5,6]。1.2.2交会对接中的敏感器技术敏感器技术是交会对接技术的关键技术。敏感器可以使对接航天器随时获取与目标航天器的相对位置、相对速度以及相对姿态。我们在上文中已经知道，空间交会对接的过程通常可以分为远程导引段、近程导引段、最终逼近段以及对接停靠段等四个阶段。但是根据交会对接的两个航天器的不同距离，可以将导航过程分为以下三种情况：远程交会、远场交会和近场交会，如图1-2所示。4 北京理工大学硕士学位论文图1-2导航过程（远程交会、远场交会和近场交会）一般来说，在交会对接的不同阶段，对敏感器的性能和精度的要求也是不一样的。从远程交会到近程交会，所需要的敏感器的精度是逐渐增加的。在远程交会中，对接航天器和目标航天器采用惯性导航测量方案。在近地轨道上，导航测量敏感器一般采用的是微波雷达或者地面引导的方式，其中地面遥感引导的技术已经相当成熟。敏感器只需达到一定的精度，使航天器之间的距离逐渐缩短、相对速度逐渐减小即可。远程导航系统直接影响远场交会导航的方式，导航测量方案越精确，远场交会中敏感器的工作范围越小，这些都是必须在设计交会系统时考虑清楚相关问题。在两个航天器以不确定量级接近时，敏感器要工作较长时间以获取充足信息，否则可能导致交会对接任务失败。远程交会中位置和姿态等信息更加重要，因此我们需要更精确的敏感器来测量确定对接航天器和目标航天器的相对位置和速度。此时的目标航天器相对于对接航天器来说可以看成质点，仅需要提供它的位置、速度和相对方位，就可以建立导航状态。进入近场交会后，航天器相距在百米以内，这时就不能再将目标航天器看成质点，而需要对目标航天器的相对姿态进行测量，相应的敏感器也需要特别高的精度才能保证对接航天器对速度和姿态的测量足够准确。摄影机、激光雷达和激光测距仪、激光探测和定位系统（LADAR）、微波雷达、CCD成像敏感器、位置敏感器等目前相对先进的敏感器的测量精度、适用范围、功能特性等各不相同，所以对于不同的测量任务就需要不同敏感器的搭配组合。但敏感器数量的增加会引起质量和体积增加、测量不连续、功耗和成本也相应增加等问题。目前，在自主交会对接中，姿态、位置和速度的测量都可以使用一些成熟的敏感器来完成，但是要开发一种功能全面、轻便节能且不容易受太空环境限制的敏感器还需时日。为了完成不同的空间任务，空间卫星平台携带的测量敏感器系统种类繁多、功能5 北京理工大学硕士学位论文不一。自主交会对接任务包括完成目标轨道位置测量、目标相对位置与位姿检测、目标特征信息获取等一系列任务，通常需要依靠自主相对运动测量敏感器系统协同作用。因此，所使用的测量敏感器种类会根据任务的不同阶段以及任务使命的不同，而不相同。交会对接任务经历了近半个世纪的发展演化，已经由人工操作向自主交会全面迈进了。随着越来越多的在轨演示验证试验，以及更加复杂的在轨任务，交会对接敏感器也经历着各方面的发展变化。（1）小型化设计为降低卫星发射成本，提高卫星载荷比，探测敏感器设计逐渐趋向轻小化。由AVGS系统的发展情况可见一斑。从其前身VGS系统到正在试验的下一代AVGS系统，在保证性能水平不降低的前提下，其体积减小了四分之一，质量也相应减小。轻小化的探测导航系统除了可以减小卫星载荷质量，使卫星更加小型化以外，还可以节省大量推进剂，延长卫星在轨寿命。小型化的卫星在轨具有更佳的隐蔽性，更加有利于在轨侦查，探测非合作目标特性，具有重要军事意义。（2）高精度、远距离设计探测器的精度和测量范围也在增加，这表现在卫星发现目标并捕获跟踪目标的距离逐渐增大，交会对接距离也在增大。高精度的探测器可以获得目标精确的结构信息，为交会对接提供精确信息，确保交会对接的成功。（3）激光技术的应用逐渐走向成熟激光雷达由于具有体积小、质量轻、精度高等优势，已经广泛应用于空间距离、高度、速度等测量领域。随着激光成像技术的发展，民用激光成像设备逐渐商品化。激光雷达成像探测器也逐渐在空间实验应用。从一开始的AVGS系统，使用激光作为光源大视场照明，用CCD成强度像，到使用TriDAR扫描成像激光雷达系统获得距离像，再到VNS中使用的面阵成像激光雷达，能够获得距离像与强度像。成像激光雷达系统在交会对接任务中的角色已经愈发重要了。随着光电技术的发展，大面阵的激光雷达成像系统将成为空间交会对接的主要探测设备，为交会对接获得视场内各点精确距离信息和几何纹理信息提供了一种新的可能。6 北京理工大学硕士学位论文（4）激光复合探测技术的应用由于激光雷达属于主动探测设备，并且具有很高的测量精度和指向精度，所以能够与可见光等被动探测数据进行信息融合，提高系统探测精度。此外，机构的复合也逐渐成为一种减轻载荷质量的方式。早在20世纪90年代，美国的克莱门汀飞行器就搭载了激光和可见光的复合探测系统。紧凑的复合探测设计为飞行器节约了大量的空间资源，并提高了载荷比。同时，同孔径的设计方式减少了计算量，节约了星上的计算资源。（5）交会对接由合作目标向非合作目标转换由于激光雷达能够获得目标的三维信息，结合可见光图像中的纹理信息，能够还原目标的三维模型。这将使非合作目标探测成为可能。XSS项目已经率先进行了合作目标三维重建技术研究，并进行了在轨验证。“凤凰计划”将使用激光雷达对姿态翻滚的非合作目标进行三维重建。交会对接光学成像敏感器是一种位置和姿态测量敏感器，在测量原理上与星敏感器的主要区别是：星敏感器对恒星成像，经过图像处理，根据已知星表信息，计算获得卫星姿态；而交会对接光学成像敏感器对另一飞行器上安装的合作目标成像，通过图像处理，根据已知目标的位置和姿态特征计算获得两飞行器的相对位置和姿态[7~10]。国内外主流交会对接光学成像敏感器如表1-1所示．国际上以美国VGS/AVGS/NGAVGS、法国VDM、日本PXS等为代表产品．国内以北京控制工程研究所(BICE)研制的//型交会对接光学成像敏感器为代表产品，其具备国际一流的技术水平，在测量精度、视场等方面有一定优势．交会对接光学成像敏感器两种测量模式如下:（1）被动目标测量模式:目标由角反射器或角反射器阵列组成，由位于相机一侧的照明系统对其进行照明，角反射器把照明光沿原路反射，进入相机视场，完成测量任务。被动目标及其相机照明系统如图1-3所示．照明器件可分为LED和LD两种，照明方式可分为环形光源和同轴光源两种。（2）主动目标测量模式:目标自主发光，相机对其进行直接成像测量。主动LED目标及其相机如图1-4所示。目标内部的照明器件可分为LED和LD两种。7 北京理工大学硕士学位论文表1-1国内外主流交会对接光学成像敏感器列表研制机产品名称飞行经历照明方式构美国800/850nm,LD环形视频导航敏感器（VGS）S-87，S-95上验证MSFC光源美国轨道快车上使用，实现美国历史上首次808/850nm,LD同轴先进视频导航敏感器（AVGS）MSFC自主交会对接（2007）光源美国808/850nm,LD同轴新一代导航敏感器（NGAVGS）无MSFC光源法国850nm,LD环形光视频导航仪（VDM）ATV任务使用Sodem源660nm,LD同轴光逼近光学成像敏感器（PXS）日本EST-V源型交会对接光学成像敏感实现中国TG-4和SZ-8/9/10多次自主交940nm,LD主动光中国BICE器（CCD）会对接（2011-2013年）源型交会对接光学成像敏感808/845nm,LD同轴中国BICE2013飞行验证器（CRDS）光源型交会对接光学成像敏808/850nm,LD同轴中国BICE载人三期和探月三期交会对接任务感器（CRDS）光源8 北京理工大学硕士学位论文图1-3被动目标及其照明系统图1-4主动LED目标及其相机1.2.3对接机构的发展对接航天器和目标航天器中的对接机构一般分为中心式和周边式。其中，中心式对接机构由对接航天器上的可伸缩传动机构和目标航天器上的接纳锥组成，又称为“锥——杆”式对接机构。这种对接机构的缺点很多，例如对接成功后，由于传动机构和接纳锥都位于过渡通道上，这会影响航天员和货物的通行；需要主、被动航天器配合使用，缺乏异体同构性，通用性很差等。虽然如此，由于技术上的限制，早期的美苏的太空项目中大多使用中心式对接机构。在1975年的“阿波罗”号和“联盟”号宇宙飞船的交会对接计划中，由美苏两国专家共同研制成功的APAS-75对接机构，以及后来俄罗斯基于这项技术研制的国际空间站的APAS-89对接机构，是一种异体同构周边式的对接机构，之后这种机构在国际空间站的装配和空间站与航天飞机的对接中得到了广泛的应用[11,12,14]。9 北京理工大学硕士学位论文1.2.4交会对接的验证和仿真技术从20世纪60年代开始，美国就在多个航天计划和项目中应用和实践了交会对接工程，由于人工控制具有安全可靠和节能的优点，他们更倾向于人工控制和任务控制相结合的控制方式。在1998年“哥伦比亚号”航天飞机失事后，美国对自主交会对接技术以及相应的地面验证和仿真技术的研制投入了很大的人力物力。美国十分注重地面验证和仿真技术的开发和应用，建立了多种仿真系统，例如物理验证仿真系统和数学模型仿真系统等。俄罗斯在交会对接过程中采用以任务控制为主的控制方式，根据飞船上的交会对接敏感器、控制方式以及对接机构的种类，俄罗斯开发了半物理验证仿真系统，能对追踪器的闭路进行仿真验证。欧洲研制开发的“欧洲逼近操作仿真器”，用于测量两航天器从相距25m直至接触阶段的相对运动的参数和光照条件。日本也建成了先进的交会对接试验系统，用于交会对接过程的动态闭路试验[15~18]。1.2.5视觉测量动态标校设备CCD图像测量装置在早期的空间交会对接中有十分重要的作用。但在我国在交会对接过程中，客观原因导致此装置具有离散点标校能力差、精度差、效率低、适应环境的能力差等缺点。因此，需要进一步地提高标校系统性能、精度和效率。空间交会对接视觉测量动态标校设备可以在研制生产和调试追踪器CCD图像测量敏感器过程中，采用先进的设备和技术，分析测量误差形成的原因、误差的作用程度和主要成分等，从而确定敏感器的测量精度，以保证测量敏感器的极高的可靠性和安全性，最终对追踪器上CCD图像测量装置的设计进行完善，提高了测量精度。空间交会对接视觉测量动态标校设备的作用之一就是要标定追踪器上CCD图像测量装置的精度，在此之前还需要分析测量敏感器的误差。其中几个影响测量精度的因素包括：成像系统的分辨率、光学镜头的畸变、测量系统的标定误差、计算方法的误差以及对目标器上标志点的定位误差。当交会对接过程处于最终逼近阶段时，我们需要对CCD图像测量装置进行全程标定。两航天器之间的相对姿态角和相对位移、空间环境中的复杂光线都会对CCD图像10 北京理工大学硕士学位论文测量装置的成像产生一定的影响。而空间交会对接视觉测量动态标校设备可以优化光路设计，也优化了分析和处理图像的方法，可以克服大多空间环境中的杂散光对测量的影响，抑制定位误差等[19,20]。1.2.6测量系统的发展测量系统也是交会对接技术的关键之一，先进的测量系统可以帮助更好地完成交会对接任务。俄罗斯在空间站和宇宙飞船的对接任务中使用的交会测量系统“航向”具有作用距离大、可靠性好的优点，更不需要空间站在交会对接中对姿态和位置进行任何调整，航天员也可以手动控制。空间站上的信标、应答和通信等设备，可以搜索和捕获用于定向的敏感器。“航向”系统的跟踪测量和搜索捕获系统共由9部天线组成，其中对接航天器和目标航天器分别为5部和4部。这些天线中有6部是用于初定向和搜索捕获的，停靠阶段的定向使用1部，另外2部天线则用于相对运动测量、相互跟踪和停靠阶段定向。美国使用L频段脉冲微波雷达，与目视光学瞄准器共同组成测量系统，此系统应用于“双子星座”飞船的交会对接计划中。美国“阿波罗”登月计划中，登月舱和飞船指令舱对接过程中使用的是交会测量系统，此系统由目视光学瞄准器和X频段单脉冲连续波雷达组成。这套测量系统也在“联盟”号飞船应用。空间站和航天飞机的对接过程中除了使用目视光学瞄准器以外，还使用Ku频段脉冲多普勒雷达组成交会测量系统。该系统可以收发讯息和通信，作用距离是30m～220km。近年来交会测量系统的发展趋势是更多地使用激光雷达，因为激光雷达具有容易测量相对姿态和精度高等有点，也有很多工作致力于减轻激光雷达的重量，减小其体积。但在目前的交会对接中，各国更多地是使用成熟的GPS定位技术，激光雷达技术尚处于试验阶段[21~24]。通过对国外空间交会对接技术以及其相关技术的发展的了解，我们得到如下启示：(1)由于进行交会对接技术研究的投入经费巨大，因此运用数学和物理仿真技术进行相关的地面仿真显得更为重要，同时可以把其空间在轨试验次数尽量减少，这对增加系统的可靠性、安全性和成功率均具有重大的应用价值。(2)在发展交会对接技术时，尽11 北京理工大学硕士学位论文量实现高度人——机匹配的自动化监测系统。