面向空間探測與識別的目標(biāo)光學(xué)特性分析

朱 琳，吳 雙，佟 岐，錢 帥

（中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

空間光學(xué)監(jiān)視系統(tǒng)是空間目標(biāo)探測的重要手段，國際上通常采用被動(dòng)光學(xué)或主動(dòng)雷達(dá)等體制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)偵察、識別、定位等功能。光學(xué)探測不主動(dòng)發(fā)射電磁波，具有隱蔽性好、資源占用少、分辨率高等優(yōu)勢，受到各軍事強(qiáng)國的重視。

光學(xué)探測波段涉及紫外、可見光及紅外波段。其中，紫外波段特性主要來自航天器主動(dòng)段助推尾焰、高溫等離子體輻射等，空間目標(biāo)在軌穩(wěn)定運(yùn)行輻射場景少，紫外波段輻射特性弱；可見光波段特性主要來自太陽光照反射，空間目標(biāo)在軌運(yùn)行長期受到光照影響，可見光波段特性強(qiáng)；紅外波段特性主要來自自發(fā)輻射與助推尾焰，空間目標(biāo)在軌穩(wěn)定運(yùn)行存在穩(wěn)定自發(fā)紅外輻射與間歇的姿軌控助推，紅外波段特性強(qiáng)。因此，空間目標(biāo)探測主要選用可見光與紅外波段。本文從可見光目標(biāo)特征、紅外目標(biāo)特征2 個(gè)方面開展分析研究，為空間目標(biāo)探測與識別系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 空間目標(biāo)的可見光特性分析

可見光探測空間目標(biāo)受太陽光照條件的約束，在目標(biāo)光照區(qū)，目標(biāo)的可見光輻射主要來自目標(biāo)對太陽光的反射，可見光反射強(qiáng)度同觀測視線和太陽光線的夾角密切相關(guān)。由于太陽、目標(biāo)衛(wèi)星和觀測衛(wèi)星三者之間存在實(shí)時(shí)相對運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)表面大小、目標(biāo)反射率等也影響反射強(qiáng)度。這些因素對目標(biāo)特性分析具有嚴(yán)重影響。圖1 為地球大氣層外太陽光譜照度曲線圖。

圖1 地球大氣層外太陽光譜照度

通常情況下，在研究太陽光的光譜特性時(shí)，可將其看作是一個(gè)絕對溫度為5 900 K 的黑體，則根據(jù)普朗克方程，在一定光譜范圍[，]內(nèi)，太陽光出射度為：

式中，為空間目標(biāo)與傳感器之間的距離；()為目標(biāo)表面反射率；為衛(wèi)星的面元數(shù)；A為衛(wèi)星面元的有效反射面積；A為衛(wèi)星任一面元；為傳感器與目標(biāo)連線與目標(biāo)表面法線方向的夾角，即相機(jī)觀測角；為太陽與目標(biāo)連線與目標(biāo)表面法線方向的夾角；按照有效反射面積的物理意義，探測器要接收到面元反射到傳感器處的太陽光，和的取值在0～π 2 之間，其它情況下，A取值為0。圖2 為空間目標(biāo)某一面元與太陽、探測器之間的位置關(guān)系示意圖。

圖2 目標(biāo)某一面元與太陽、探測器之間的位置關(guān)系示意圖

根據(jù)目視星等計(jì)算公式，可將輻照度轉(zhuǎn)換為目標(biāo)等效星等，如：

式中，為-26.7。

假設(shè)空間目標(biāo)為長寬高各為1 m×1 m×1 m 的立方體，在衛(wèi)星的6 個(gè)面中，通常只有部分反射面滿足有效反射面積的物理意義。圖3 為空間目標(biāo)與相機(jī)、太陽相對位置關(guān)系示意圖。

圖3 空間目標(biāo)與相機(jī)、太陽相對位置關(guān)系圖

根據(jù)STK 仿真模擬，取2021 年5 月份某一天，不同時(shí)刻下，相機(jī)與目標(biāo)連線與目標(biāo)各個(gè)表面法線方向的夾角，如表1 所示；太陽與目標(biāo)連線與目標(biāo)各個(gè)表面法線方向的夾角，如表2 所示；相機(jī)與目標(biāo)之間的距離，如表3 所示。

表1 不同時(shí)刻下，相機(jī)與目標(biāo)連線與目標(biāo)各個(gè)表面法線方向的夾角θ1i

表2 不同時(shí)刻下，太陽與目標(biāo)連線與目標(biāo)各個(gè)表面法線方向的夾角θ2i

表3 不同時(shí)刻下，探測器與目標(biāo)的距離R

空間目標(biāo)各個(gè)表面材料反射率取0.25，不同時(shí)刻下，根據(jù)以上STK 仿真數(shù)據(jù)，得出目標(biāo)的等效面積、傳感器處的輻照度、目標(biāo)等效星等，如表4 所示。

