近红外白天测星时不同方位角的背景辐射修正

基于星敏感器的白天测星可探测到的星数目有限,严重限制了导航需求。利用红外波段可以探测到足够多的用以导航的星体。采用近红外多视场小口径探测器同时对不同天区进行恒星探测。各个探测器接收到的背景辐射不同,探测到的恒星视星等也不同。利用MODTRAN软件对白天不同探测器方位角时的背景辐射进行了分析。根据不同方位角时的辐射曲线,提出了背景修正方法倒影法并以6星等恒星对其进行了验证。     

近红外多视场白天测星分析

近红外多视场恒星探测系统采用3个探测器同时进行恒星探测,分析了近红外波段白天恒星-背景对比度随探测参数的变化情况,对不同视场对比度进行对比,结果表明:随着探测天顶角的增大,恒星-背景对比度呈线性增大;太阳天顶角大于探测器天顶角以后,恒星-背景对比度随太阳天顶角近似于指数增长;一定高度时,对比度随探测器高度的增加近似指数增加;而随着探测方位角的增大,恒星-背景对比度呈高斯分布;三个视场内同一时刻的背景辐射比在主视场0探测方位角时达到最小,探测到的恒星-背景对比度随主视场探测方位角变化呈对称分布,为星等修正奠定较好的基础。     

雨雾对白天测星影响分析

白天恒星探测工作涉及到很多环境因素的影响,现有文章对理想环境及云层存在时,不同参数条件下的测星工作进行了分析,除去主要影响因素云层外,红外辐射在大气的传输过程中,还有不确定因素雨、雾的影响。主要针对这两种不确定因素展开研究,雨和雾的存在在时间、地域以及高度因素上都是不确定的,结合已有的经验公式,针对不同参数情况下的辐射衰减情况进行分析,定量明确雨和雾对辐射传输的影响。     

三视场白天测星研究

白天恒星探测最大的困难在于过强的背景辐射,全天时近红外多视场探测系统将三个参数相同的探测器刚性固连在探测平台上,同时进行恒星探测。结合中国地理位置,分析了白天近红外波段三个探测视场内的恒星——背景对比度随太阳天顶角、平台方位角、平台x方向俯仰角,平台y方向俯仰角及平台高度的变化情况。结果表明,随太阳天顶角的变化,对比度近似指数增长;随平台方位角的变化,对比度呈正态分布变化;当平台有一定的倾角时,对比度变化都很低且变化范围不大,但三个视场间相差较大（相差1.5~20倍不等）;随着平台高度的变化,对比度呈指数变化明显增大;为星等修正研究奠定较好的基础。     

白天天体光谱偏振成像技术及实验研究

为了解决白天天体观测能力受限问题,采用光谱偏振成像技术,并结合天空背景偏振态实时测量方法,显著降低大气散射影响,将提高白天强背景下天体探测信噪比和对比度.讨论了针对天空强背景下天体光谱偏振成像探测原理,介绍了相关实验系统,开展了白天恒星光谱偏振成像实验研究,获得了星等为6.33的恒星目标实验结果,并与光谱强度图像进行了对比.实验结果表明了使用光谱偏振成像能够明显改善天体探测对比度,证明了光谱偏振成像技术能够很好地应用于白天天体天文观测研究.     

红外K波段白天探测能力分析验证

对空间目标白天探测的关键技术,包括大气透过率分析、天空背景辐射分布、探测能力计算等进行了研究。在此基础上选取K波段光谱在1.23 m口径地基光电望远镜上进行白天观测实验,对关键技术进行验证。实验数据表明,经过优化设计此系统在30俯仰角时白天极限探测10.38等星,较未优化前白天探测能力提高24.9%,为中高轨卫星的全天时观测提供重要依据。     

夜间天空背景及云层红外辐射测量分析

采用中波、长波红外热像仪对夜间无云天空背景及云层背景红外辐射亮度进行了测量。无云天空背景中波波段辐射亮度在0.58~1.30 W·m-2·sr-1,长波波段辐射亮度在6.61~15.29 W·m-2·sr-1。由于夜间条件下无太阳辐射影响,相同俯仰观测角条件下,0°~360°各个方向天空背景辐射亮度基本一致。从无云区到有云区,随着云层厚度的增加,其辐射亮度逐渐增大。相对于无云背景,中波波段云层中心辐射亮度增加了1.5%,长波波段云层中心辐射亮度增加了14.2%,长波波段云层对天空背景辐射影响更加显著。     

基于SUSAN算子的白天红外星目标检测

受多种因素的影响,白天获得的红外星图像信噪比低,且背景通常是不均匀的,为红外星目标的提取造成了极大的困难。通过理论计算,实际白天拍摄的近红外星图信噪比极低,使用一般的滤波方法无法提取出恒星目标,目前常用的形态学方法对于星图像的处理也不甚理想。首先分析背景特性,采用多帧叠加的方法削弱随机噪声,增大信噪比;然后设定阈值对叠加后的星图进行背景消除,得到只含有目标及噪声的图像;最后基于图像的特性,使用改进的SUSAN算子对星图进行目标检测,进而分割出目标,实验证明,与传统方法相比,该方法可较好地分离出恒星目标。     

基于形态学的白天近红外星目标检测

受多种因素的影响,白天获得的近红外星图像信噪比低,且背景通常是不均匀的,为红外星目标的提取造成了极大的困难。通过理论计算,实际白天拍摄的近红外星图信噪比极低,使用一般的滤波方法无法提取出恒星目标,形态学运算对于星图像的处理具有较好的效果。首先分析目标及噪声大小,选择较大的结构元素,然后组合开运算及顶帽变换,提取出背景,得到只含有目标及噪声的图像,然后改变结构元素大小,消除掉噪声,进行目标分割。实验证明,可较好地分离出恒星目标。     