(3)为了提高交会对接的成功率，必须充分地进行空间交会对接系统的地面试验。(4)为了提高交会对接的可靠性，必须加强系统的故障冗余能力设计。(5)为了保证交会对接成功，必须对航天员进行严格的训练[25]。1.3本文研究内容由于太阳、地球、目标航天器和对接航天器的位置和距离的不同，会造成对接时敏感器所成的目标航天器的图像受到严重的杂散光的影响，造成图像的干扰，严重时会导致无法进行对接。事实上，目前，我国的空间交会对接只是在前后同一个轨道面上、在某些确定的位置和某些确定的角度以及某些确定的时段才能交会对接，为此，我们和航天五院共同申请了973重大项目，研究全天时全方位都能够进行对接。本论文的任务是模拟在两个航天器对接时，在不同轨道、不同方位、不同距离处目标航天器的真实图像，给敏感器提供准确的图像，给控制提供准确的信息。在本项目中，为了实现目标航天器与对接航天器的对接，需要对卫星在不同光照条件下轨道上不同位置的姿态进行仿真建模并建立姿态数据库，以使飞船在实际对接时能以与卫星相匹配的正确的姿态进行对接。本项目的任务就是通过3dsMax对卫星进行建模，仿真其不同的姿态，最终获得目标卫星位姿的二维图像。图1-5为目标卫星SINOSAT-2卫星模型图，图1-6为追踪飞行器飞行轨迹的示意图，通过对其中几个关键位置的选取，我们得到如表1-2所示的姿态数据表，并将对一下姿态进行仿真并获取位姿图像。12 北京理工大学硕士学位论文图1-5SINOSAT-2卫星模型图1-6追踪飞行器飞行轨迹示意图表1-2姿态数据表13 北京理工大学硕士学位论文位置姿态16km+Z对地指向，三轴稳定13km-X对地指向，三轴稳定（-X轴对地，+Z轴指向轨道速度方向）10km-X对地指向，三轴稳定（-X轴对地，+Z轴指向轨道速度方向）自然绕飞（10km相机对SINOSAT-2定向，采用捕获相机测量进行姿态控制×5km）1.8km-X对地指向，三轴稳定（-X轴对地，+Z轴指向轨道速度方向）100m-X对地指向，三轴稳定（-X轴对地，+Z轴指向轨道速度方向）50m-X对地指向，三轴稳定（-X轴对地，+Z轴指向轨道速度方向）保持光轴对SINOSAT-2定向，采用非合作目标位姿测量敏感器输强迫绕飞（50m）出视线角进行姿态控制保持光轴对SINOSAT-2定向，采用非合作目标位姿测量敏感器输8m出视线角进行姿态控制5km-X对地指向，三轴稳定（-X轴对地，+Z轴指向轨道速度方向）本文第一章主要叙述了课题研究的背景及意义和国内外研究现状。其中国内外研究现状分别从交会对接技术的发展、交会对接中的敏感器技术、对接机构的发展、交会对接的验证和仿真技术、视觉测量动态标校设备和测量系统的发展这几方面进行了阐述。第二章主要叙述了仿真实验方案的设计，从杂散辐射的概述、杂散辐射的基础理论、杂散光水平评价方法和红外观测系统的内杂散辐射几部分分析了空间杂光对仿真的影响，并介绍了所使用的3DsMax软件和Tracepro软件。第三章主要叙述了在3DsMax中通过各种建模方法建立卫星的三维模型、建立卫星运行的轨道模型、建立太阳模型以及太阳的轨道模型，并将轨道模型合并导入卫星模型中进行下一步的仿真。第四章主要叙述了在3DsMax中如何在不同的位置设置相机以观测目标卫星的图像，最终仿真得到不同位姿的卫星图像。第五章主要叙述了在Tracepro中建立卫星模型，建立不同位置的光源对目标卫星14 北京理工大学硕士学位论文进行光线追迹，在激光雷达接收面上获取了相应的辐照度图，从而分析能量是否满足要求。15 北京理工大学硕士学位论文第2章理论基础2.1引言空间交会对接技术是航天飞机向空间站运输物资和补给，以及空间飞行器之间实施物质和人员交换的基本条件，而交会对接测量控制系统在其中占有十分重要的地位。对于设计的交会对接测控系统进行验证和仿真试验是保证系统可靠性的关键途径。在验证和仿真试验过程中同时也要考虑杂散光等因素的影响。地面验证和仿真系统的约束较少，所以得到的测量精度较高。本章将详细介绍空间交会对接中杂散光的影响和杂散辐射的基础理论，以及仿真实验的方案设计和仿真使用的相关软件。2.2仿真实验方案的设计本项目中，确定两个航天器的相对位置和姿态关系十分重要。在空间交会对接中，位姿测量就是要确定对接航天器和目标航天器3个平移分量的相对位置和3个旋转分量的相对姿态。通过视觉敏感器来实现测量是位姿测量的主要手段，这种方法需要通过大量的实验研究才能确定一种测量方法是否可靠和精确。但是空间环境中存在特殊性，这就决定了很难通过真实的实验来进行研究，所以考虑仿真实验是最现实的方式。在空间交会对接中，位姿测量相关的仿真实验一般有三种实现方式，即数字仿真、物理仿真和半物理仿真。三种仿真方式各有优劣。其中物理仿真的真实感很强，但是需要大量的经费投入和复杂的设备支持；数字仿真的实现较为容易，投入也不多，但数学模型很难对一些复杂的模块进行建模；而半物理仿真综合了物理仿真和数字仿真的优点，一般来说，对控制系统我们选择采用物理仿真，对航天器姿态动力学和轨迹我们选择采用数字仿真。目前，在科学研究中，半物理仿真和数字仿真的应用相对来说更加广泛。2.2.1数字仿真在交会对接位姿测量的三种仿真方式中，相对于物理仿真和半物理仿真，数字仿真具有投资少、不受软硬件和物理环境的限制等优点，而且还能在研制交会对接系统16 北京理工大学硕士学位论文之前就开始仿真实验。综合三种仿真方式的特点，王华和唐国金提出了一种数字仿真系统的研究策略，可以使该仿真系统可扩充性好，而且能扩展到后期的半物理仿真系统和地面数字仿真系统中去，从而对交会对接系统前期进行分析和仿真[13]。2.2.2半物理仿真半物理仿真集合了物理仿真和数字仿真的优点，主要是指对控制系统采用物理仿真，对航天器姿态动力学和轨迹采用数字仿真。因为半物理仿真在经费投入、真实性、可操作性等方面具有的优势，目前在科学研究中具有更加广泛的应用。张正忠等人提出了一种基于OpenGL的半物理仿真的模型的建立方法，用于实现对航天器的位姿测量的仿真[3]。首先，该系统对空间目标载体进行建模，来模拟其不同的位姿变化，然后将OpenGL生成的具有很高真实感的图像投影到屏幕上，再利用摄像机当作敏感器来采集投影图像，最后进行仿真位姿测量。2.3空间杂光的影响在本项目中，交会对接光学成像敏感器是由安装在运输飞船上的交会测量相机和安装在目标飞行器上的目标标志器构成的光电测量子系统，用于交会对接最后靠拢到对接完成阶段的相对运动参数测量。光学成像敏感器在轨工作时，当太阳光、地球反照光等照射到相机或目标标志器上时，均会对敏感器的正常测量造成影响，尤其是当太阳光照射到目标飞行器表面的目标标志器附近区域时，其反射杂光在相机视场内，遮光罩无法发挥作用，反射干扰光与目标光源同时进入相机视场，造成图像背景复杂，严重时会导致敏感器无法正常工作。通过对敏感器在轨各杂光源进行分析，建立了杂光计算模型，进行了太阳照射地面试验和飞行试验验证，验证了杂光理论分析的合理性，结果表明敏感器在飞行试验中阳照区抗杂光干扰措施有效，工作稳定。根据交会对接轨道分析，太阳相对飞船入射角“可能的”变化范围如图2-1所示。为了讨论问题方便，图2-1给出太阳光入射方向相对于目标飞行器本体系+X轴夹角变化示意图。在飞船(或目标飞行器)对地定向时，地球边缘与星体+X向的夹角约为18.3°，如图2-2所示。本文以此为输入讨论太阳光对测量的影响。17 北京理工大学硕士学位论文图2-1太阳光照射示意图图2-2对地球张角示意图图2-3在轨时太阳光照射目标飞行器示意图杂光源对光学成像敏感器影响的示意图如图2-3所示。相对于轨道高度、地球直径，光学成像敏感器相机、目标标志器尺度非常小，因此均可以视为一个“公共点”18 北京理工大学硕士学位论文进行分析，换言之，对该“公共点”的杂光分析结果，既适用于相机，也适用于目标标志器。由于当太阳光(或地球反照光)照射到目标飞行器表面的目标标志器附近区域时，其反射光可能会直接进入相机视场，遮光罩无法发挥作用，从而对光学成像敏感器工作造成严重干扰。太阳光照射目标飞行器前锥面时，太阳矢量绕目标飞行器本体系+X轴形成一个半锥角为的圆锥，约为0°～25°，图2-3中太阳光入射方向是为了讨论问题方便而画的示意图，以此为输入讨论太阳直接照射目标飞行器时对测量的影响。图2-3同时也给出了当太阳照射地球时，地表反射太阳光到目标飞行器的情况。根据卫星轨道高度、地球半径可以计算目标飞行器能够“看到”的地球表面面积，可以用顶点为目标飞行器、半锥角为71.7°的圆锥所覆盖的地球表面来表示，圆锥母线即为与地球边缘的切线，其与目标飞行器飞行方向(+X向)的张角约为18.3°。由于在整个圆锥区域内，圆锥母线与+X面夹角最小，因此母线附近区域反射的太阳光到目标上的照度最强，为简化分析并考虑最坏情况，以该区域反射到目标飞行器前端面上的照度为输入条件进行分析。地球反照光的强弱还与太阳照射地球的入射角有关，根据轨道光照分析，太阳矢量绕目标本体系+X轴形成一个半锥角为的圆锥，其中一年的变化约为0°～25°，太阳相对地球表面最小入射角为65°，此时地球表面接收到的太阳光能量最强，其反射太阳光能量也最强，以此为最坏情况进行分析[34]。如图2-3所示，CCD光学成像敏感器在轨工作时，主要有以下杂光源可能会对其测量造成影响：(1)太阳光、地球反照光以某一角度进入相机视场内；(2)太阳光、地球反照光被目标飞行器舱体表面反射进入相机视场内。新型航空航天观测系统在军事、科研、地质、测绘、环境、资源及宇宙探索等领域发挥着越来越重要的作用。随着科学技术的快速发展，人们对遥感器的性能要求也愈来愈高。杂散辐射是降低探测器信噪比的主要因素之一，严重制约着遥感器性能的提高。世界各国已经将遥感器的研究重心转移到曾被忽略但直接影响成像质量的杂散辐射问题之上。我国在杂散辐射方面的研究还不成熟，认识还没有转变。研究杂散辐19 北京理工大学硕士学位论文射的分析方法，分析杂散辐射对遥感器的影响，提出杂散辐射防护的解决方案非常迫切的，对于我国的新型航空航天观测系统研究具有非常重要的理论意义和实用价值。2.3.1杂散辐射概述一、杂散辐射的定义杂散光，又称为杂光，或者杂散辐射。杂散光主要是针对成像（或目标）光束而言的一种概括性的说法，常被定义为光学系统中除了成像（或目标）光线外，扩散到探测器（或成像）表面上的其他非目标（或非成像）光线以及经散射或非正常光路传递到探测器的目标光线，把产生杂散光的物体称为杂散光源。按光源与光学系统的相对位置，可分为外光源和内光源。从外光源发出的光线形成的杂散光称为外杂散光，从内光源发出的光线形成的杂散光称为内杂散光。对航空航天观测系统相机影响较大的外光源主要有太阳、地球、月亮、地球大气、空气中的微粒以及空间中其他明亮的物体和激光武器，内光源主要有遥感器中的小电机、温控热源和温度较高的光学表面和结构表面。在低温红外光学系统中内光源的影响更大一些，而在常温可见光系统中一般不考虑内光源的辐射影响。对地观测系统的杂散辐射环境如图2-4所示。杂散光对光学系统的危害主要表现在三个方面：(1)降低像面对比度和调制传递函数。(2)使整个画面的层次减少，清晰度降低，甚至会形成杂散光斑点，严重地影响了光学系统的性能。(3)在某些高能激光系统中，杂散光可能在系统中产生光能相对集中的微小区域，位于微小区域附近的光学元件将产生热变形，造成不同程度的损伤，并由此产生波前畸变，严重影响光束质量和传输特性。消杂散光的目的是为了减弱或消除到达光学系统像面的各种杂散辐射，提高像质，提升遥感器的探测能力。20 北京理工大学硕士学位论文太阳月亮视场遥感器目标地球图2-4光学系统的杂散辐射环境二、杂散辐射的研究目的及意义航空航天观测系统的工作环境变得愈来愈复杂，在光学系统中不但受到太阳、地球、月亮、地球大气、空气微粒和其他明亮物体等外光源干扰和遥感器中的电机、温控热源及温度较高的元件等内光源的辐射影响，还极有可能受到激光等进攻性武器的攻击。国内外许多对地观测系统都曾遭受各种杂散光的影响。如美国的GOES-I/M、欧盟Meteosat-5/7系列的成像仪，都曾受到过太阳直接照射的强辐射影响，GOES-I/M还曾因无法规避太阳的强辐射而暂时关机。日本已经建立了辐射查找表来为GMS-5抑制杂散光对数据的影响。我国的FY-2卫星的VISSR通道，同样由于受杂散光的干扰，其定量化的应用水平受到一定限制。我国的神舟8号和天宫一号对接时也受到杂散光的影响，此外嫦娥三号月球巡视器也受到杂散光的影响，对导航相机和壁障相机的工作造成干扰。为了确保光学系统的有效工作时间，满足对地观测系统探索的更高要求，有必要针对典型的系统研究其潜在的各种杂散辐射，提出有效的防护措施，为我国未来的高性能对地观测系统的设计提供参考。