表4 不同時(shí)刻下，目標(biāo)的等效面積、傳感器處的輻照度、目標(biāo)等效星等

根據(jù)可見光目標(biāo)特性分析，設(shè)計(jì)了一套可見光光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可探測的極限星等為六等星。其中，可見光鏡頭的焦距為18 mm。選用CMOS探測器，像元數(shù)為1 480×1 080，像元間距為3.45 μm。實(shí)驗(yàn)選于2021 年8月份某一天開展，圖4為該光學(xué)系統(tǒng)的觀星效果圖。

圖4 觀星圖

圖4 中所探測的星等，根據(jù)星圖定位，可知，參宿二：1.69 星等、參宿一：1.74 星等、參宿三：2.25 星等、31獵戶座：4.71 星等、51 獵戶座：4.90 星等、HR1952：4.95星 等、HR1861：5.34 星 等、HR1868：5.36 星 等、HIP25976：6.0 星等。

2 空間目標(biāo)的紅外特性分析

可見光波段的探測過程只能在陽照區(qū)進(jìn)行，紅外探測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對處于陰影區(qū)的空間目標(biāo)的探測。目標(biāo)的紅外輻射信號與自身的熱特性有關(guān)，因此需要對空間目標(biāo)的紅外特性進(jìn)行詳細(xì)分析。圖5 為不同溫度下黑體光輻射出射度與波長的關(guān)系圖。

圖5 不同溫度下黑體光譜輻射出射度與波長的關(guān)系

將空間目標(biāo)近似看做一個(gè)黑體，則根據(jù)普朗克方程，在某一溫度下，在一定光譜范圍［，］內(nèi)，黑體光譜輻射出射度為：

假設(shè)所研究的目標(biāo)本體為長寬高各為1 m 的立方體，兩側(cè)太陽能電池板的長寬高各為5 m、1 m、25 mm，衛(wèi)星以三軸穩(wěn)定的姿態(tài)運(yùn)行，衛(wèi)星星體模型如圖6 所示。一般情況下，衛(wèi)星本體發(fā)射率為0.1，太陽帆的發(fā)射率為0.87。當(dāng)空間表面溫度分別在高溫、中溫、低溫時(shí)3～5 μm 中紅外波段及8～12 μm 紅外輻射強(qiáng)度如表5 所示。

表5 衛(wèi)星表面紅外輻射強(qiáng)度（1 m×1 m 衛(wèi)星）

圖6 典型六面體衛(wèi)星星體示意圖

由紅外輻射強(qiáng)度計(jì)算可知，在相同溫度下，長波的輻照度要比中波的大。因此在空間目標(biāo)探測時(shí)最好選用長波紅外，如果想要提高探測距離，需要調(diào)整紅外相機(jī)有效口徑、提高信噪比等。同時(shí)為了滿足目標(biāo)的近距離識別，需要提高系統(tǒng)的分辨率。

根據(jù)紅外目標(biāo)特性分析，構(gòu)建空間目標(biāo)探測場景，結(jié)合某在軌空間監(jiān)視相機(jī)參數(shù)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如圖7 所示。

圖7 長波探測裝置對50 km 外240～300 K（鋁材質(zhì)）探測仿真結(jié)果

3 空間目標(biāo)特性總結(jié)

根據(jù)上文對空間目標(biāo)可見光、紅外波段特性的分析，結(jié)合衛(wèi)星平臺等典型空間目標(biāo)的物理特征，得到仿真計(jì)算結(jié)果如表6 所示。

由表6 中數(shù)據(jù)可以看出，空間目標(biāo)的可見光反射強(qiáng)度及紅外輻射特性較強(qiáng)，且在軌穩(wěn)定運(yùn)行階段長波紅外的輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)大于中波紅外。

表6 空間小型目標(biāo)特性分析

可見光探測體制具有成像分辨率更高、探測距離更遠(yuǎn)、單視場更大的優(yōu)勢，但在軌工作時(shí)，存在地影區(qū)影響，無法對目標(biāo)進(jìn)行有效探測；紅外探測體制滿足陽照區(qū)、陰影區(qū)的探測需求，可全天時(shí)工作，但設(shè)備相對復(fù)雜、分辨率較低。因此可針對不同的使用場景，選擇不同探測體制。

4 結(jié)束語

面向空間探測與識別的目標(biāo)光學(xué)特性分析是空間目標(biāo)偵察探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系到整機(jī)系統(tǒng)功能性能等指標(biāo)。本文針對空間目標(biāo)探測需求，設(shè)置典型目標(biāo)參數(shù)，詳細(xì)分析了其可見光、紅外等多個(gè)波段的目標(biāo)特征，并完成了可見光及長波紅外系統(tǒng)成像仿真分析，為光學(xué)系統(tǒng)效能評估、目標(biāo)跟蹤與識別算法等提供數(shù)據(jù)支撐。■