空间目标的光度特性及其成像信噪比研究

开展空间目标的光散射与辐射特性的研究,对目标的探测、跟踪与识别、突防等技术具有十分重要的应用价值.本文对空间目标光度特性以及成像信噪比展开了研究.首先,对太阳在大气层外辐射照度进行了计算,推导出空间目标的辐照度计算公式,计算了目标的等效视星等值.然后,研究了J2000.0惯性坐标系中太阳、观测卫星和目标卫星的矢量坐标和各个角度与距离关系,并分析了相对距离、太阳相位角的变化及其对空间目标视星等值的影响.最后,针对CCD相机的系统参数,计算了空间目标CCD成像的信噪比.仿真表明,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.系统地对空间目标的光度特性和进行了研究,为空间目标的探测和识别提供了依据.     

空间目标红外成像特性建模与仿真

基于空间目标成像特性的几何模型,引入了区域分解、网格划分的思想,利用双向反射分布函数建立了空间目标红外光谱特性与成像特性的数学模型,给出了目标在探测器入瞳处及像面上的能量分布计算公式。基于目标和探测器的轨道参数,分析了空间目标的成像条件,给出了成像角度和成像尺度判断的数学依据。以风云一号卫星和伽利略卫星为例,根据目标的结构特性、材料特性、轨道特性等确定输入条件,计算获得了目标在探测器入瞳处的辐射照度及目标红外星等随时间的变化关系,同时获得了目标灰度图像随时间的变化特征。仿真结果验证了建模方法的正确性,实现了空间目标红外成像特性的动态模拟。     

海面目标天基红外探测概率研究与分析

天基红外成像侦察有着常规空基、地基、海基军事侦察手段无法比拟的空间优势,业已成为世界上各大军事强国重点发展的一项重要的军事侦察技术。首先,从海面目标的天基红外探测条件出发,推导出极限探测条件下的阈值信噪比和目标等效条带数的数学表达式。然后,以此为基础得出海面目标天基红外探测的探测概率公式。最后,分析了噪声等效温差、探测器瞬时视场、卫星轨道高度、目标与背景的零视距的实际等效温差、目标临界尺度以及大气透射率对天基红外目标探测概率的影响。研究表明对于大温差、大尺度的海面目标,天基红外探测的探测概率相对较高,但在大气透射状况一般时,要通过天基红外观测平台探测小温差、小尺度海面目标较为困难。研究结果对天基红外探测器的研制与设计具有一定的借鉴意义。     

地基红外系统探测空间目标红外星等的分析

地基红外系统探测空间目标的能力与目标辐射特性、背景辐射特性、大气条件、红外光学系统性能、探测器特性等因素密切相关。分析了空间目标在外太空背景下的红外辐射特性,基于满足红外焦平面探测器的最低可探测信噪比,综合考虑空间点目标成像的弥散斑、背景辐射和大气衰减的影响,推导了地基红外探测系统对空间点目标的作用距离估算方程。红外星等用来计算星体在红外波段的亮度,讨论了用红外星等划分空间目标的方法和原理。根据中波和长波计算红外星等的公式,给出了不同温度的空间目标与对应的红外星等的关系。为地基红外探测系统的设计和应用以及探测不同红外星等空间目标的综合性能评价提供了理论依据。     

天基可见光相机探测距离仿真分析

探测距离是衡量空间目标天基可见光相机探测、识别能力的一项重要指标.本文从辐射度学和光度学出发,通过对目标光度特性、天空背景特性、CCD噪声特性进行计算分析,建立了信噪比模型,信噪比模型是关于探测距离和成像像元个数的隐式.根据Johnson法则中成像像元个数与探测效果的对应关系,得出探测信噪比、探测距离与探测效果之间的关...     

空间观测序列图像目标运动成像仿真

研究了空间观测序列图像目标运动性质仿真算法。首先,利用平均轨道根数(TLE)预测目标和搭载观测相机卫星在真赤道、平春分点（TEMED)坐标系的位置矢量,通过成像时相机与目标之间的几何关系对目标的运动性质进行了分析,同时对影响序列图像恒星位置的因素进行了分析;规范了成像定标中的星等与灰度的转换关系,用16bits灰度图像对星图进行仿真,扩大了星图的动态范围,提高了星图仿真的精度。最后,以搭载天基可见光探测器(SBV)的美国中段实验卫星轨道为载荷卫星运行轨道,对天基观测序列图像进行了仿真,结果表明本文给出仿真序列图像与美国公开发表的SBV相机拍摄图像基本一致。     

空间目标红外地基探测的信噪比分析

建立了天空背景辐射、大气传输和地基探测系统的仿真模型,并基于已有的低轨道卫星红外辐射特性的模型,整合了一套研究空间目标红外探测的方案。利用该方案计算了探测器对卫星探测的信噪比,分析了卫星在不同过境时间的红外地基探测的效果。通过比较不同红外波段的探测信噪特性,探究了在不同情况下如何选择最佳的观测波段。研究结果显示,当目标处于日照区而观测点在阴影区时,近红外波段的探测信噪比很高,当目标进入阴影区后该波段无探测信号。不论卫星是在日照区还是阴影区,远红外波段始终可进行探测,但是当卫星表面温度较低或者距离较远时,信噪比较低。另外,由于卫星电池板的对日定向特性,探测器接收到的红外辐射信号会随着太阳高度角的变化而出现不同的特性。     