三、杂散辐射研究与防护在国内外的发展状况1970年以后，军事、地质、测绘、环境、资源以及宇宙探索在世界的各个角落蓬勃发展起来，人们对观测系统光学遥感器的需求也日益高涨，对其性能要求也愈来愈高，这就迫使各国投入大量物力人力研究一度被忽略而又直接影响成像质量的杂散辐21 北京理工大学硕士学位论文射问题。美国被认为是此领域的领军者，成立了专门的研究机构，国际光学工程学会SPIE(InternationalSocietyforOpticalEngineering)还为杂散辐射研究成立了专门的研究专题，在1977年SPIE举行了第一届关于杂散光问题的专题国际会议，之后从1980年开始每两年就举办一届，并且为杂散辐射研究服务的商业公司也如雨后春笋般迅速发展起来。我国在杂散辐射领域的研究开展较晚，但经过数十年的发展也取得了一些可喜的成绩。中国光学界已经从最初的单纯讨论杂散辐射的重要性转向目前的试验与分析的实质阶段，为我国高性能对地观测系统光学遥感器的研制扫除了思想障碍。杂散辐射分析在光学系统的设计中是不可或缺的重要工作之一，国外对杂散辐射的研究进行较早。亚利桑那州立大学光学中心的罗伯特(Robert)早在1977年就对光学系统中的杂散光进行了分析，加利福尼亚州海军武器中心的迈克逊(Michelson)实验室的班尼特(Bennett)研究员对光学元件的杂散光抑制做了详细研究，1986年威廉(William)研究了光学元件的小角度杂散光问题。90年代后期，随着环境、资源和军事等许多领域的需要，杂散光分析与控制研究在红外光学系统中迅速发展起来，其中比较著名的项目有SIRTF、COBE、IRAS。根据文献报告，在70年代，大约有37个项目做了杂散辐射分析，在80年代，这一数字超过了133个，而且这个数字还不包括那些简单的杂散辐射估算。之所以杂散辐射分析的数量能成几何量级增加，是因为在航空航天观测系统或地基遥感器项目中国外大部分机构认识到了杂散辐射分析的必要性。在几十年的杂散辐射分析发展历程中，国外已经将杂散辐射研究发展成为一门综合学科，并形成了许多研究方向。概括起来大约有九大方向：系统杂散光测试，散射理论，双向反射分布函数(BRDF)设备与测量，分析软件，材料研究，抑制设计，污染效应，表面粗糙度，消光漆。这九大方向既是独立研究的课题，又是相互联系的整体。国内杂散辐射研究起步较晚，与国外相比有较大差距。首先是认识上不够，并没有把杂散辐射的分析与防护认为是光学系统设计过程中必不可少的一部分。其次，国内的一些研究机构即使进行了杂散辐射研究也是处于各自独立的状态，系统化、继承性较差。同时国内没有一套完整的用于杂散辐射分析的通用软件，在早期曾出现过初22 北京理工大学硕士学位论文步鬼像计算程序GHOSTV1.0，星相机遮光罩杂散光分析的有限元法专用程序，用蒙特卡洛方法计算星载扫描仪的杂散光分析程序，而这些程序在国外软件大量进入国内市场的潮流中逐渐消失。另外，国内的各种杂散光测试设备不完善，而且测试费用偏高，阻碍了杂散辐射研究的发展。国内也没有统一的可供杂散辐射研究常用的材料和消光漆的数据库，杂散辐射研究人员大多采用估计的方法设置材料和消光漆的属性，造成仿真结果的与实际有差异。在杂散辐射理论研究和污染方面也有较大差距，国内很少有研究机构涉及该领域的研究[26,27]。2.3.2杂散辐射的基础理论辐射传导理论描述了辐射在介质中传播时，能量的发射、吸收、散射和透射的相互关系，是研究杂散辐射的理论基础。一、散射理论光线在任何介质表面都会发生散射，而且散射方向是随机的，因此相对目标（或成像）光线而言散射光就变成了一种杂散光。由于散射方向是任意的，因此提高了杂散光防护的难度，为了尽量减少散射对光学系统的影响，就要对光学系统中的散射形式进行研究，找出适合测量并方便应用在分析软件中的散射表示方法，有针对地防护关键的散射路径。1、对地观测光学系统中的散射在对地观测光学系统中，光学元件和非光学元件（比如遮光罩、光阑和支撑臂）的表面都可以产生散射光。那些能直接被离轴光源照亮的表面叫做被照射表面，能被探测器“看”到的表面叫做关键表面。发生散射的表面如果既是被照射表面又是关键表面，则此时的散射光称为一级散射光线。如果发生一级散射的表面是光学面时，则此时的散射光是无法避免的，一级散射对系统的杂散光贡献较大，因此要尽量采取有效抑制措施将一级散射保持在一个比较低的量级。被照射表面产生的散射光线如果经关键表面散射后入射到了探测器表面上，则此时就形成了二级散射。依此类推，n级散射则在离轴光源与焦平面之间存在这种n次的交替散射表面。在光学系统中，为了减小杂散光量级，大都采用了视场光阑和利奥光阑，而且已将镜面散射降低到最低的量级，因此三级或三级以上的散射能量在到达探测器之前几乎被衰减完毕，在计算或23 北京理工大学硕士学位论文者仿真光学系统中的散射光时，一般计算到二级散射即可。2、BRDF模型在光学系统中，光学元件和非光学元件表面都能产生散射光，这种表面特征可以用双向反射分布函数（BRDF）来描述，BRDF的模型最初由尼哥底母（Nicodemus）在1970年提出，BRDF的模型如图2-5所示，定义如下：dL,,,,dL,,,,riirrriirrf,,,,(2-1)riirrdE,,dL,,cosdiiiiiiii其中，——球坐标下的天顶角——球坐标下的方位角i——入射量r——反射量dLri,i,r,r,——r,r方向的反射辐亮度dE,,——,方向的入射辐照度iiiiidL,——,方向的入射辐亮度iiiiid——dL,的辐射立体角iiii图2-5BRDF模型示意图24 北京理工大学硕士学位论文假设在一个小的入射源立体角d内，f,,,,在非零区域内近似为常数，iriirr那么式(2-1)可写成dL,,,,L,,riirrrrrf,,,,(2-2)riirrdE,,E,,riiii式(2-2)即辐射度学与光度学中的BRDF定义形式，也就是通常情况下所说的双向反射分布函数的定义方式，它表示不同入射条件下物体表面在任意观测角的反射特性，它是入射角i,i、反射角r,r以及波长的函数。二、衍射因素光在传播时遇到障碍物，波面受到限制时会表现出波动性，从而偏离直线传播光路，这就是光的衍射。光波在实际传播时总会受到这样那样的限制。比如，光波通过光学系统传播，会受到系统有限大小光瞳的限制。所以，在光学系统中衍射现象是普遍存在的。在光学系统中，一般衍射孔径比波长要大得多，并且成像（或探测）面不会太靠近孔径，因此用标量衍射理论所描述的衍射结果与实际非常相符。1、光学系统中的衍射在光学系统中，当孔径和遮拦限制了光线传输的时候就会产生衍射。与散射光相比，衍射会随着离轴角的增加而迅速下降。尽管每一个光学系统中都会出现衍射现象，但是只有在红外光学系统中才是杂散光分析的关键部分。在光学系统中主要考虑两种衍射路径：单次衍射和三次衍射。单次衍射：来自离轴源的光束入射到孔径光阑的边缘，将产生单次衍射。衍射光线被系统聚集并扩散在整个焦平面上，用点扩散函数（PSF）来描述这一现象，PSF的最大值出现在点光源的几何像的中心位置，落在探测器上的外环衍射能量就是杂散光。三次衍射：由二次成像光学系统中的连续的光阑所产生的综合衍射叫做多次衍射。图3是衍射能量在普通光学系统中的传输过程示意图，第一次衍射发生在孔径光阑处，衍射形成的PSF最大值在离轴源的几何像的中心，图中A点位置。PSF的外环扩散在视场光阑的孔径处，在此产生第二次衍射，这样在孔径光阑的几何像处就形成了一个最大值在中心的PSF环，孔径光阑成像在利奥光阑的B点处。由于点光源是离轴的，25 北京理工大学硕士学位论文所以PSF环中心的能量并不是均匀的，但是对称分布的。比实际大小要小一些的利奥光阑可以阻挡PSF的衍射中心环，完善遮挡的光学系统都采用了这样的设计。从利奥光阑扩散出来的第三次衍射能量如图2-6中所示一样分布在探测器上，这使得探测器周围形成了一个中心能量最大的明亮的圆环，图中C点是视场光阑几何像的中心点。入射到探测器上的PSF环的能量是三次衍射效应产生的杂散光的总和。图2-6普通光学系统中的多次衍射2、衍射能量的抑制几乎所有的传输在三次衍射路径中的连续平面间的衍射能量，都起源于前面的孔径边缘。固定位相点(SPP)的位置跟光源和观察点的位置有关，位于孔径边缘的最小和最大光程差处。此处，光程差定义为光源到孔径边缘的光程与观察点到边缘的光程之差值。如果固定位相条件存在，大部分衍射能量则通过固定位相点传输。假如有一个固定位相点处由于遮挡没有入射能量，则探测器上的衍射能量减少一半。如果两个固定位相点都被遮挡了，那么即使孔径边缘大部分能被光源照射到，也只有很少的衍射能量能到达观测点。因此，可以通过找出固定位相点并采取相应措施尽量遮挡位相点的方法来抑制衍射能量[28,29]。三、热辐射在红外光学系统中，有些元件的温度相对较高，比如小电机、温控热源等，这些元件将会产生比较严重的热辐射，影响光学系统。因此，在红外光学系统中有必要对元件自身的辐射进行研究。红外光学系统中的元件自身辐射一般可以当作是灰体辐射，跟温度和波长有关。灰体的辐射形式跟绝对黑体的辐射形式相似，在研究灰体辐射的26 北京理工大学硕士学位论文计算方法之前应该了解黑体辐射的辐射定律和计算方法。1、发射率发射率是计算灰体辐射的关键参数，它也是温度和波长的函数。(1)发射率定义根据能量守恒定律，外来辐射入射到物体表面上时，将出现反射、吸收和透射三种过程，三种能量的百分比之和等于1，即：1（2-3）其中，为光谱反射率，为光谱吸收率，为光谱透射率。根据基尔霍夫定律，在一定的温度下，任何物体的光谱发射率在数值上等于它的光谱吸收率，即1(2-4)对不透明物体而言，0，而光谱反射率可以由双向反射分布函数通过积分确定fdri,,,irr,cosrr(2-5)r2则11fdri,,,irr,cosrr(2-6)r2(2)发射率测量由式(2-6)可知，发射率可以由双向反射分布函数BRDF确定。因此，发射率的测量问题也就转化为BRDF的测量问题了。将式(2-1)变换可得到dPdssAcossfri,,,irr,(2-7)PAi其中，P为入射光功率，A为入射光照射在材料表面的面积，为杂散光与反射is面法线的夹角，d为系统单位元对材料表面散射点的立体角，dP为系统单位元对ss27 北京理工大学硕士学位论文材料表面散射点立体角内的散射光强。当探测器像元面积很小时，式(2-7)可简化为Pssfri,,,irr,(2-8)Pcosis其中，d，即探测器像元对应立体角。dPP为探测器接收功率。于是ssssBRDF的测量转化成了PP,,,四个量的测量。ssis2、黑体辐射定律根据普朗克量子假说以及热平衡时谐振子能量分布满足麦克斯韦-玻尔兹曼统计，可推导出描述黑体辐射出射度随波长和温度的函数关系，即普朗克公式c11MT0,5(2-9)expcT21式中，c——第一黑体辐射常数，𝑐1=3.7418×10−16𝑊∙𝑚2。1c——第二黑体辐射常数，𝑐2=1.4388×10−2𝑚∙𝐾。2——波长，单位m。T——黑体温度，单位K。普朗克定律描述了黑体辐射的光谱分布规律，揭示了辐射与物质相互作用过程中和辐射波长及黑体温度的依赖关系，是黑体辐射理论的基础。在全波长内对普朗克公式积分，得到黑体辐射出射度与温度之间的关系，即斯蒂芬-玻尔兹曼定律4c144MT00M,Td4TT(2-10)015c2式中，——斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σ=5.6696×10−8𝑊∙𝑚−2∙𝐾−4。斯蒂芬-玻尔兹曼定律表明黑体在单位面积单位时间内辐射的总能量与黑体温度T的四次方成正比，可以用来估算辐射源的辐射功率。3、黑体辐射计算由于大多数探测器都是在一个或多个波段内工作，因此，计算某一波段内的总辐28 北京理工大学硕士学位论文射出射度具有实际意义。利用普朗克公式的简化形式，可得出另一黑体函数zx，用于计算给定温度T下黑体在规定波段，内的辐射出射度。引入相同的x和y，有1222yxM00,,TdMTdfxdfxd1100gzyzx(2-11)4M0,TdTfxd005xx其中，zxfxdfxd，fx142.32，则黑体在00exp4.9651x1，波段内的辐射出射度为1224MTM0,TdzyzxT(2-12)1综上所述，黑体的辐射出射度可以按照下面的步骤来计算：(1)由2898T确定mm(2)求出x和y，查黑体函数表得到zx和zy1m2m(3)利用式(12)计算出黑体在,波段的辐射出射度124、灰体辐射计算在对地观测光学系统中，产生自身热辐射的元件一般可以看作是灰体辐射源，因此，计算灰体的辐射出射度具有实际意义。2MTM,Td(2-13)01式(2-13)就是灰体辐射的一般计算公式。