天基空间目标红外辐射特性分析与目标工作信息反演

发布时间：2020-10-01 18:27

　　随着空间态势感知在国家安全等领域的作用越来越重要,现有的地基空间目标可见光探测系统、地基空间目标红外探测系统和天基空间目标可见光探测系统已经逐渐发展成熟,发展新的空间态势感知手段以弥补这些感知手段的不足很有必要。本文研究了空间态势感知发展完善过程中必不可少的一种手段——天基空间目标红外辐射特性及其获取。由于复杂的轨道热辐射的影响,空间目标在轨运行过程中会经历几十度甚至上百度的温度交变。多层隔热材料是目前最常用的空间目标包覆材料,它可以大幅减小轨道热辐射对空间目标内部载荷的影响。与此同时,空间目标内部产生的多余热量也不能有效地通过空间目标表面排放到太空中。往往需要使用热控系统将这些多余热量转移到位于空间目标外表面的辐射散热器,由其以热辐射的形式向空间辐射。如辐射散热器等这种空间目标外表面的区域可以被看做红外特征源。这些红外特征源与空间目标内部载荷的工作状态有关,通过对其进行观察可以实现对空间目标工作状态的推断。本文的主要研究内容如下:(1)建立了基于辐射散热的空间目标红外辐射模型。针对空间目标的辐射散热器等红外特征源,将空间目标外表面分为一般区域和散热区域,并分别建立能量方程,研究其辐射特性。根据空间目标的辐射特性研究了空间目标辐射测量系统工作波段的选择,得出结论,长波波段的辐射强度更强,适合进行测量工作。(2)提出了基于阈值统计的空间图像降噪方法和基于配准统计的非均匀性校正方法。针对天基空间目标图像的背景为深空的特点,通过选择阈值将目标提取出来,对剩余区域进行统计,利用区间估计的方法,得到图像加性噪声在一定置信度下的置信区间,进而计算出信号在该置信度下的置信区间,达到降噪的目的。仿真结果显示,该方法使图像的局部SNR提高了约27.93,降噪效果明显优于均值滤波、中值滤波和小波阈值去噪算法。利用标定后红外成像系统增益漂移的随机性,对第2至n幅图像与第1幅图像配准后做商,并对商值进行统计,利用区间估计得到第2至n幅图像的统计增益与第1幅图像目标对应区域增益之比的置信区间,由于第2至n幅图像增益的统计均值已知,进而可得到校正后的第1幅图像。仿真结果显示,该方法使图像的局部SNR提高了约29.13,可以有效减小非均匀性的影响。(3)研究了工作波段、成像系统噪声和点扩散函数误差对天基空间面目标温度反演的影响。辐亮度测温、比色测温和光谱测温是常用的三种测温方法,通过在不同工作波段、不同成像系统噪声和不同点扩散函数误差下利用这三种方法反演空间目标的辐射散热器温度,得出结论,中波波段的辐亮度测温误差小于长波波段的辐亮度测温误差,长波波段的比色测温误差小于中波波段的测温误差;相同成像系统噪声水平下,辐亮度测温的误差最小,比色测温的误差次之,光谱测温的误差最大;相同点扩散函数误差下,中波波段的测温误差小于长波波段的测温误差。(4)研究了环境辐射波动、包覆材料退化和成像系统噪声导致的最小可分辨空间目标辐射散热功率变化值,并提出了一种反演空间目标辐射散热功率变化率的方法。通过研究环境辐射波动、包覆材料退化和成像系统噪声等因素对空间目标辐射散热器温度的影响,可以得到最小可分辨辐射散热功率变化值。研究结果显示,太阳辐射波动±1%导致的最小可分辨辐射散热功率变化值最大为[-0.1622W,0.1496W],太阳吸收比?0.01导致的最小可分辨辐射散热功率变化值最大为[-0.1591W,0.1467W],增益噪声为N(1,0.01)时置信度为99.37%的最小可分辨辐射散热功率变化值置信区间为[-2.2219W,2.2276W],偏置噪声为N(10~5,10~4)时置信度为99.37%的最小可分辨辐射散热功率变化值置信区间为[-0.0490W,0.0613W]。当辐射散热器的散热功率发生变化时,能量方程中变化的量只有内部散热功率和温度,通过在选取两个时间间隔相同的四个时间点,对能量方程两两做差并求解方程组,可以得到辐射散热器的散热功率变化率。仿真结果显示,当辐射散热器的散热功率以1W/s的速率变化时,该方法计算得到的散热功率变化速率为0.9754W/s,相对误差约为2.46%。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP391.41;TN215
【部分图文】：

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图 1.1 SBIRS 系统示意图[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch map是导弹监视，其工作流程为：1.导弹外辐射特征进行探测、跟踪；2.星载终端，并且送到任务控制总站；3.任务析处理，并反馈给 SBIRS 星座；4.任、预报落点等数据，并通过多颗卫星间指挥部接收导弹发射预报数据并将用户终端；6.随后的大范围数据回放更新。

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图 1.1 SBIRS 系统示意图[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch mapIRS 主要任务是导弹监视，其工作流程为：1.导弹发射后，SBI弹尾喷焰的红外辐射特征进行探测、跟踪；2.星载系统处理并传控制站的用户终端，并且送到任务控制总站；3.任务控制总站接收提供的数据分析处理，并反馈给 SBIRS 星座；4.任务控制总站生发射点、方位、预报落点等数据，并通过多颗卫星的数据融合获报；5.空军空间指挥部接收导弹发射预报数据并将其分发给分布战略战术情报用户终端；6.随后的大范围数据回放允许更全面的并提供数据的更新。

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【参考文献】