空间目标天基光学成像仿真研究进展

空间目标光学成像仿真在天基光学观测系统研制开发过程中具有重要的价值和意义。以天基空间目标的可见光和激光成像仿真为研究对象,分析了空间目标成像仿真的研究内容、关键技术和方法,重点介绍了天基空间目标激光成像仿真、可见光成像仿真与复合成像探测仿真研究方面的国内外典型研究单位的研究成果以及下一步的研究发展方向,可为空间目标成像仿真研究思路与方法提供借鉴。     

基于天基逆合成孔径激光雷达的静止轨道目标成像

由于没有大气扰动的影响,利用天基逆合成孔径激光雷达（ISAL）对静止轨道目标成像成为可能。初步设计了对静止轨道目标成像的天基ISAL 的运行轨道,分别分析了在顺行轨道和逆行轨道下,天基ISAL 轨道高度对重访周期、成像分辨率和成像积累时间的影响;给出了ISAL 方位成像的最小无模糊脉冲重复频率（PRF）,分析了回波信噪比与成像距离、收发孔径之间的关系。研究结果表明,利用逆行轨道的天基ISAL 对静止轨道目标成像是初步可行的。     

天基空间目标可见光相机探测能力分析

空间目标可见光相机的探测能力与空间目标可见光特性、探测器件性能指标等因素有关。为得到空间光学相机对200~1 500 km中低轨道可见光目标的探测能力,基于基本辐射理论,综合考虑空间目标几何特性、背景特性与材料特性,建立空间目标特性的数学模型,在可见光0.4~0.7μm谱段进行仿真计算。得出可见光相机对中低轨道空间目标探测能力的理论计算方法,并得出相关光学参数计算公式,为空间光学相机的设计提供理论支持。     

空间碎片天基光子计数激光探测研究

为了满足空间碎片探测与精确定轨的需求,采用光子计数的高灵敏激光探测方法,讨论了盖革模式下雪崩二极管探测器的光子计数探测基本原理,并建立了引入探测器与空间碎片的相对径向速度的天基光子计数探测模型,进行了空间碎片光子计数激光探测的理论分析和仿真验证。结果表明,在可探测速度范围内,光子计数激光探测技术能有效探测到尺寸为10cm的空间碎片目标,测距平均误差为34.72cm。与传统地基雷达和光电探测手段相比,此技术测距精度能提高3个数量级,可有效降低航天器与空间目标碰撞的概率。     

空间目标天基光学观测模式分析

对空间目标的监视可采用地基和天基两种方式实现。与地基观测相比，天基观测在空域覆盖性和监视时效性等方面具有较大优势，空间目标天基观测技术已成为当今空间领域的前沿性技术。目前，许多国家和组织都在大力发展空间目标天基观测技术。天基光学观测可采用光学栅栏、特定天区和地球同步带搜索方式实现空间目标的捕获；可通过恒星跟踪和天文定位方法获取空间目标的位置信息；可采用等待或跟踪方式实现对目标的成像。     

小尺度空间碎片天基激光清除过程研究

选取LEO区域中典型材料的小尺度空间碎片,建立了相应的靶材模型,研究了高能脉冲激光与靶材作用下碎片速度的变化规律。在此基础上建立了激光辐照作用下小尺度空间碎片的变轨模型。通过仿真分析,对高能脉冲激光作用下典型空间碎片轨道参数的变化规律进行了数值模拟。研究结果表明,设定的天基平台激光站能在一个飞行周期内辐照典型材料碎片达到降轨清除的目的,为天基平台激光清除空间碎片技术的应用提供了必要的理论基础。     

中段弹道目标群的红外成像仿真研究

建立中段弹道目标的简化辐射模型和基于点扩散与拖尾的红外焦平面模型,结合目标群中各目标的运动位置和空间目标投射到二维焦平面位置坐标的计算,仿真天基低轨红外传感器对中段弹道目标群的成像.分析仿真结果,发现中段弹道目标群的存在对天基红外传感器的目标探测与跟踪提出了新的要求,并给出一些解决途径.     

基于OpenGL的星载可见光相机成像仿真系统

介绍了一种星载可见光相机成像仿真系统,它主要用 于模拟星载可见光相机观测其他空间目标时的场景并输出仿真 图像。该系统不仅可以为空间目标检测与追踪研究提供图像数 据,而且还可以为空间相机的设计及性能评估提供技术支持。采用 3ds Max软件建立了空间目标的精准三 维模型,并给其赋予了材质属性;使用卫星工具包(Satellite Toolkit, STK) 预报了被观测目标和相机的轨道参数,并利用星表提供了星空背景中 恒星的位置、星等和自行等参数;在开源图形库(Open Graphics Library, OpenGL)中 建立了星载可见光相机观测空间目标时的场景,并模拟了星载可见光 相机的观测效果。结果表明,本文系统具有较高的仿真度和渲染速度,可 以实现深空点目标和近距离面目标的观测成像效果图的实时渲 染。     

天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。     

深空双波段红外动态场景仿真与目标分析

为了提高深空中红外探测器探测波段选择的效率以及反映目标真实的在轨状态,文中研究了空间目标动态红外图像的生成技术以及双波段红外图像的仿真。结合从STK获得的空间目标的运行轨迹和姿态数据以及从3DS MAX获得的目标模型数据提出了一种进行空间目标红外成像仿真的方法。首先分析了深空背景中目标的红外辐射特性以及目标在中波和长波两个波段中的辐射特性,为探测器波段参数的选择提供了依据;然后介绍了用节点网络法求解热平衡方程的方法并且简化了求解过程,提高了效率;最后阐述了空间目标红外成像系统的理论模型,实现了空间目标的红外可视化建模与仿真。仿真图像对新型系统的研制和红外图像处理算法的研究有重要的意义。