式(2-13)中，M为黑体辐射出射度，为光谱发射率，T为温度，单位K，为0波长，单位m，M为灰体在波段,内的辐射出射度。12在光学系统中，辐射源大多是高于绝对温度的光学表面或结构表面。如图2-7所示，在辐射源表面上取微小面元ds，该微小面元的辐射出射度dM可以按式(2-13)计算，则该微小面元在指定12,波段内的辐射功率为de2ddMdsd(2-14)e129 北京理工大学硕士学位论文在整个辐射源表面上对d积分得到辐射源的辐射功率为eedds(2-15)eeSdedsS图2-7面光源辐射功率示意图四、辐射传导理论杂散辐射抑制的理论基础来自于辐射传导理论，辐射传导理论集中探讨了电磁辐射传播的直线性、波动性和量子性。从长波到微波，辐射传播主要表现为波动性；而短波时，主要表现为直线性。分析光学系统的杂散辐射时，一般忽略光的衍射效应。因为，对于入瞳直径为D，入射光的波长是，则该光学系统的衍射角近似为D一般光学系统的孔径尺寸D较大，因而衍射角很小，所以常忽略衍射效应的影响，用几何光学的方法来确定辐射能传播的轨迹。辐射度学中假定辐射能是不相干的，因而不必考虑干涉效应，对于一般的光学系统应用的波段范围很大，使得干涉效应可以忽略不计。辐射度学大都建立在几何光学的基础上，即辐射能在传播过程中，其空间分布不会偏离以一条由几何光线所确定的光路。对于杂散辐射分析来讲，主要是利用几何光学的直线传播理论，来分析光线在系统中的分布情况，这也是目前所有杂散光分析软件基于几何光学设计的理论基础。基于辐射能传输的几何光学基础的光线概念，为辐射度学全面描述辐射能的传播和传输过程提供了许多最简单而又最有效的方法。光线被定义为几何波前的法线，几30 北京理工大学硕士学位论文何光学光线是能流的方向。图2-8表示在均匀的各向同性介质中非相干辐射能的单元光束。单元光束由确定的一条中心光线和一小束光线组成。这一小束光线，包括着通过绕中心光线构成面元dA和dA的所有光线。12θ1θ2中心光线dA1dA2rdΩ1dΩ2图2-8辐射能单元光束根据定义dAcos22d(2-16)12rdAcos11d(2-17)22r设面元dA的辐亮度为L，如果把面元dA看作光源面，面元dA看作接收面，则1112由面元dA发出，面元dA接收的辐射通量为：122dA2cos2dLcosdAdLcosdA(2-18)1211111112r由辐亮度定义可得到面元dA的辐亮度L为：2222dd1212L(2-19)2dA2d2cos2dAcosdA1cos1222r由式(2-18)变形可得31 北京理工大学硕士学位论文2d12L(2-20)1dAcos22dAcos112r由式(2-19)、式(2-20)可知，LL。12可见，在均匀的各向同性无损介质内传播的光线，其单元光束的辐亮度处处相等。由于在无损介质中辐亮度守恒，所以可方便地用辐亮度的降低来表征由于介质内的吸收和散射所引起的损失。利用光线和辐亮度的概念，可以计算从辐射源表面到接收表面的辐射能传输，如图2-9所示。这里假定，在两表面间充满均匀的各向同性介质，而且介质是无损的。从辐射源表面A传输到接收表面A，A所接收的总辐射功率，按式(2-18)计算得到122coscos12LdAdA(2-21)12AA121212r12式中，r是面元dA和dA间的距离，此式所示的功率线性相加，认为从不同面1212源来的辐射成分是不相干的。θ1rdA122dA1θA22A1图2-9辐射能的传输功率从面A传输到另一面A的基本方程为式(2-22)，对于从某一位置到另一位12置功率传输方程变为其微分形式cosdAcos122dLdA(2-22)2112r12这个方程可以被变形为下面三种形式来描述散射辐射32 北京理工大学硕士学位论文LcosdAcos1122dEdA(2-23)212Er12dBRDFddcos(2-24)21121dBRDFdGCF(2-25)2112其中，E是面元dA的辐照度，GCF等于从面元dA到面元dA的投影立体角除11212以，BRDF是双向反射分布函数，独立于入射功率和其它项，只是表面特征的函数，GCF也是个独立项，它决定于系统的几何结构，被称作几何结构因子。为了减小杂12散辐射，只有减小式(2-25)中的每一项的贡献才能实现，如果某一项变为零，则由面源来的杂散辐射被消除。在式(2-25)中只有GCF可以被减小到零，首先应受到关注，12在杂散光分析中至关重要。由式(2-23)、式(2-25)可知cosdAcos122GCF(2-26)2r122从式(2-26)可看出，着手改变GCF中的每一个因子，如增加r,,或减小区域1212dA，都可以达到减小GCF的目的。这是对光学系统进行杂散辐射逻辑分析的数学基2础，杂散辐射分析和抑制都与其息息相关[30,31]。五、光学系统中的能量传输模型图2-9所表示的源面到接收面的能量传输几何结构形式，可以扩展到光学系统中来。每一个源面到接收面的传输过程仅是杂散辐射在光学系统中传输的一个子段。每一个接收面上的总能量就变成了向下一级接收面所传输的源面的能量，直到探测器变成接收面的时候这一源面到接收面的能量传输过程才能结束，把每个子传输过程的探测器上的能量累加起来就得到了探测器上总的杂散辐射能量值。值得注意的是，在每一个传输子段中的接收器都能接收到来自大量源面和相关源面部分的能量，而照明表面所接收的大部分能量是来自一个源面，即系统外的离轴光源，探测器则从所有的关键表面接收能量。图2-10表示在光学系统中按源面到接收面的分段能量传输过程。33 北京理工大学硕士学位论文图2-10光学系统中的能量传输示意图由辐射传导理论所推导出的探测器接收到的杂散光功率公式为：BRDFGCF(2-27)collectorpowersourcepowersourcesourcecollector从上面的论述看出，到达探测器上的功率有下面几个因素决定：(1)来自杂散光源的功率sourcepower(2)表面散射特征BRDFsource(3)光学系统的几何结构因子GCFsourcecollector2.3.3杂散光水平评价方法用来衡量系统杂散光水平的评价方法有很多，彼此之间的差异很大，适用的范围也不同。工程实践中常使用光线追迹软件来仿真分析系统的杂散辐射，大多情况下是每个工程师根据自己的习惯选择一种衡量杂散光水平的指标作为仿真的输出结果，这就造成采用不同评价指标的输出结果之间不具有可比性，失去了相互验证之功能。因此，有必要提出一个适合软件输出的、统一的杂散光水平评价方法。综述文献资料，杂散光系数和点源透射率是被常用于衡量光学系统杂散光水平的两个评价方法，杂散光系数是杂散光实验测量最常用的结果表示方式，点源透过率是杂散光分析软件常用的输出结果形式。一、杂光系数通常实际的光学系统通常具有一定的杂散辐射抑制能力，这种能力常用杂光系数（）来描述。杂光系数定义为像面或者探测器表面接收到的杂散光通量与像面或者34 北京理工大学硕士学位论文探测器表面上的总光通量（包括目标光线通量和杂散光通量）之比，数学表达式为Ess(2-28)EEsoso其中，E——像面或者探测器表面接收到的杂散光的光通量sE——像面或者探测器表面接收到的目标光束的光通量o——经非正常光路到达像面或者探测器表面的光线比例s——经正常光路到达像面或者探测器表面的光线比例o这里，正常光路是指镜头设计者制定的理想光线传播路径，经这种光路到达像面的光线是目标的有效光线；如果到达像面的光线不是经过上述定义的正常光路进行传播的，就认为是经非正常光路传播的，这种光线就是杂散光。到达像面的光线数与光源发射光线的总数之比称为像面接收的光线比例。从定义可知，杂光系数的数值越小，则表明系统相机的杂散辐射抑制能力越强。在用杂光分析软件计算对地观测系统相机的杂光系数时，通常有几个因素会对计算精度产生影响：(1)热物性参数的不确定性，比如反射表面的吸收率、透射元件的折射率和透射率等参数在计算过程中所用的值与实际值存在偏差；(2)光机系统结构简化造成的误差，为了降低模型复杂度、减少计算时间会简化相机的实际结构，这对计算精度也会产生影响；(3)实验条件的限制将对计算精度产生影响。需要指出的是，当用测试仪器来测量一个已装调好的相机的杂光水平时常使用杂光系数来衡量。从杂光系数的定义可知，计算杂光系数需要把杂散光引起的像面光通量与目标引起的像面光通量区分开来，但是从实际操作来讲，这是很难办到的，有些情况下几乎是不可能的，比如部分目标光束也会经过非正常光路到达像面，那么这部分光线即使是从目标发出的但也属于杂散光。而且，用不同的测试仪器测出的同一台相机的杂光系数，或者同一测试仪器多次测量同一台相机的杂光系数往往不完全相同，总是存在一些偏差，实际测试过程中也是采用多次测试取平均值的方法。因此，杂光35 北京理工大学硕士学位论文系数这一衡量相机系统消除杂散辐射能力的指标适用范围很小，很难推广，不便在杂光分析软件中实现，只能作为相机系统消除杂散辐射能力的一个定性分析，而不能作为定量计算。二、点源透射率光学系统对轴外点光源的杂光抑制能力通常用点源透过率（PST）来衡量，其定义为：离轴角为的点光源经过光学系统在探测器上形成的辐照度E与光源在光d学系统入瞳处的等效辐照度E之比，数学表达式为iEdPST(2-29)Ei点源透过率是一个可测的能够表征光学系统消杂光水平的指标，它与点光源的辐射强度无关，与探测器和系统入瞳的尺寸也是无关的，而且结果是个无量纲的数值。通过测得离轴点源在系统入瞳和探测器上的辐照度，便可根据式(28)计算得到点源透过率的值。实际使用中光学系统杂散辐射抑制水平的指标存在以下几点不足：(1)适用范围有限，比如杂光系数大多用于测量仪器测量实物光学系统的结果，衍射抑制比只能描述完善遮挡的光学系统的衍射抑制能力。(2)参数量不方便确定，比如点源透射率要求计算光学系统入瞳处的辐照度，而对于有些光学系统来说，入瞳所在的位置是非球面镜面或没有实面，入瞳处的辐照度不方便计算，还有些指标需要计算入口处的参数量，而有的光学系统入口并不好定义。(3)参数选择不太合理，比如点源能量透过率和点源抑制比都是把入口和像面上的能量作比较，能量受影响的因素较多，当系统其他条件不变而入口位置不同时，即使系统的杂光水平没有变化，计算的结果可能也会有差异。基于上述考虑，在点源透过率(PST)的基础上作者提出了改进的点源透过率评价指标，称为APST(AdvancedPointSourceTransmittance)，定义为离轴角为的光源经光学系统在像面（焦平面）上形成的辐照度E与光源在光学系统遮光罩入口f处的等效辐照度E之比，数学表达式为e36 北京理工大学硕士学位论文EfAPST(2-30)Ee根据目前大多数学者计算光学系统杂光水平实际采用的方法，该定义中的光源可以是点光源、grid光源或者面光源等形式；入口明确定义为光学系统遮光罩入口面，如果系统没有遮光罩，入口则定义在距离光源最近的系统第一面处，计算的时候确保每一个离轴角下光源光束覆盖整个入口面，使得入口面处的辐照度形成均匀分布；如果光学系统是轴对称的，则APST只包含一个自由度天顶角，如果是非轴对称的，则还需要考虑方位角的影响；定义中采用辐照度的比值，消除了入口面或者像面大小对计算结果的影响。三、杂光系数与点源透过率的关系dSrddr12lA0图2-11亮度均匀光屏在系统入口处的辐照度如图2-11所示，将亮度均匀光屏上的每一个微小面元dS当作PST计算中的点光源，dS是光屏上半径为r的环带上的面元，dSrdrd(2-31)令该面元与光学系统入口中心连线和系统光轴的夹角为，光学系统的透过率为，则由PST的定义，该面元在系统像面上引起的辐照度为dEdiPSTdE(2-32)由于光屏亮度均匀，因此可将光屏视为朗伯面，令垂直于该面元的光学系统入口37 北京理工大学硕士学位论文对该面元所张的立体角为d，面元dS的辐射亮度为L，那么，根据辐射度学理论，将式(2-31)在整个环带上积分，可计算出离轴角为的入射光在像面上的照度2EdPSTLsindd2LPSTsind(2-33)0若，光屏上黑斑对光学系统入口中心的角半径为，那么此时光屏在像面上的照0度为22EEd2LPSTsind(2-34)Bd00上式中的辐照度E就是光屏上有黑斑时像面上的辐照度。B在计算光屏上无黑斑时像面上的辐照度之前，假设被测光学系统的焦距为f，相对孔径为1F，像方孔径角为U，入瞳直径为D，光屏的辐亮度为L，根据辐射度学理论可以计算此时光学系统像面中心的辐照度2ELsinU(2-35)对于摄影物镜和望远物镜，相对孔径Df2sinU，所以无黑斑的光屏在像面上的辐照度为LE(2-36)24F根据定义，杂光系数可以写成22LPSTsind2EB028FPSTsind(2-37)2EL4F0式(36)给出了杂光系数与点源透过率PST之间的函数关系[32,33]。