飞行时间成像系统的数字仿真技术*(4)
图8 5 m距离的余弦辐射体平面测量值和真值Fig.8 Cosine radiator plane simulation results and ground truth at a distance of 5 m
根据表3的计算结果,在典型测量距离(0.5、1、2.5、5 (m))上,飞行时间成像的距离测量的均值与理论值较为符合,测量值的均方差不大于0.055,表明在目标为余弦辐射体时,当成像灰度值相同时,飞行时间成像测量值的随机噪声与测量距离无关.
表3 典型测量距离余弦辐射平面仿真值的统计结果Tab.3 Statistical results of typical measured distance cosine radiation plane simulation results距离真值/m测量平均值/m测量均方差0.50...05554..055
5.2 灰度值与距离测量误差的关系
仿真的二维图像灰度值和测量精度之间的关系如图9~12所示.从仿真结果中可以看到,当二维图像中的像元灰度范围在210至255时,测量值的方差较为稳定,约为0.1 m,当灰度值低于210时,测量误差与灰度值之间呈现负相关,当灰度值为70时,测量结果的最大误差为0.25 m,测量值方差的变化趋势和理论计算一致.根据上述计算结果,该仿真系统在明确了飞行时间成像系统参数集的前提下,可对成像系统的测量能力进行评估.
图9 幅度值和测量误差仿真统计结果(0.5 m)Fig.9 Amplitude value and measurement error simulation statistics (0.5 m)
图10 幅度值和测量误差仿真统计结果(1 m)Fig.10 Amplitude value and measurement error simulation statistics (1 m)
图11 幅度值和测量误差仿真统计结果(2.5 m)Fig.11 Amplitude values and measurement errors simulation statistics (2.5 m)
图12 幅度值和测量误差仿真统计结果(5 m)Fig.12 Amplitude value and measurement error simulation statistics (5 m)
5.3 环境光干扰
包括环境光干扰的飞行时间成像仿真的参数设置如第5节中所述,环境光与成像系统光轴呈45°空间角入射到场景表面.图13~18表示了环境光对飞行时间成像的干扰情况.当没有环境光的情况下,成像系统的测量结果仅有随机噪声.当环境光功率与成像系统的调制光源功率相等时,场景中受到环境光照射的区域由于多路径效应导致测量结果的误差增大.当环境光功率增大至调制光源功率的10倍时,由于光信号饱和导致照射区域中部分像元的测量结果等于0,之后随着环境光功率的进一步增大,饱和像元数量越多,测量结果中的0值越多.该变化趋势和理论分析的结果一致.环境光功率和调制光源功率之比与饱和像元数量之间的变化曲线如图19所示.
图13 无环境光干扰的场景成像结果Fig.13 Imaging results without ambient light interference
图14 环境光功率等于1倍调制光源功率的场景成像结果Fig.14 Imaging results with ambient power equal to 1X power of the modulated source
图20和图21分别为无环境光干扰的场景和1个太阳常数照射漫反射表面的实际场景成像结果.经过对比可以看出,图20中的图像中心区域的漫反射表面没有环境光时,成像系统可对该区域生成深度数据,当漫反射表面受到1个太阳常数的环境光照射时,由于图像中心区域的光信号饱和,测量结果为0,即图21中的黑色区域,与仿真结果的变化情况相同.
图15 环境光功率等于2倍调制光源功率的场景成像结果Fig.15 Imaging results with ambient power equal to 2X power of the modulated source
图16 环境光功率等于10倍调制光源功率的场景成像结果Fig.16 Imaging results with ambient power equal to 10X power of the modulated source
图17 环境光功率等于20倍调制光源功率的场景成像结果Fig.17 Imaging results with ambient power equal to 20X power of the modulated source
图18 环境光功率等于40倍调制光源功率的场景成像结果Fig.18 Imaging results with ambient power equal to 40X power of the modulated source
图19 环境光功率比与饱和像元数关系曲线Fig.19 Relationship between ambient light power ratio and saturated pixel number
图20 无环境光照射的场景成像结果Fig.20 Scene imaging results without ambient light illumination
图21 单位太阳常数环境光照射的场景成像结果Fig.21 Scene imaging results of 1 solar constant ambient light illumination
5.4 以67P彗星为例的仿真验证试验
图22 67P/Churyumov-Gerasimenko彗星导航相机拍摄图像Fig.22 67P/Churyumov-Gerasimenko comet image
图23 灰度数据仿真结果Fig.23 Grayscale simulation results
图24 距离分布图的场景三维成像结果Fig.24 3D imaging results (top)and ground truth (bottom)of the range map
对小天体目标进行三维形貌数据遥感的形貌重构进行仿真,生成飞行时间成像系统的仿真测量数据,针对获取遥感的小天体目标为67P/Churyumov-Gerasimenko彗星,该彗星由欧空局发射的“罗塞塔”号探测器进行探测任务.图22为探测器搭载的宽视场遥感相机拍摄的灰度图像.图23为根据三维激光成像结果生成三维重构模型,使用飞行时间成像系统的仿真参数集对三维重构模型生成深度的测量结果,其高程分布结果如图24所示.从图中可以看出,飞行时间三维成像的仿真结果符合被测天体表面的高程分布,由于在仿真过程中融合了飞行时间成像系统的参数,仿真结果同时给出了地貌起伏和阴影等原因产生的测量数据误差.
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0208/336.html
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