空间目标光度特性研究

空间目标光度特性研究

空间目标特征的观测研究为了研究空间目标的光散射和辐射特性，研究了目标的测量、跟踪和识别技术具有重要的应用价值。在地球大气层外,空间目标光谱散射特性除与探测系统有关以外,还与目标、太阳、观测平台三者之间的相对几何关系、目标形状、姿态和尺寸、目标高度和目标表面材料性质参数等密切相关。空军研究实验室(AirForceResearchLaboratory)在1996年便对GEO目标的光度特征进行了观测,Payne等人对GEO目标进行了建模并对其辐射特性进行了仿真,但具体模型未见公开发表。文献对空间目标的光度特性进行了研究,但对空间目标成像的总体过程均缺乏详细的论述,本文对空间目标光度特性及其成像信噪比计算方法展开了研究,为空间目标的探测和识别提供参考。主要包括如下三个方面的内容:1)从基本辐射理论出发,对太阳在大气层外辐射照度进行了计算,推导出空间GEO目标的辐照度计算公式,计算了目标的等效视星等值。2)研究了J2000.0惯性坐标系中太阳、观测平台和空间目标的矢量坐标和各个角度与距离关系,并分析了相对距离、太阳相位角的变化对空间目标视星等值的影响。3)针对CCD相机的系统参数,计算了空间目标CCD成像的信噪比。1空间目标光特性分析1.1太阳的es-空间目标信号来源主要是太阳光的辐射能量。一般可以认为太阳是绝对温度为5900K的黑体,其一定光谱范围的辐射出射度MeS(λ)可根据普朗克方程计算得到:式中:h为普朗克常数,c为真空中的光速,k为波尔兹曼常数,T为太阳的黑体温度。本文中下标e代表能量符号,下标q代表光子符号,下标v代表光度学符号。太阳对目标的单色辐照度EeS(λ)为:式中:AS为太阳表面积,RSE为日地平均距离。在相机的观测光谱范围(0.45~0.95µm)内计算可得太阳对目标的辐照度。1.2u3000光视效能这里将空间目标看作一个等效反射球体(朗伯辐射体),那么目标在观测相机位置的单色辐照度Ee(λ)为:式中:AO为空间目标的等效截面积,ρ为空间目标的光谱反射率,θ为观测相角,推得最终进入光学系统的空间目标的信号光子流量密度,空间目标在观测相机位置的辐照度Eq可以表示为:Eq=∫λ1hλ2Eec/λ(λ)dλphotons⋅m-2⋅s-1通常来说,习惯将空间点目标的信号亮度等效为天文学上的目标星等来衡量,天文上定义0m在地球大气层外产生的光照度Ev(0)=2.089×10-6lm/m2,目视星等为m的星,在地球大气层外产生的光照度Ev(m)=Ev(0)×10-m/2.51lm/m2,则空间目标在观测相机位置的辐照度可以通过下式得到:式中:K(λ)为光视效能,定义为光通量和辐射通亮之比,量纲是lm/W(流明/瓦)。由于人眼对不同波长的光的响应是不同的,随着光的光谱成分的变化(即波长λ不同),K(λ)值表示在某一波长上每1W光功率对目视引起刺激的光通量,K(λ)值在整个可见光谱区的每一波长处均不同。试验表明,光谱光视效能在波长λ=555nm处取得最大值Kmax=683lm/W。经计算,0.45~0.95µm波段的平均光视效能K≈145lm/W。2能量方程推导空间目标探测信噪比方程的推导可以用能量形式或光子形式。能量方程推导过程中假定探测器是功率-电压变换器。光子推导过程中假定探测器是一个积分光子计数器。本文采用光子形式对空间目标探测的信噪比进行计算。2.1光学系统的接收对于典型的空间目标观测相机而言,当对空间目标进行探测时,CCD像元接收到的光电子数为:式中:Qsig为CCD的量子效率,Aopt为光学系统的有效收光面积,t为曝光时间,τ为CCD光学系统的透过率。npix为GEO目标星像的象素数。