2.3.4红外观测系统的内杂散辐射现代科学的触角已经延伸到宇宙航空航天观测系统的深处，美国NASA为深空探测而研究宇宙的起源已经发展了一系列的科学项目，低温红外新型航空航天观测系统是保证这一项目取得成功的关键技术之一。抑制系统的内外杂散辐射，提高系统的信38 北京理工大学硕士学位论文噪比是低温红外对地观测系统获得高灵敏度性能的有力保障。因此，需要在光学系统基本定型后详细分析各系统对内外杂散辐射的抑制能力，同时对分析中遇到的各种杂散辐射提出有效的抑制措施，对光学系统和结构不合理的设计提出修改建议。为了对系统的内辐射进行分析，需要以各元件作为辐射源单独进行热辐射分析，把所有暴露在光路内或者能进入光路的元件都分别作为辐射源计算其在探测器上的杂散辐射分量，最终将所有辐射分量累加计算出由于系统自身热辐射产生的杂散辐射在探测器像平面上的杂光系数。其中，当某一元件作为辐射源时，其他元件仍作为光学元件或结构元件，它的表面属性跟外杂散光计算时的属性相同。2.4软件支持1、TraceproTracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射度分析及光度分析的光线模拟软件。它是第一套以ACISsolidmodelingkernel为基本的光学软件。TracePro具备以下这些功能：处理复杂几何的能力，以定义和跟踪数百万条光线；图形显示、可视化操作以及提供3D实体模型的数据库；导入和导出主流CAD软件和镜头设计软件的数据格式。本论文中将Tracepro用于卫星表面光线追迹。2、3DsMax3DsMax是目前很流行的三维动画制作软件，特别是其中强大的建模功能，可以创建各种人们想要的虚拟三维效果，被广泛地应用于影视特效、建筑设计、机械制作等多个方面。任何一个三维效果的制作，都必须先创建模型。模型是最终效果图制作的基础，准确、精简的创建模型是效果图制作成功最根本的保障。3DsMax具有很多优势。（1）性价比高首先3DsMAX有非常好的性能价格比，它所提供的强大的功能远远超过了它自身低廉的价格，一般的制作公司就可以承受的起，这样就可以使作品的制作成本大大降低，而且它对硬件系统的要求相对来说也很低。39 北京理工大学硕士学位论文（2）上手容易其次3DsMAX的制作流程十分简洁高效，可以使你很快的上手，所以只要操作思路清晰上手是非常容易的,后续的高版本中操作性也十分的简便，操作的优化更有利于学习。（3）使用者多，便于交流再次在国内拥有最多的使用者，便于交流，教程也很多，随着互联网的普及，关于3DsMAX的论坛在国内也相当火爆，这样如果有问题可以大家一起讨论，比较方便[35,36]。本论文中将3DsMax用于对卫星进行建模并仿真其不同姿态，建立姿态数据库。2.5本章小结本章主要叙述了仿真实验方案的设计，从杂散辐射的概述、杂散辐射的基础理论、杂散光水平评价方法和红外观测系统的内杂散辐射几部分分析了空间杂光对仿真的影响，并介绍了所使用的3DsMax软件和Tracepro软件，为下一步的建模仿真工作提供里理论依据。40 北京理工大学硕士学位论文第3章卫星的建模仿真在本项目中，需要模拟两个航天器在不同方位、不同距离下的真实图像，因此首先需要建立航天器的模型。本文所模拟的航天器为SINOSAT-2卫星。3.13DMAX中卫星建模一、内置模型建模的运用本论文中所采用的内置模型指的是3DMAX软件所提供的“标准几何体”和“扩展几何体”，它们本身就已经是一些简单的形状，也可以说是创建某些复杂模型的分解形状，建模时可以将这些内置模型进行组合，形成最终想要的三维模型。这种建模方式适用于比较直观简单的模型，是三维建模技术中最基本、最简单的一种方法，也是初学者最容易掌握的一种方法。当然，如果制作者对复杂模型的拆分想象能力很好，也可以用这种方法创建复杂模型的雏形。本论文中的地球轨道模型和卫星模型中就用到了这种内置模型，如图3-1所示为内置球体模型。图3-1内置球体模型二、二维线条建模的运用本论文中采用了二维线条建模。二维线条建模指的是利用二维图形(如直线、矩形、圆形、多边形等)，再配合使用一些命令（如编辑样条线、挤压、旋转、倒角等），使线条产生一种三维实体的建模方式。这种建模方法较多的用于三维建筑效果制图中，例如房屋框架的创建、室内装饰物的创建等。使用这种方法建模有一个优势：修改时41 北京理工大学硕士学位论文比较方便。因为二维图形是平面的，平面图形的节点有限，比较好控制，利用二维线条创建出来的三维模型，修改时经常会通过修改节点来达到满意的效果[37,38,39]。本论文中的卫星轨道模型以及太阳轨道模型的创建过程中，运用到了二维线条建模。三、三维造型建模的运用本论文中运用三维造型建模的方法创建了卫星的三维模型。在三维效果的实际制作中，单纯运用以上两种方法建模的实例其实很少，采用三维造型建模才是应用最广泛的一种方法。三维造型建模比较常用多边形网格、面片、NURBS几种方式来创建复杂模型。因此又可分为：多边形建模、面片建模和NURBS建模。1、多边形建模论文中采用的多边形建模是最为传统和经典的一种建模方式，在三维建模中应用的最多。它使用的主要命令是EditableMesh（可编辑网格）和EditablePoly（可编辑多边形）。可编辑网格是将任意形状划分若干个三角面（三角面的多少决定了最终效果的精细程度），通过这些三角制作较为复杂的三维模型。这种建模方法兼容性极好，相对于其他建模方法制作出的模型是占用系统资源最少的，运行速度最快的，适合创建复杂模型。制作时一般将“编辑网格修改器”和“平滑网格修改器”结合使用，对模型的点、线、面编辑操作，以提高模型表面的平滑度和精度，因此也要求制作者有很好的空间控制能力。可编辑多边形与可编辑网格命令操作相似，是在可编辑网格命令基础上发展起来的，它是将任意形状划分若干个个四边形的面（四边形的面的多少也决定了最终效果的精细程度），其他的操作方法基本相同。多边形建模的优势：可以使最终模型的网格分布稀疏得当，网格密度控制良好，在后期修改时简单方便，是高效的模型创建工具，操作比较方便，学生极易上手。劣势：一是虽然能很好控制模型表面的平滑度和精度，但是对于边缘尖锐的曲面效果不理想。二是不论是三角面还是四边形的面，建模时都无形中增加了模型中的调节点，所以要求制作者必须在制作模型时，要熟练合理的划分网格，这对初学者而言，会有一些难度。2、面片建模论文中采用的面片建模是在多边形建模的基础上发展来的，但相对的又是一种独42 北京理工大学硕士学位论文立的建模类型，因为面片建模是根据样条线边界形成的Bezier（贝塞尔曲线）表面，对模型表面弹性的控制比多边形建模要好。制作时经常使用“横截面修改器”和“表面修改器”。“横截面修改器”可以自动根据一系列样条线创建样条线构架，并在样条线节点间创建交叉的样条线，从而形成合法的面片构架。“表面修改器”用来创建面片表面，分析样条线构架，并在满足样条线构架要求的所有区域创建面片表面。3、NURBS建模论文中采用的NURBS建模即非统一有理B样条，是建立在数学原理的公式基础上的，专门用来制作曲面物体的一种建模方法。NURBS建模是由曲线和曲面来定义的，由曲线组成曲面，再有曲面组成立体模型，曲线有控制点可以控制曲线曲率、方向、长短。制作时再配合放样、挤压和车削等操作，就可以创建各种形状的曲面物体，尤其是复杂的有机曲面对象。因此常用它做出各种复杂的生物表面和呈流线型的工业产品的外观，如人的皮肤，面貌或流线型的跑车、飞机等，而不适合创建规则的机械或建筑模型。使用NURBS建模时，创建曲面的边界曲线尽可能简单，一般情况下，曲线阶次不大于3；曲面要尽量简洁，面尽量做大，但曲面的张数要尽量少；根据作品不同部位的形状特点，合理使用各种曲面特征创建方法，尽量采用实体修剪，再采用挖空方法创建薄壳零件。4、合成建模的运用本论文中采用的合成建模是将两个或两个以上的三维物体组合形成的，具体操作时会产生某种运算，通过运算将多个模型组合成一个三维实体。其主要方式有loft（放样建模）和Boolean（布尔运算）。（1）放样建模放样是在二维建模的基础上产生的一种建模方式。制作时至少需要两个或两个以上的二维曲线：只有其中一个用于做放样路径，定义放样物体深度；其他的都用于做放样截面，定义放样物体形状。路径可以是开口的也可以是闭合的图形，但必须是唯一线段。截面也可以是开口的或闭合的曲线，在数量上没有任何的限制，截面沿着路径放样形成三维物体，在路径的不同位置可以有多个截面。放样物体修改起来也很方43 北京理工大学硕士学位论文便灵活，可以通过设置其表面参数、路径参数和外表参数，还可以通过使用缩放、倾斜、拟合等方法对放样出来的模型进行修改和变形，在生成复杂模型的同时使放样物体更逼真。在现实生活当中有很多模型都是用这用方法做的,如窗帘、桌布、机器零件、装饰物等的造型。（2）布尔运算布尔运算是一种对象合成逻辑计算方式，这种逻辑方式可以使对象之间进行并集、交集、差集的运算。并集指的是两个物体变成一个物体，即将两个物体进行融合，并集的结果可以保留两个原始对象的体积，并移除原始对象的相交部分或重叠部分；交集是并集的反向操作，指的是将两个原始对象的相交部分保留，不相交的部分删除；差集在执行时首先要确定哪个是要保留的物体，哪个是要减去的物体，然后执行命令，要保留的对象继续保留，减去的对象消失，同时两个对象相交部分的体积也将去除。在三维效果制作中常使用布尔运算进行挖槽，吊顶、开洞等效果的制作[40.41.42]。运用上面的功能，对卫星进行了建模，所建立的模型如图3-2～3-5所示，其中图3-2是卫星的顶视图，图3-3是卫星的前视图，图3-4是卫星的左视图，图3-5是卫星的透视图。图3-2卫星顶视图44 北京理工大学硕士学位论文图3-3卫星前视图图3-4卫星左视图45 北京理工大学硕士学位论文图3-5卫星透视图3.2建立卫星轨道模型建立了卫星模型后，还需要建立卫星运行的轨道模型。卫星轨道是一个椭圆轨道，轨道长轴为44378km，短轴为44377km。因此，在3DsMAX中建立长轴a=44378km，短轴b=44377km的椭圆卫星轨道，椭圆的长短轴交点为坐标原点，地球位于轨道焦点处，由c=√𝑎2−𝑏2，得到c=298km,即地球坐标为（298，0）。为了将轨道导入合并到卫星模型中，将卫星所处坐标设置为（44378，0），然后在卫星模型的场景中打开卫星轨道的模型合并到当前场景，如图3-6所示。46 北京理工大学硕士学位论文图3-6卫星轨道3.3建立太阳模型在本项目中，太阳是一个杂散辐射光源。太阳相对于卫星的方位和角度会产生不同的杂散光，因此，也必须建立太阳的模型。在3DMAX程序中的所有灯光，都是模拟现实世界中的一种灯光模式。比如Omni程序模拟的是太阳光或者烛光；TargetSpot模拟的是探照灯或者是手电筒的模式。而这些所谓的烛光，太阳光等都能任意控制。可以打开，可以关闭。而且还可以通过调节光源的大小、位置以及形状来调节灯光的颜色。同样关闭或者打开影子，然后设置将影子边缘的柔度进行设置，设置某些无可能被所有的灯光照明。最重要的就是设置在某一范围内，使用很暗的光，来吸收其余多余的光。MAX的第一个特性就是Exlude功能。这个功能可以很好的确定场景中有哪些物体受到灯光影响，哪些不受灯光的影响。Multiplier又叫倍增器，这是一个类似于灯的调节器。当倍增器的值大于1的时候应该增加光的亮度，而小于1的时候，应该减小光的亮度。当倍增器的值变为负数的时候，光实际将从场景中减去一定的亮度。当值为负数时，通常是为了使局部出现暗的效果。倍增器这时候应该放在内部的某个角落里，使其变暗，这样就可以实现其他光很难实现的特别效果。而且倍增器还可以将场景中出现的多种光使用大致相近的颜色进行维护[43~45]。47 北京理工大学硕士学位论文（1）3DMAX灯光的打法在我们熟知的3SDMAX软件中，两盏灯默认的照明分别是+X、+Y、—Z和—X、—Y、+Z，因此施工人员一点在场景中设立的灯光，那么这两盏灯将全部关闭。MAX可以使用摄影的领域里的几种照明类型。在摄影里，三角形照明的方法是基本的一种照明方式，之所以成为三角形照明，主要是因为它使用了三个光源，分别是主光、背光、辅光三种。在三者中，主光的亮度最大，是用来照明绝大部分的场景常常用作投射阴影。背光的作用是将场景中的对象，从背影的角度进行分离，而且还起到将场景的深度展现出来，背光常常用于场景对象的后上方位置，而且背光的强度不大于主光的强度；最后是辅光，辅光的位置常常被安排在摄影机的左边，主要作用是补充主光没有照到的地方，防止出现黑色区域。