空間目標(biāo)光度特性研究

空間目標(biāo)光度特性研究

空間目標(biāo)特征的觀測(cè)研究為了研究空間目標(biāo)的光散射和輻射特性，研究了目標(biāo)的測(cè)量、跟蹤和識(shí)別技術(shù)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在地球大氣層外,空間目標(biāo)光譜散射特性除與探測(cè)系統(tǒng)有關(guān)以外,還與目標(biāo)、太陽、觀測(cè)平臺(tái)三者之間的相對(duì)幾何關(guān)系、目標(biāo)形狀、姿態(tài)和尺寸、目標(biāo)高度和目標(biāo)表面材料性質(zhì)參數(shù)等密切相關(guān)?？哲娧芯繉?shí)驗(yàn)室(AirForceResearchLaboratory)在1996年便對(duì)GEO目標(biāo)的光度特征進(jìn)行了觀測(cè),Payne等人對(duì)GEO目標(biāo)進(jìn)行了建模并對(duì)其輻射特性進(jìn)行了仿真,但具體模型未見公開發(fā)表。文獻(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的光度特性進(jìn)行了研究,但對(duì)空間目標(biāo)成像的總體過程均缺乏詳細(xì)的論述,本文對(duì)空間目標(biāo)光度特性及其成像信噪比計(jì)算方法展開了研究,為空間目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別提供參考。主要包括如下三個(gè)方面的內(nèi)容:1)從基本輻射理論出發(fā),對(duì)太陽在大氣層外輻射照度進(jìn)行了計(jì)算,推導(dǎo)出空間GEO目標(biāo)的輻照度計(jì)算公式,計(jì)算了目標(biāo)的等效視星等值。2)研究了J2000.0慣性坐標(biāo)系中太陽、觀測(cè)平臺(tái)和空間目標(biāo)的矢量坐標(biāo)和各個(gè)角度與距離關(guān)系,并分析了相對(duì)距離、太陽相位角的變化對(duì)空間目標(biāo)視星等值的影響。3)針對(duì)CCD相機(jī)的系統(tǒng)參數(shù),計(jì)算了空間目標(biāo)CCD成像的信噪比。1空間目標(biāo)光特性分析1.1太陽的es-空間目標(biāo)信號(hào)來源主要是太陽光的輻射能量。一般可以認(rèn)為太陽是絕對(duì)溫度為5900K的黑體,其一定光譜范圍的輻射出射度MeS(λ)可根據(jù)普朗克方程計(jì)算得到:式中:h為普朗克常數(shù),c為真空中的光速,k為波爾茲曼常數(shù),T為太陽的黑體溫度。本文中下標(biāo)e代表能量符號(hào),下標(biāo)q代表光子符號(hào),下標(biāo)v代表光度學(xué)符號(hào)。太陽對(duì)目標(biāo)的單色輻照度EeS(λ)為:式中:AS為太陽表面積,RSE為日地平均距離。在相機(jī)的觀測(cè)光譜范圍(0.45~0.95μm)內(nèi)計(jì)算可得太陽對(duì)目標(biāo)的輻照度。1.2u3000光視效能這里將空間目標(biāo)看作一個(gè)等效反射球體(朗伯輻射體),那么目標(biāo)在觀測(cè)相機(jī)位置的單色輻照度Ee(λ)為:式中:AO為空間目標(biāo)的等效截面積,ρ為空間目標(biāo)的光譜反射率,θ為觀測(cè)相角,推得最終進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的空間目標(biāo)的信號(hào)光子流量密度,空間目標(biāo)在觀測(cè)相機(jī)位置的輻照度Eq可以表示為:Eq=∫λ1hλ2Eec/λ(λ)dλphotons?m-2?s-1通常來說,習(xí)慣將空間點(diǎn)目標(biāo)的信號(hào)亮度等效為天文學(xué)上的目標(biāo)星等來衡量,天文上定義0m在地球大氣層外產(chǎn)生的光照度Ev(0)=2.089×10-6lm/m2,目視星等為m的星,在地球大氣層外產(chǎn)生的光照度Ev(m)=Ev(0)×10-m/2.51lm/m2,則空間目標(biāo)在觀測(cè)相機(jī)位置的輻照度可以通過下式得到:式中:K(λ)為光視效能,定義為光通量和輻射通亮之比,量綱是lm/W(流明/瓦)。