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1、华中科技大学 硕士学位论文 空间目标的光谱特性仿真及识别 姓名：周玲慧 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：张钧;田金文 20081224 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 随着各航天大国研究空间目标光谱成像特性以及以此为基础进行空间探测的技 术日趋成熟，为满足空间机动平台的攻防应用需求，需要对空间目标特性进行分析和 研究。由于航天实验费用昂贵，不可能对空间目标成像图都进行实时拍摄，因此根据 实验室现有条件， 利用计算机模拟生成空间目标和空间背景仿真图并对实验图片进行 目标检测识别十分有必要。 论
2、文主要研究了空间目标光谱特性仿真及识别过程中需要 考虑的几大问题，包括空间背景特性分析、空间目标特性分析、目标检测与识别算法 设计。 论文首先介绍了空间背景仿真原理，分星空背景和地背景两种情况考虑。讲述了 可见光和紫外参考星表的制备流程，简要说明了星图仿真原理，模拟生成了可见光和 紫外星图。同时，对地球背景仿真进行了初步研究，提出一种生成星空与地球背景相 结合的背景仿真图的方法，给出了实验结果。接着，详细阐述了空间目标成像仿真原 理及步骤，包括目标三维几何建模、目标表面材质属性、构建目标可见光和紫外光照 模型，并介绍光线跟踪算法，依据理论分析，模拟生成了目标仿真图。然后根据不同 参数条件设计仿
3、真实验， 结合图片探讨分析了光照方向、 相机光轴指向、 视场角大小、 成像分辨率、探测距离这几个参数对目标仿真图的影响。实验结果表明，该模型不仅 同真实空间目标光谱成像系统比较符合， 而且能很好地表征光谱成像系统的关键参数 对成像图效果的影响。最后，对背景仿真图添加高斯噪声和空间碎片，并将之与目标 仿真图相叠加，设计相应算法对空间目标进行检测识别，理论分析和仿真实验结果表 明，所采取方案是可行的。 关键词：空间目标，光谱特性，背景仿真，目标仿真，检测识别 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the d
4、evelopment of the space detection technique which is based on the space targets spectral characteristics, most of the powerful countries are paying great attention to the research and analysis of space targets characteristics in order to meet the needs of the offensive and defensive system. As the c
5、ost of spaceflight experiment is very high, its unpractical to acquire real-time space target images in some cases. Thus in order to estimate the recognition algorithms for space target, we need to simulate real-time space target images and background images with a computer. This paper focuses on th
6、e simulation of space targets spectral imaging and the target recognition, including the analysis of the environment characteristics and the target characteristics, the designing of detection and recognition algorithms for space target. In the paper, we first introduce the simulation methods of the
7、space environment including the star field background and the earth background. After discussing how to establish the visible and ultraviolet reference ephemeris, we brief the simulation principle of the star field images, then simulate the images in multi-spectral. Meanwhile, we give a pilot study
8、for the earth background simulation, present a method to simulate the background image which is a combination of earth and star field, then we show the experiment results. After that, we analyze the simulation principle of the space target imaging in detail, including the targets geometry modeling,
9、the material attributes of the targets surface, the targets illumination energy models in multi-spectral, and we introduce the novel retracing algorithm, then simulate the target images according to the theoretical analysis. On this basis, we do several experiments under different circumstances, dis
10、cuss the influence of each parameter to the effect of simulation images. The parameters include the illumination direction, the optical axis direction, the cameras visual angel, the image pixels, the distance between camera and target. The experimental results show that, the model not only meets the
11、 real spectral imaging system well, but also shows the influence of several key spectral imaging system 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III parameters to the effect of the simulation images well. Finally, we add the gauss noise and space fragment to the background simulation images,
12、then integrate them into the target images, design the detection and recognition algorithms. Theoretical analysis and experiment results demonstrate that the method is feasible in principle. Key words: space target, spectral characteristics, background simulation, target imaging simulation, detectio
13、n and recognition 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将
14、本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 随着全球太空资源开发热潮的进一步高涨和未来太空作战趋势的加剧， 地球外层 空间正逐步变成新的军事斗争领地。在这种新的军事斗争形式中，航天影像数据迅速 地被应用于军事侦察领域，从而实现
15、对感兴趣区域和目标的实时监测，极大地提高了 国防战略预警系统的作战效能。 为了更好地进行空间控制并利用空间实施相关军事行 动，世界各国均非常重视空间监视能力的增强。而随着我国综合实力的提升，国家对 维护领土的完整和主权统一的决心更为坚定， 也加大了对于军事国防领域中空间目标 监视系统的建设。近年来，越来越多的航天大国对空间目标的光谱成像特性以及以此 为基础的空间探测进行研究和实践。因此，针对空间机动目标的潜在特性，结合其在 可见光和紫外等波段的光谱特性以及相应的成像方式，分析特定目标在轨特性，建立 相应的仿真模型， 研究其在空间的目标特性及背景特性并对其进行检测识别具备重大 的意义1,2。 1
16、.2 国内外研究现状国内外研究现状 为了满足空间机动平台的攻防应用需求， 首先需要分析研究空间目标特性及其相 应背景特性，并分别进行建模，以美国为代表的世界军事大国在对空间目标及背景特 性进行分析建模的基础上， 制定了天基空间目标监视系统发展计划并开展了相应的实 践活动。美国在2020 航天远景规划中提出其监视空间的主要任务包括对重要空间 目标进行精确的探测和跟踪，实时探测可能对美国航天系统构成威胁的航天器的尺 寸、形状、轨道参数等重要目标特性，对目标参数进行归类和分发，其相应的天基监 视系统中搭载了天基可见光相机、紫外成像仪以及短、中、长波红外传感器1。加拿 大军方也一直积极开展着空间目标探测技术研究， 2003 年 5 月 30 日发射了 MOST 空 间探测小卫星，在此基础上，加拿大宇航局和 Dynacon 公司等正在开展近地目标探测 卫星研制计划，加拿大国防部也启动了空间目标监视计划，在监视手段上，加拿大天 基空间目标监视系统主要
