空间双波段复合探测系统半物理仿真测试关键技术研究

发布时间：2019-01-22 13:22

【摘要】：高帧频探测系统在航空航天探测领域得到日益广泛的应用,为了完成对其功能和性能的测试与验证工作,需要高帧频景象仿真模拟系统开展相关的半物理仿真测试。同时,随着探测技术应用环境的发展和变化,对于高动态特性目标的双波段和多波段仿真技术需求日益强烈。本文以可见光与短波红外双波段的空间复合景象仿真模拟技术和探测系统功能仿真测试技术为研究对象,分析并研究了探测系统应用背景下的数字场景建模、物理光学景象转换和探测功能仿真相关的关键技术,设计了景象仿真与探测系统一体化集成技术方案,组建了半物理仿真测试验证平台,完成了系统综合测试。针对高动态目标双波段仿真与探测的技术需求,本文主要研究内容如下:1、以空间碎片运动检测为应用背景,分析研究了空间探测环境中目标和背景的辐射特性,建立数学模型并给出目标与背景的辐射量计算方法,并研究利用OpenGL进行数字仿真场景建模的方法;2、深入研究了DMD的硬件特性和驱动方法,分析了常用灰度调制方法的局限性,提出了一种驱动DMD超高帧频显示高动态图像的灰度调制方法,极大提高景象仿真系统的显示帧频,实现对高动态特性目标与背景的仿真;3、结合DMD投影成像特点,提出了用于双波段仿真场景空间复合精度判定与校正的算法,通过投影特定模式的图像并利用宽波段相机采集成像结果进行数据分析和处理,建立各个波段DMD微镜与投影屏幕像素空间位置的映射关系,实现复合精度判定与场景偏差矫正;4、分析了空间运动目标探测的背景环境特点,根据不同的应用环境,充分结合双波段探测成像图像的特性,提出了两种不同的目标运动检测算法,同时对探测系统的扫描跟踪策略进行了研究,实现了探测系统的功能仿真,完成对运动目标的检测、捕获、跟踪和测量;5、对景象仿真与探测系统一体化技术进行了研究,提出利用透射式投影屏幕实现双波段场景空间复合的技术方案,完成景象模拟器软硬件驱动、景象仿真系统控制软件和探测系统功能仿真软件的设计,集成了仿真与探测一体化的探测系统半物理仿真测试平台,并通过系统综合实验验证了景象仿真系统与探测系统的功能与性能。
[Abstract]:High frame rate detection system is increasingly widely used in the field of aerospace exploration. In order to complete the testing and verification of its function and performance, the high frame rate scene simulation system needs to carry out the related semi-physical simulation tests. At the same time, with the development and change of detection technology application environment, there is a growing demand for dual-band and multi-band simulation technology for high dynamic target. In this paper, the spatial composite scene simulation technology of visible light and short-wave infrared dual-band and the function simulation and testing technology of detection system are studied, and the digital scene modeling under the application background of the detection system is analyzed and studied. The key technologies related to physical and optical scene conversion and detection function simulation are designed. The integrated technology scheme of scene simulation and detection system is designed. A semi-physical simulation test verification platform is established and the system comprehensive test is completed. According to the technical requirements of dual-band simulation and detection of high dynamic targets, the main contents of this paper are as follows: 1. Based on the background of space debris motion detection, the radiation characteristics of target and background in space exploration environment are analyzed and studied. The mathematical model is established and the method to calculate the radiance of the target and the background is given. The method of using OpenGL to model the digital simulation scene is studied. 2. The hardware characteristic and driving method of DMD are deeply studied, the limitation of common gray level modulation method is analyzed, and a grayscale modulation method is proposed to drive DMD ultra-high frame frequency display high dynamic image. The display frame rate of scene simulation system is greatly improved, and the simulation of high dynamic characteristic target and background is realized. 3. According to the characteristics of DMD projection imaging, an algorithm is proposed to judge and correct the spatial compound precision of dual-band simulation scene. By projecting the image of a specific mode and using the imaging results collected by a wide band camera, the data are analyzed and processed. The mapping relationship between each band DMD micromirror and the pixel position of the projection screen is established to determine the compound precision and correct the scene deviation. 4. The background environment characteristics of space moving target detection are analyzed. According to the different application environment, two different target motion detection algorithms are proposed according to the characteristics of dual-band detection imaging images. At the same time, the scanning and tracking strategy of the detection system is studied, the function simulation of the detection system is realized, and the detection, capture, tracking and measurement of moving targets are completed. 5. The integrated technology of scene simulation and detection system is studied, and the technology scheme of using transmission projection screen to realize spatial recombination of dual-band scene is put forward, and the software and hardware drive of scene simulator is completed. The design of scene simulation system control software and detection system function simulation software, integrated simulation and detection of the detection system semi-physical simulation test platform, The function and performance of scene simulation system and detection system are verified by comprehensive experiments.
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.9;TP391.41

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