由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的光的響應(yīng)是不同的,隨著光的光譜成分的變化(即波長(zhǎng)λ不同),K(λ)值表示在某一波長(zhǎng)上每1W光功率對(duì)目視引起刺激的光通量,K(λ)值在整個(gè)可見光譜區(qū)的每一波長(zhǎng)處均不同。試驗(yàn)表明,光譜光視效能在波長(zhǎng)λ=555nm處取得最大值Kmax=683lm/W。經(jīng)計(jì)算,0.45~0.95μm波段的平均光視效能K≈145lm/W。2能量方程推導(dǎo)空間目標(biāo)探測(cè)信噪比方程的推導(dǎo)可以用能量形式或光子形式。能量方程推導(dǎo)過程中假定探測(cè)器是功率-電壓變換器。光子推導(dǎo)過程中假定探測(cè)器是一個(gè)積分光子計(jì)數(shù)器。本文采用光子形式對(duì)空間目標(biāo)探測(cè)的信噪比進(jìn)行計(jì)算。2.1光學(xué)系統(tǒng)的接收對(duì)于典型的空間目標(biāo)觀測(cè)相機(jī)而言,當(dāng)對(duì)空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí),CCD像元接收到的光電子數(shù)為:式中:Qsig為CCD的量子效率,Aopt為光學(xué)系統(tǒng)的有效收光面積,t為曝光時(shí)間,τ為CCD光學(xué)系統(tǒng)的透過率。npix為GEO目標(biāo)星像的象素?cái)?shù)。2.2噪聲因子及影響空間目標(biāo)可見光相機(jī)系統(tǒng)在對(duì)空間目標(biāo)探測(cè)時(shí),噪聲來源有:深空背景噪聲、光子噪聲、探測(cè)器噪聲、驅(qū)動(dòng)電路、溫度環(huán)境等固有噪聲和引入噪聲等。探測(cè)器噪聲主要包括轉(zhuǎn)移噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、暗電流噪聲、輸出噪聲、量化噪聲、模式噪聲、電子讀出噪聲等,隨著CCD器件工藝制造水平的不斷提高可以忽略大部分噪聲的影響。這里僅討論主要貢獻(xiàn)項(xiàng),它們是深空背景噪聲、暗電流噪聲和電子讀出噪聲。除了各類星體(恒星和行星)外,深空背景輻射是來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射,也稱為微波背景輻射。背景輻射是在宇宙早期大量原子核與電子組成中性原子時(shí)形成的。背景輻射形成后,輻射場(chǎng)溫度逐漸降低,剩余溫度約為3.5K,按普朗克公式,T=3.5K時(shí)輻射最強(qiáng)的波長(zhǎng)為827.9m左右。它不是可見光,而是屬于微波,通?？梢院雎?。本文假設(shè)深空背景等效星等為22星等。背景輻射噪聲等效光子數(shù)為。暗電流噪聲是載流子的熱運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的隨機(jī)過程,可以用泊松分布描述。電子讀出噪聲正比于觀測(cè)相機(jī)的幀頻。目標(biāo)輻射光子噪聲是由于目標(biāo)入射光子流的隨機(jī)起伏產(chǎn)生的。