2.2噪声因子及影响空间目标可见光相机系统在对空间目标探测时,噪声来源有:深空背景噪声、光子噪声、探测器噪声、驱动电路、温度环境等固有噪声和引入噪声等。探测器噪声主要包括转移噪声、产生复合噪声、暗电流噪声、输出噪声、量化噪声、模式噪声、电子读出噪声等,随着CCD器件工艺制造水平的不断提高可以忽略大部分噪声的影响。这里仅讨论主要贡献项,它们是深空背景噪声、暗电流噪声和电子读出噪声。除了各类星体(恒星和行星)外,深空背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射,也称为微波背景辐射。背景辐射是在宇宙早期大量原子核与电子组成中性原子时形成的。背景辐射形成后,辐射场温度逐渐降低,剩余温度约为3.5K,按普朗克公式,T=3.5K时辐射最强的波长为827.9m左右。它不是可见光,而是属于微波,通常可以忽略。本文假设深空背景等效星等为22星等。背景辐射噪声等效光子数为。暗电流噪声是载流子的热运动而发生的随机过程,可以用泊松分布描述。电子读出噪声正比于观测相机的帧频。目标辐射光子噪声是由于目标入射光子流的随机起伏产生的。上面提到的空间目标可见光相机系统中的各种噪声是相对独立的,因此,对于N个独立噪声贡献项,系统总噪声的方差是所有噪声贡献方差的总和,其计算公式为:2.3信噪比阈值的影响系统的信噪比SNR为:需要指出的是,信噪比阈值是探测能力的常用判距,只有当相机设计的信噪比大于信噪比阈值KS/N时,点目标探测能力才能满足要求,即。3太阳、卫星和观测站之间的关系3.1平黄经t如果假定地球不动,那么太阳相对于地球呈椭圆轨道运动,包含长期变化的太阳平均轨道根数分别记为aS、eS、εS、,表示太阳轨道长半轴、偏心率、黄赤交角、对应当天平春分点的几何平黄经、对应当天平春分点的近地点平黄经。有:aS=1.00000102(天文单位)式中:T为自J2000.0(即2000年1月1日12hTDT)起算的儒略世纪数。如果需要求解对标准历元平春分点的值,只需进行岁差改正。设RS为太阳的地心距,为太阳相对于当日平春分点的真近点角。则太阳在瞬时地心平赤道坐标系下的位置矢量为:太阳轨道的偏心率较小,在近似计算中有:公历日期的年、月、日(含天的小数部分)分别为Y、M、D,则对应的儒略日为:式中:[X]表示取X的整数部分,小数点后的位数省略。3.2c.5km观测平台的轨道根数可任意选择,这里选取MSX卫星运行轨道,其轨道根数如下a=7279.4km,e=0.0008,i=99.0856°,Ω=94.0821°,ω=63.3938°,M=296.6061°;其中,a为轨道长半轴,e为偏心率,i为轨道倾角,Ω为升交点赤经,ω为轨道面内近拱点方向的指向,M为平近点角。3.3参数性别分布假设选取的空间目标轨道根数为:a=42243km,e=0.0011,i=0.6730°,Ω=97.5802°,ω=194.4586°,M=9.5870°。4等效基因观测观测相机光学系统参数和CCD探测器的参数如表1所示。设空间目标的等效球体直径为D,反射率为0.3,在仿真时假设观测卫星和目标卫星运行轨道的过近拱点时间是任意的,则观测时刻t=2000.1.10.00:00:00-2000.1.10.01:20:0内目标的观测结果如图2所示。结果表明,空间目标的等效星等在不同的观测时刻存在2个星等左右的差别,导致目标成像的信噪比在观测过程中也存在变化。为了验证本文方法的正确性,将本文结果与文献的结果(如图3所示)进行比较,可以看出,本文仿真得到的星等估计与文献[3的星等估计值和星等的起伏范围相当,证明了本文计算方法的正确性。5空间目标的测量空间目标