很好的控制了整个场景中灯光最强的地方与灯光最弱的地方的对比度，在辅光的使用过程中，暗辅光可以增加两者的对比度，而亮辅光则产生与主光平均的照明效果。加入一个很大的场景无法使用三角形照明的方法的时候，就应该采用区段照明的方法，来照明每个区域。在所有的区域选择以后，就可以使用基本的三角形照明法。在场景的设置中，难免会出现拥有强烈反射性的金属材料，这个时候工作人员应该使用包围的方法，将灯光打在金属材料的周围，这样可以更好的展现金属的质感，这种包围的打法在灯光使用中是比较少用的一种方法。（2）3DMAX灯光打法的影响灯光的特效性质，会对场景产生很强烈的影响。强度很大的直射光是来自点光源，刺目的直射光源会形成强烈的反差，而且还可以根据直射光的照射方向，可以使场景中的深度感和质地感增强或者降低。与刺目折射光相反的光源是柔和的光，柔和的光主要是产生昏暗、模糊的光源，柔和的光源可以减少反差，而且光的方向也可以直接影响场景光的形成，而柔和的光没有指定的方向，而是很轻柔的散发到四面八方的各个角落。而刺目的直射光将没有这个特性，直射光有特定的三个方向，分别是：正面光、逆光以及测光。直射光产生的正面光很刺眼，起到因其别人注意的效果。与柔和光形成强烈对比的时候，这种效果更加明显，但是这种灯光效果也有缺点，那就是直射光会使场景丢失阴影是场景的整体效果缺乏透视感；逆光也会产生的灯光反差也很大，可以使物体的轮廓很好的展现出来；测光的作用是使场景出现横贯画面的一种场48 北京理工大学硕士学位论文景，这样会使物体的质感更好的表达出来。3DMAX中的灯光遵循三点布光的原则：（1）主体光主体光的主要作用是照亮场景中周围环境以及主要的人物与事物，起到照射总体效果的作用，而且还承担着给场景主体投影的功能。整个场景的明暗效果是由主题光确定，而且还涵盖了对象投影方向。主题光的作用有时不仅只是使用一盏灯来实现，例如主光灯的位置置于15度与30度之间，这种主光成为顺光，主光灯在45度与90度之间，叫测光，同理在90度与120度之间为侧逆光。在灯光的布置中，主体光的表现通过聚光灯来实现。（2）背景光在三点照明中背景光有菏泽增加场景背景亮度的作用，这样可以更好的衬托主体，是主体的效果更加明显，而且将主体与背景很好的分离。在采用背景光的灯光时，一般采用泛光灯，背光灯的亮度不应该太亮，相反灯光暗一些效果更好。（3）辅助光辅助光在三点照明中又称补光。工作人员使用聚光灯去照射扇形的反射面，这样会形成柔和的光源，拥有均匀。非直射的特性。辅助光的主要作用是填充场景中的阴影区和主体光照射不到的地方。，同时是明暗区域的反差降低，使场景拥有更好的层次以及景深。而且辅助光拥有均匀、广泛布光的特性，为整个场景打上了一层底色。使场景的效果更明显[46~50]。从“创建”面板的系统类别可以访问“太阳光”和“日光”系统，创建能模拟指定地理位置日期、时间和指南针方向的太阳光的灯光。要创建这两种系统之一，可以打开“创建”面板，单击“系统”类别按钮，然后单击“太阳光”或“日光”按钮，在视口中拖动鼠标，会出现“指南针”辅助对象。再次单击，创建表示太阳的“平行光”或“天光”。使用这一方法尝试模拟太阳光主要是考虑到要模拟全天时卫星运动轨迹，但是这一方法无法做到模拟外太空太阳照射卫星的情况，所以考虑使用其他方法。在灯光的创建面板内，可用的灯光被分为两个子类：“标准”和“光度学”。其中49 北京理工大学硕士学位论文“标准”灯光包括泛光灯、目标聚光灯、自由聚光灯、目标平行光、自由平行光、天光以及两种与mentalray同时使用的区域灯光。其中泛光灯易于建立与调节,不用考虑是否有物体在范围外而不被照射。根据需要对各种灯光进行尝试之后，选择使用泛光灯模拟太阳光。因此，在3DMAX中仿真太阳光的步骤如下。首先，建立太阳模型。已知，太阳长轴149600000km，短轴14958000km，半径696300km。在3DMAX中建立太阳模型，如图3-7所示。然后将太阳的贴图给100的自发光，在太阳球心放置一个泛光灯，使用光线跟踪阴影模式。图3-7太阳模型图太阳模型创建步骤：（1）创建球体，半径为R=696300km，应用亮黄色材质。（2）创建“辅助对象”“大气装置”“球体Gizmo”，在前视窗口中拖动以形成一个球体，使其包围太阳球体。（3）选择“球体Gizmo”,打开“修改”面板并单击“大气和效果”对话框中的50 北京理工大学硕士学位论文“大气”卷展栏中的“添加”按钮。从“添加大气和效果”对话框中选择“火效果”并确定。然后选择“火”效果并单击“设置”。（4）在“火效果参数”中，将“内部颜色”设置为黄色、“外部颜色”为红色、“烟雾颜色”为黑色。为“火焰类型”选定“火舌”并将“拉伸”值和“规则性”值设置为1.把“火焰大小”设置为30，“密度”的值设置为15，“火焰细节”的值设置为10，“采样数”的值设置为15。（5）进行渲染，得到太阳模型。图3-8太阳轨道示意图如图3-8所示，建立太阳轨道，黄赤交角为23°26′，轨道倾角为4.949°，因此黄道和卫星轨道平面夹角为23°26′-4.949°=18.484°。图3-9卫星轨道以及相机的位置51 北京理工大学硕士学位论文3.4本章小结本章主要介绍了在3DsMax中通过各种建模方法建立卫星的三维模型、建立卫星运行的轨道模型、建立太阳模型以及太阳的轨道模型，并将轨道模型合并导入卫星模型中,在了解了不同的灯光打法和对比了不同的灯光系统之后，选取了合适的灯光系统来模拟太阳光，从而进行下一步的仿真。52 北京理工大学硕士学位论文第4章二维图像获取及处理4.1引言在3DsMax中完成卫星建模、卫星轨道建模、太阳建模、太阳轨道建模之后，再通过在不同位置设置敏感器相机，来捕获卫星的位姿图像。4.2原理方法如图4-1所示，为目标航天器和对接航天器上的相机处于某一位置时的左视图。通过公式x2y2+=1,(x−a)2+y2=d2（4-1）a2b2可得摄像机的不同位置坐标,其中a为卫星轨道长半轴长，b为卫星轨道短半轴长，a=44378km，b=44377km,d为不同位置到卫星的距离，x、y为坐标。得到以下不同位置卫星图像。在卫星轨道上不同位置建立相机。图4-1卫星与相机示意图53 北京理工大学硕士学位论文4.3不同位姿卫星图像通过改变相机位置和视场角观察目标卫星的图像，渲染，获取不同位置卫星的图像。XYZ轴方向如图4-2所示。图4-2卫星XYZ轴示意图（1）对接航天器与目标航天器距离13km（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）54 北京理工大学硕士学位论文图4-313km处捕获卫星图像（2）对接航天器与目标航天器距离10km（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）及自然绕飞（轨道10km5km）55 北京理工大学硕士学位论文图4-410km处捕获卫星图像（3）对接航天器与目标航天器距离1.8km（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）56 北京理工大学硕士学位论文图4-51.8km处捕获卫星图像（4）对接航天器与目标航天器距离100m（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）57 北京理工大学硕士学位论文图4-6100m处捕获卫星图像（5）对接航天器与目标航天器距离50m（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）及强迫绕飞（半径50m）58 北京理工大学硕士学位论文图4-750m处捕获卫星图像（6）对接航天器与目标航天器距离8m（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）59 北京理工大学硕士学位论文图4-88m处捕获卫星图像（7）对接航天器与目标航天器距离5km（-x轴对地，+z轴指向轨道速度方向）60 北京理工大学硕士学位论文图4-95km处捕获卫星图像可见，本论文采用了3DsMax中建立卫星模型、设置相机捕获不同位置的卫星图像的方法，顺利得到了目标卫星不同位姿的二维图像，利用这些不同距离处的图像，就可以给敏感器提供准确的定位依据。4.4交会对接地球反照成像建模及逼近段合成图像模拟从表面上看，外部环境光包含各种杂散光源如太阳直射光、目标航天器前端面反射的太阳光、地球反照以及星光等，但综合实际情况，可主要模拟反射背景光成像(前端面反射太阳光后在像面上所成的像属于一类非目标成像)以及地球反照成像，理由如下：(1)实际的对接操作避开了太阳直射的情况，因为太阳此时变成了强光源，会引起探测器的饱和。(2)目标航天器前端面反射的太阳光在成像像面上形成的一类非目标成像损害了目标标志灯的信号，增加了目标图像的识别难度，尤其是对接环、导向瓣等反射太阳61 北京理工大学硕士学位论文光所成的像。因而，这一类非目标成像需要重点予以考虑。(3)当光轴与圆轨道切向夹角成0时，地球反照在CCD像面上的背景辐照度可达1.43×10−4𝑊𝑚2，而相机内部的热辐射在T=250K、波段2.62μm-2.78μm和内壁吸收率为0.95时热辐射背景辐照度可达1.60×10−6𝑊𝑚2。另外，热辐射属于二级杂散光路径成像，其能量衰减主要与光机内壁的吸收率以及温控系统的能力有关，热辐射能够进一步得到抑制。因而，可分析地球反照成像而忽略相机内部热辐射的影响。因而，反射背景光和地球反照成像占据了阳照区交会对接光学成像敏感器的非目标成像的主要分量。在正常交会对接条件下，地球反照并不出现在遮光罩的视场内，但地球反照从遮光罩的边缘进入，通过衍射、散射进入相机视场，并最终在焦平面上形成背景辐射。地球反照有两种途径进入相机成像：(1)太阳辐射在地球表面直接反射至遮光罩入口，然后经过遮光罩的衍射、散射进入相机视场。(2)太阳辐射在地球表面反射至前锥段表面，然后经过表面散射，有一部分直接经过相机在焦平面上成像，有一部分从遮光罩入口衍射进入相机的则忽略不计。因而，需要建立以上两类地球反照模型。62 北京理工大学硕士学位论文图4-10近距离5m非目标成像图4-11地球反照经前锥段反射到达相机焦平面的成像63 北京理工大学硕士学位论文图4-1215m位置时的合成图像图4-13近距离5m位置时的合成图像由上图可得，通过考虑地球反照成像的影响，顺利得到了近距离5m、15m处卫星的合成图像，利用这些近距离的处的图像，也可以给敏感器提供准确的定位依据。4.5本章小结本章通过在不同距离处设置相机，调整卫星姿态从而捕获得到目标卫星不同位姿的二维图像，通过图像我们可以与将来实时获取的图像进行对比，从而达到预期要求。64 北京理工大学硕士学位论文第5章激光雷达接收面能量检测5.1引言在航天器空间交会对接的过程中，需要通过激光雷达不断定位目标航天器与对接飞行器之间的距离，因此激光雷达能否成功检测到反射回来的能量是其中关键的一步，本章就是要仿真这一过程，从而判断不同距离不同姿态的目标航天器在给定功率的激光雷达反射回来的能量能否满足要求。5.2原理方法利用Tracepro来进行仿真。首先，在Tracepro中建立模型，对目标卫星进行光线追迹。考虑到需要接收目标卫星反射回来的光，所以选择在目标卫星附近建立半径不同的Grid光源，再进行光线追迹，通过接收面的辐照度图，分析接收面上的能量是否满足要求。目标卫星主要由太阳帆板、天线和机械结构等组成，其中太阳帆板正面的表面属性是玻璃，反面的表面属性是F46，天线的表面属性是白漆，机械结构的表面属性是聚酰亚胺。在Tracepro中需要将对应的材料属性赋予卫星各个表面，材料属性如表5-1所示，表5-2为玻璃材质的具体参数，表5-3为F46材质的具体参数，表5-4为白漆材质的具体参数，表5-5为聚酰亚胺材质的具体参数。在Tracepro中建立模型时，考虑到需要接收目标卫星反射回来的光，所以选择在目标卫星附近建立半径分别为2000mm（对于20km的情况）、200mm（对于2km的情况）、5mm（对于50m的情况）的格栅光源，再进行光线追迹。最终得到对应的辐照度图，从而分析得出结果。