天空背景红外辐射亮度测量及其对目标探测的影响分析

天空背景的红外辐射特征对目标侦察探测具有重要意义。利用3μm~5μm中波、8μm~12μm长波红外测量设备对天空背景红外辐射亮度进行了测量,长波波段辐射亮度在3.7~13.6 W?m-2?sr-1,中波波段辐射亮度在0.05~0.48 W?m-2?sr-1,相同条件长波辐射亮度高于中波辐射亮度1~2个数量级;随着观测角增大,天空背景辐射亮度显著降低,同时太阳辐射、大气温度等因素也对天空背景辐射有较大的影响。利用测量结果仿真分析了天空背景辐射对目标侦察探测距离的影响,结果表明当观测角由9.6°降低到1.9°时,红外搜索跟踪系统探测距离会减少41.5%~46.2%。     

全天时星敏感器的建模分析与实验验证

全天时星敏感器技术可以将星敏感器的应用推广到临近空间飞行器如平流层飞艇和高空气球等平台,是星敏感器未来发展的一个重要方向。由于白天受到强烈的大气背景辐射的影响,可见光波段星敏感器的探测能力显著受限。大气背景辐射在短波红外处的强度迅速降低,因此利用短波红外成像系统在0.9~1.7m波段下进行恒星探测成为研究全天时星敏感器技术的一种有效可行的方案。为了系统地分析并验证短波红外全天时星敏感器的可行性,文中在分析全天时星敏感器探测模型的基础上,重点讨论了短波红外探测器噪声对星敏感器探测能力的影响并基于探测模型确定了20 km高度处全天时星敏感器的光学参数。基于短波红外探测器研制了全天时星敏感器原理样机,结合地面处的观星实验,测试了原理样机的探测性能并验证了全天时星敏感器探测模型的正确性。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

基于EMCCD相机的全天时大气相干长度测量系统

根据差分像运动原理研制出一款以EMCCD相机为探测器的全天时大气相干长度观星测量系统。经过对天空背景光光谱分布与EMCCD光谱响应特性的分析,选择中心波长为700 nm的光谱滤光片,可有效地抑制背景光入射。介绍了系统主要噪声组成,通过计算得到了系统白天极限探测星等约为7.35。在野外开展了以小熊星座所属多颗不同星等恒星为目标的日间观星实验,结果表明测量系统对星等为3恒星具有较好的日间探测能力。通过全天24 h对大气相干长度的连续测量,得到了长春地区整层大气湍流强度变化特征曲线。     

白天天空背景对昼夜大气相干长度仪数据影响

昼夜大气相干长度仪实现了全天候连续观测恒星,是一种大气相干长度的常规观测仪器。主要分析了白天天空背景光引起的大气相干长度测量误差,提出了适合于工程应用的图像消噪方法,并进行了数值仿真,结果表明:该消噪方法能有效抑制白天天空背景引起的图像传感器噪声,使其在最大天空亮度观测3.5等星时所引起的大气相干长度测量误差减小到1.434%,扩大了选星跟踪范围,证实了该消噪方法应用于提高仪器测量精度的可行性和白天星像质心提取的准确性。     

地基天空背景辐射测量技术及其应用研究现状与展望

天空背景辐射是指大气粒子对太阳光的吸收和散射形成的大气层内散射光亮度的空间分布,在科学研究及工程应用方面发挥重要作用。简要介绍了几种地基天空背景辐射测量仪器,并从大气气溶胶粒子光学特性反演,大气柱中水汽、臭氧、NO2等气体含量反演,及云的分布判别几个方面阐述了地基天空背景光谱辐射分布在大气光学方面的应用,为后续的研究提供参考。最后,提出几点根据全天空背景光谱辐射进行环境感知及天气识别等方面的研究目标。     

星敏感器白天观星的对比度分析

恒星-背景对比度是星敏感器白天探测恒星的一个重要参数,它决定了星敏感器可探测星等的极限值.叙述了恒星-背景对比度的计算方法,分析了星敏感器在3°× 3°视场角和0°与40°两个观测角下,6等K和M型恒星的对比度随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化特征.结果表明:对比度随观测高度的增加按指数增加,40 km高度上的对比度是10 km上对比度的100倍左右;随太阳天顶角的增加按线性增加,长波波段上80°太阳天顶角的对比度是20°时的6倍左右;经过滤波片(B W 090)滤光的全波段(0.4～1.0μm)上的对比度和0.6～0.7μm分波段的对比度较接近;全波段上的对比度随恒星光谱类型几乎不变化.这些结果可用于星敏感器在大气层内白天观测恒星的星等极限估计.     

白天空间目标激光测距微弱信号探测方法

白天空间目标激光测距数据有助于提高空间目标定轨精度,在航天科研方面具有重要应用价值。白天天空背景较亮,激光测距回波信号一般很弱,从较强背景光中识别出微弱的空间目标激光回波信号十分困难。针对白天空间目标激光测距微弱信号探测技术难题,从白天天空背景噪声影响估算入手,计算了不同探测阈值情况下的测距虚警率,分析了白天激光测距距离门宽与探测阈值的关系,给出了白天对空间目标激光测距的回波信号探测阈值,提出了基于多光子探测器的白天激光测距微弱信号探测方法,并对其可行性进行了实验验证,该研究成果可应用于白天空间目标激光测距系统设计及新型激光测距系统发展研究等方面。