上面提到的空間目標(biāo)可見光相機(jī)系統(tǒng)中的各種噪聲是相對(duì)獨(dú)立的,因此,對(duì)于N個(gè)獨(dú)立噪聲貢獻(xiàn)項(xiàng),系統(tǒng)總噪聲的方差是所有噪聲貢獻(xiàn)方差的總和,其計(jì)算公式為:2.3信噪比閾值的影響系統(tǒng)的信噪比SNR為:需要指出的是,信噪比閾值是探測(cè)能力的常用判距,只有當(dāng)相機(jī)設(shè)計(jì)的信噪比大于信噪比閾值KS/N時(shí),點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)能力才能滿足要求,即。3太陽、衛(wèi)星和觀測(cè)站之間的關(guān)系3.1平黃經(jīng)t如果假定地球不動(dòng),那么太陽相對(duì)于地球呈橢圓軌道運(yùn)動(dòng),包含長(zhǎng)期變化的太陽平均軌道根數(shù)分別記為aS、eS、εS、,表示太陽軌道長(zhǎng)半軸、偏心率、黃赤交角、對(duì)應(yīng)當(dāng)天平春分點(diǎn)的幾何平黃經(jīng)、對(duì)應(yīng)當(dāng)天平春分點(diǎn)的近地點(diǎn)平黃經(jīng)。有:aS=1.00000102(天文單位)式中:T為自J2000.0(即2000年1月1日12hTDT)起算的儒略世紀(jì)數(shù)。如果需要求解對(duì)標(biāo)準(zhǔn)歷元平春分點(diǎn)的值,只需進(jìn)行歲差改正。設(shè)RS為太陽的地心距,為太陽相對(duì)于當(dāng)日平春分點(diǎn)的真近點(diǎn)角。則太陽在瞬時(shí)地心平赤道坐標(biāo)系下的位置矢量為:太陽軌道的偏心率較小,在近似計(jì)算中有:公歷日期的年、月、日(含天的小數(shù)部分)分別為Y、M、D,則對(duì)應(yīng)的儒略日為:式中:[X]表示取X的整數(shù)部分,小數(shù)點(diǎn)后的位數(shù)省略。3.2c.5km觀測(cè)平臺(tái)的軌道根數(shù)可任意選擇,這里選取MSX衛(wèi)星運(yùn)行軌道,其軌道根數(shù)如下a=7279.4km,e=0.0008,i=99.0856°,?=94.0821°,ω=63.3938°,M=296.6061°;其中,a為軌道長(zhǎng)半軸,e為偏心率,i為軌道傾角,?為升交點(diǎn)赤經(jīng),ω為軌道面內(nèi)近拱點(diǎn)方向的指向,M為平近點(diǎn)角。3.3參數(shù)性別分布假設(shè)選取的空間目標(biāo)軌道根數(shù)為:a=42243km,e=0.0011,i=0.6730°,?=97.5802°,ω=194.4586°,M=9.5870°。4等效基因觀測(cè)觀測(cè)相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和CCD探測(cè)器的參數(shù)如表1所示。設(shè)空間目標(biāo)的等效球體直徑為D,反射率為0.3,在仿真時(shí)假設(shè)觀測(cè)衛(wèi)星和目標(biāo)衛(wèi)星運(yùn)行軌道的過近拱點(diǎn)時(shí)間是任意的,則觀測(cè)時(shí)刻t=2000.1.10.00:00:00-2000.1.10.01:20:0內(nèi)目標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明,空間目標(biāo)的等效星等在不同的觀測(cè)時(shí)刻存在2個(gè)星等左右的差別,導(dǎo)致目標(biāo)成像的信噪比在觀測(cè)過程中也存在變化。為了驗(yàn)證本文方法的正確性,將本文結(jié)果與文獻(xiàn)的結(jié)果(如圖3所示)進(jìn)行比較,可以看出,本文仿真得到的星等估計(jì)與文獻(xiàn)[3的星等估計(jì)值和星等的起伏范圍相當(dāng),證明了本文計(jì)算方法的正確性。5空間目標(biāo)的測(cè)量空間目標(biāo)