65 北京理工大学硕士学位论文表5-1卫星结构材质太阳帆板卫星结构天线机械结构正面反面材质属性玻璃F46白漆聚酰亚胺表5-2玻璃材质属性TemperaturWavelengtIncidentAbsorpSpecularSpecularScatterBRDFe(K)h(m)Angle(deg)tanceReflTransBeta0.0723243Integra0.007815483000.700.92050873006ted:217548690.07232433000.700.92006.52508730060.07232433000.700.9200.210.003508730060.07232433000.700.9200.230.00305508730060.07232433000.700.9200.430.00258508730060.07232433000.700.9200.440.00293508730060.07232433000.700.9200.50.00241508730060.07232433000.700.9200.710.00239508730060.07232433000.700.9200.930.00236508730060.07232433000.700.9200.940.00235508730060.07232433000.700.9201.210.00241508730060.07232433000.700.9201.440.00158508730060.07232433000.700.9201.60.00229508730063000.700.920.072324301.650.002145087300666 北京理工大学硕士学位论文表5-3F46材质属性TemperaturWavelenIncidentAbsorpSpecularSpecularScatterBRDFe(K)gth(m)Angle(deg)tanceReflTransBeta0.8966331Integra0.023535253000.6800.0807632321ted:82486650.89663315.6e-03000.6800.0808.77632321170.89663312.2e-03000.6800.08021.77632321070.89663313.8e-03000.6800.08087.37632321070.89663313000.6800.0800.210.007776323210.89663313000.6800.0800.230.0092376323210.89663313000.6800.0800.430.0076276323210.89663313000.6800.0800.440.0087676323210.89663313000.6800.0800.50.0075476323210.89663313000.6800.0800.710.0072476323210.89663313000.6800.0800.930.0072576323210.89663313000.6800.0800.940.0069976323210.89663313000.6800.0801.210.0071776323210.89663313000.6800.0801.440.0067876323210.89663313000.6800.0801.60.0070376323210.89663313000.6800.0801.650.00658763232167 北京理工大学硕士学位论文表5-4S781白漆材质属性TemperaturWavelenIncidentAbsorpSpecularSpecularScatterBRDFe(K)gth(m)Angle(deg)tanceReflTransBeta0.3512953Integrat0.490241103000.6800.1605611806ed:2412380.35129535.6e-013000.6800.1600.209561180670.35129532.2e-003000.6800.1600.247561180670.35129533.8e-003000.6800.1600.411561180670.35129533000.6800.1600.210.21656118060.35129533000.6800.1600.230.30756118060.35129533000.6800.1600.430.19656118060.35129533000.6800.1600.440.22656118060.35129533000.6800.1600.50.18256118060.35129533000.6800.1600.710.15156118060.35129533000.6800.1600.930.098756118060.35129533000.6800.1600.940.11256118060.35129533000.6800.1601.210.048256118060.35129533000.6800.1601.440.045956118060.35129533000.6800.1601.60.0031256118060.35129533000.6800.1601.650.02035611806表5-5聚酰亚胺材质属性TemperaturWavelenIncidentAbsorpSpecularSpecularScatterBRDFe(K)gth(m)Angle(deg)tanceReflTransBeta0.6227026Integra0.017424213000.700.3604126115ted:00596480.62270265.6e-03000.700.3606.7641261151768 北京理工大学硕士学位论文0.62270262.2e-03000.700.36016.94126115070.62270263.8e-03000.700.36067.94126115070.62270263000.700.3600.210.0057741261150.62270263000.700.3600.230.0069541261150.62270263000.700.3600.430.0058741261150.62270263000.700.3600.440.0067841261150.62270263000.700.3600.50.0053241261150.62270263000.700.3600.710.0053641261150.62270263000.700.3600.930.005341261150.62270263000.700.3600.940.0052541261150.62270263000.700.3601.210.0054541261150.62270263000.700.3601.440.0050941261150.62270263000.700.3601.60.0051341261150.62270263000.700.3601.650.0047541261155.3光线追迹结果5.3.1激光雷达与目标卫星相距50m处在相距50m处通过对接航天器上的激光雷达向目标卫星发射波长1064nm、功率500W、发散角0.2mrad的激光，，在目标卫星上形成了直径10mm的圆斑。69 北京理工大学硕士学位论文图5-150m处卫星姿态图5-250m处照射卫星的辐照度图卫星姿态如图5-1所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：5mm；光源位置：太阳帆板正面前方500mm处，坐标（500，2200，6）；光线数量：100万；光线精度：1×10−8。图5-2为接收面上的辐照度图，考虑到激光雷达上的光学系统有30%的能量损耗，可得最终接收到的像面能量为36.162W70%=25.3134W。5.3.2激光雷达与目标卫星相距20km处在相距20km处通过对接航天器上的激光雷达向目标卫星发射波长1064nm、功率4MW、发散角为0.2mrad的激光，在目标卫星上形成了直径4m的圆斑。一、正面姿态光线追迹图5-320km处正面卫星姿态图5-420km处照射卫星正面的辐照度图卫星姿态如图5-3所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：2000m；光源位置：目标卫星正前方6000mm处，坐标（6000，0，0）；光线数量：100万；光线精度：1×10−3。图5-4为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为70 北京理工大学硕士学位论文27.512W70%=19.2584W。二、背面姿态光线追迹图5-520km处背面卫星姿态图5-620km处照射卫星背面的辐照度图卫星姿态如图5-5所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：2000mm；光源位置：目标卫星正后方500mm处，坐标（-500，0，0）；光线数量：100万；光线精度：1×10−5。图5-6为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为522.92W70%=366.044W。三、侧面姿态光线追迹图5-720km处侧面卫星姿态图5-820km处照射卫星侧面的辐照度图卫星姿态如图5-7所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：2000mm；光源位置：目标卫星侧板正面，坐标（2200，6000，0）；光线数量：100万；光线精度：1×10−3。图5-8为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为403.51W70%=282.457W。71 北京理工大学硕士学位论文四、顶部姿态光线追迹图5-920km处顶部卫星姿态图5-1020km处照射卫星顶部的辐照度图卫星姿态如图5-9所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：2000mm；光源位置：目标卫星顶板正面，坐标（2200，0，3000）；光线数量：100万；光线精度：1×10−3。图5-10为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为89.669W70%=62.768W。5.3.3激光雷达与目标卫星相距2km处在相距2km处通过对接航天器上的激光雷达向目标卫星发射波长1064nm、功率12.5KW，发散角为0.2mrad的激光，在目标卫星上形成了直径0.4m的圆斑。一、正面图5-112km处正面卫星姿态图5-122km处照射卫星正面的辐照度图卫星姿态如图5-11所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：200mm；光源位置：目标卫星正面，坐标（6000，429，857）；光线数量：1000万；光线精度：1×10−7。72 北京理工大学硕士学位论文图5-12为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为191.08W70%=133.756W。二、背面姿态光线追迹1、背面位置1图5-132km处背面位置1的卫星姿态图5-142km处照射卫星背面位置1的辐照度图卫星姿态如图5-13所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：200mm；光源位置：目标卫星背板500mm处，坐标（-500，0，0）；光线数量：100万；光线精度：1×10−5。图5-14为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为190.14W70%=133.098W。2、背面位置2图5-152km处背面位置2的卫星姿态图5-162km处照射卫星背面位置2的辐照度图卫星姿态如图5-15所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：200mm；光源位置：目标卫星背板500mm处，坐标（-500，664，-794）；光线数量：100万；光线精度：1×10−5。73 北京理工大学硕士学位论文图5-16为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为194.01W70%=135.807W。三、侧面姿态光线追迹图5-172km处侧面的卫星姿态图5-182km处照射卫星侧面的辐照度图卫星姿态如图5-17所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：200mm；光源位置：目标卫星侧板正面，坐标（2200，6000，0）；光线数量：1000万；光线精度：1×10−4。图5-18为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为189.36W70%=132.552W。四、顶部姿态光线追迹图5-192km处顶部的卫星姿态图5-202km处照射卫星顶部的辐照度图卫星姿态如图5-19所示，光源设置如下。光源类型：0.2mrad发散角出射的格栅光源；光源半径：200mm；光源位置：目标卫星顶板正面，坐标（442，0，3000）；光线数量：100万；光线精度：1×10−5。图5-20为接收面上的辐照度图，可得最终接收到的像面能量为74 北京理工大学硕士学位论文181.77W70%=127.23W。如表5-6所示，经过在Tracepro中建模、光线追迹和对辐照度图的分析，我门可以得到在激光雷达距离目标卫星不同距离时，接收面上可以接收到的能量大小，而预期值为80nw，对比可知都满足。因此，分析结果满足要求。表5-6卫星在距离(50m、20km、2km)处不同姿态接收面的能量能量/W位姿正面背面位置1背面位置2侧面顶部距离50m25.313420km19.2584366.044282.45762.7682km133.756133.098135.807132.552127.2395.4本章小结本章主要分析了激光雷达测距过程中，对不同距离不同姿态的目标飞行器在给定功率的激光雷达反射回来的能量能否满足要求这一环节，并且在光线追迹软件Tracepro中进行仿真验证。通过在Tracepro中建立模型，对卫星表面材质属性进行编辑，然后在在目标卫星附近建立半径不同的Grid光源，再进行光线追迹，最终通过接收面的辐照度图分析得出，接收面上的能量是满足要求的。75 北京理工大学硕士学位论文结论本文通过在3DsMax中建模的方法建立了卫星模型、卫星轨道、太阳模型、太阳轨道，并且给出了最后所得的模型图，同时通过设置相机的不同位置最终仿真得到了目标卫星不同位姿的二维图像，通过图像我们可以与将来实时获取的图像进行对比，从而达到预期要求。另外本文还分析了激光雷达测距过程中，对不同距离不同姿态的目标飞行器在给定功率的激光雷达反射回来的能量能否满足要求这一环节，并且在光线追迹软件Tracepro中进行仿真验证。通过在Tracepro中建立模型，对卫星表面材质属性进行编辑，然后在在目标卫星附近建立半径不同的Grid光源，再进行光线追迹，最终通过接收面的辐照度图分析得出，接收面上的能量满足要求。交会对接过程中的仿真验证是一个复杂的过程，有很大的工作量，本文完成的只不过是其中的一小部分。由于3DsMax软件自身算法的局限性，最终通过数字仿真得到的图像还是与半物理仿真或者物理仿真得到的图像以及实际的卫星位姿图像都有一定的差距，还有很多工作可以致力于优化仿真结果，从而得到更好的仿真算法和更接近于实际的仿真结果。76 北京理工大学硕士学位论文参考文献[1]唐国金，罗亚中，张进.空间交会对接任务规划[M].北京：科学出版社，2007.[2]马婷婷，魏晨曦.空间交会对接概述[J].中国航天，2004(7).[3]张正忠，郝颖明，董再励，等.基于OpenGL的交会对接仿真系统[J].2003.[4]伍升钢，李九天，李海阳，罗亚中，黄海兵.交会对接寻的段机动故障对策分析与仿真[J].中国空间科学技术，2009(5)[5]陈玮，解永春.基于多目标规划的交会对接推力器指令分配方法[J].航天控制，2007(3).[6]许传真.交会对接中的摄影测量方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013:1-20.[7]杨进，姜国华，晁建刚.基于靶标图像的航天员手控交会对接方法[J].宇航学报，2010(5).[8]林琪，来嘉哲.空间交会对接仿真技术研究[J].装备指挥技术学院学报，2008，19(5).[9]郑永煌.空间交会对接技术[J].自然杂志，2011,33(6).[10]林来兴.空间交会对接技术[M].国防工业出版社，1995.[11]PolitesM.E.Techniqueofautomatedrendezvousandcaptureinspace，1999(2).[12]王志勇.交会对接关键技术研究2000[13]王华，唐国金.交会对接仿真系统的设计策略研究[J].系统仿真学报，2002(9).[14]尤超蓝，嘉振.空间交会对接过程的动力学模型与仿真[J].动力学与控制学报，2004(2).[15]吴宏鑫，胡海霞.自主交会对接若干问题[J].宇航学报，2003(2).[16]FehseW.Automatedrendezvousanddockingofspacecraft，2003.[17]朱仁璋.中外交会对接技术比较研究[J].航天器工程，2013,22(3):9-15.[18]王华.交会对接仿真系统[M].国防科技大学，2002.[19]VeltzC.NumericalSimulatorDedicatedtoValidationofATVSafelyAlgorithms[J].AIAA，2002：2002—4966.[20]代明君，陈志刚.对接仿真试验台对接动力学的数值仿真研究[J].工程力学，2006,7：54～59.[21]常同立，丛大成，叶正茂，等.空间对接动力学半物理仿真基本问题解决方案研究[J].宇航学报，2008,1:53－58.[22]萨莉，赖安学，邵济明.对接综合试验台轨迹规划算法研究[J].上海航天，2004,6:27—32．[23]王华，唐国金，李海阳.航天系统分析与仿真基础程序库AstroLib[J].系统仿真学报，2007,19(13):2917—2920．77 北京理工大学硕士学位论文[24]王华，尤岳，林西强，李海阳.空间交会对接任务仿真系统架构设计与实现[J].载人航天，2013,19(3).[25]ElizabethTanner,StephenGranade,CharlesA.W.Autonomousrendezvousanddockingsensorsuite,ProceedingsofSPIE.LaserRadarTechnologyandApplicationsVIII,2003,5086：329-339．[26]ColinL.S.ROBERT,O.N.STEVE,M.Lebien.RadarmeasurementsoftheInternationalSpaceStation,ProceedingsofSPIE.LaserRadarTechnologyandApplicationsVI,2001，4377：65—77.[27]SmithpeterC.L.,NellumsR.0.,LebienS.M.,Studor.GetatHigh—ResolutionLaserRadarOperatingatVideoRates,ProceedingsofSPIE.LaserRadarTechnologyandAppHeaaonsV，2000,4035：279-286．[28]StephenR.Granade.AdvancedVideoGuidanceSensorandNextGenerationAutonomousDockingSensors,ProceedingsofSPIE．SpaceborneSensors，2004,5418：10-20．[29]ChadEnglish,AdamDeslauriers,lainChristie.Thecomplementarynatureoftriangulationandradartechnologies,ProceedingsofSPIE.LaserRadarTechnologyandApplicationsX，2005,5791：27-41．[30]CraigR.,GravsethI,ErhartR.P.Proceeding3DFlashLADARPoint-CloudsinReal-timeforFlightApplications.ProceedingsofSPIE.SensorsandSystemsforSpaceApplications，2007,6555.[31]李丽，任熙明.空间交会对接激光雷达关键技术分析[J].红外与激光工程，2008,9(37).[32]陈韵，周军.基于激光雷达测量的空间交会对接相对导航[J].航天控制，2006,24（1）.[33]HariB.,Hablani,MyronL.,TapperandDavidJ.,DanaBashian.GuidanceandReIativeNavigationforAutonomousRendezvousinacircularObit[J].JournalofGuidance,ControlandDynamics，V01.25，No.3．[34]赵春晖，龚德铸，刘鲁，王晓燕，王艳宝，薛志鹏，侯丹佳.空间杂光对交会对接光学成像敏感器影响分析[J].空间控制技术与应用，2012,3(38).[35]金燕.三维动画教学中3DMAX多边形建模探讨[J].决策管理，2009,5.[36]夏蕾.浅析3DMAX制作中建模技巧[J].科技创新与应用，2013（34）.[37]杨嗣信.建筑模板工程施工手册[M].北京：中国建筑工业出版杜，1997.[38]肖田元.虚拟制造研究进展与展望[J].系统仿真学报．2004,16(9)：1879-1883．[39]陈定方，罗亚波.虚拟设计[M].北京：机械工业出版社，2007．[40]孔令齐.3DStudioMAXR4实用教程[M].北京：中国水利水电出版社，2001．78 北京理工大学硕士学位论文[41]谷骁勇，张黎明.基于3DMAX技术的机械形体装配与运行的仿真[J].科技广场，2009（7）.[42]王亚平.3DMAX软件动画制作探析[J].大众科技，2008(3).[43]王正刚.谈3dsmax的发展特色与行业划分[J].宿州学院学报，2004(5).[44]唐颖颖.光与影在3dsmax中的应用[J].科技咨询导报，2007(19).[45]蒋燕萍,黄心渊,夏旺盛.3DSMAX建模方法分析，2002.[46]王琦.3dsmax5白金手册,2003.[47]邢禹.3dsmax4角色动画技术全解,2002.[48]杜世春，张开芳.基于3DMAX制作三维动画[J].科技信息，2008（18）.[49]李同梅.在3DMAX中如何使用灯光[J].集宁师专学报，2004,26(3).[50]张雅静.浅谈3DMAX灯光研究及运用[J].电脑知识与技术，2013(21).79 北京理工大学硕士学位论文攻读学位期间发表论文与研究成果清单[1]RuicongHe,LinLi.Applicationofrealimagedisplayandgenerationtechniqueinspaceopticalsystem[C].Proc.SPIE9296-28(2014),(EI).80 北京理工大学硕士学位论文致谢本论文的工作是在导师李林教授的悉心指导下和严格要求下完成。在两年半的研究生学习中，李林老师严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、渊博的知识深深的影响着我，李老师细心的指导和鼓励使我能够顺利完成课题；他重基础抓实践，让我真正体会到科研中严谨求实的重要性和必要性，这些必将使我受益终身。生活中李老师诙谐幽默、平易近人，在生活上嘘寒问暖，对我给予了无私的帮助和亲切的关怀。本论文的所有工作都凝聚着导师的心血与汗水，值此论文完成之际向关心和培养我的恩师致以最诚挚的谢意。两年来，实验室的黄一帆老师、常军老师在课题研究期间给予的大力支持和鼓励，他们的科研精神令人敬佩，老师们丰富的科研经验和优秀的学术涵养使我受益匪浅。李林老师是光学设计方面的领军人物，他细致耐心，经常和我探讨课题的相关问题，对我的课题提出了很多建议，我深表感谢。实验室组织实验室同学进行定期汇报，使我们不仅能够及时准确地把握自己的课题内容，而且还能听取师兄们的课题知识，开阔眼界，丰富知识。老师们耐心的指导使我的课题取得了较好的结果。感谢实验室的成员共同营造出的和谐的学习氛围。感谢实验室的宋席发师兄、靳晓瑞师兄、候银龙师兄和韩星师姐在课题进行过程中给予极大的指导和无私的帮助。他们是我学习的榜样。还要感谢实验室和我共同学习、奋斗的即将毕业的同学们。感谢我的室友郝金剑、石岩和杨昊两年以来在学习和生活上的帮助，与他们在一起的日子将是一段难忘的回忆。在此，我同样需要感谢我的父母、兄弟姐妹和女朋友孙梦雅对我的关心。他们的鼓励和支持是我克服困难勇往直前最大的动力。谨以此文献给所有对我寄予厚望并关心、支持我的人。81