光度数据反演临近空间低速点目标特征信息与运动信息

发布时间：2020-08-03 11:04

【摘要】：临近空间是指距离地面20-100km的区域,位于目前飞机所能飞行的最高高度及卫星绕轨运行的最低高度之间。常见的临近空间飞行器有高超声速飞行器、平流层飞艇、高空气球等。国内外已将临近空间飞行器应用于多个领域,包括商业通信、天文观测、气象探测等。因此,迫切需要发展临近空间飞行器地基探测技术,监控临近空间飞行器的运动轨迹,保障国家安全。对于远距离的临近空间低速目标,由于成像距离远,自身辐射温度与周围环境温度差异较小,以致目标辐射能量较小。目标辐射能量在传输过程中,受到大气散射以及光学系统的衍射现象等因素影响,使得目标在像面上成点源光斑像,难以获取目标的形状特征信息和运动信息,因此难以实现临近空间低速目标的实时监视。本文针对此现象开展了一系列研究,主要工作如下:1、基于应用光学中基本辐射理论,研究了临近空间高空气球的光散射特性。利用计算几何学的坐标转换以及网格划分建模思想,对高空气球球面进行网格面元划分。根据高空气球等透明类目标几何结构和目标光学特性,推导出透明类目标双向散射分布函数(BSDF)镜反射/折射、近镜反射/折射、漫反射/折射、理想漫反射/折射相结合的计算模型,最终得出高空气球散射背景辐射在地面产生辐射亮度的计算模型。利用MODTRAN软件在0.36-1μm,3-5μm和8-14μm仿真计算了临近空间高空气球的背景辐射亮度,在0.36-2.4μm波段仿真计算了高空气球亮度。2、利用光电探测基本理论,研究了临近空间低速目标地基探测系统的探测能力和光度数据获取方法。基于探测系统背景辐射特性以及高空气球辐射特性,建立了探测系统辐射接收模型。考虑大气传输、光学系统成像、探测器以及探测器采样对辐射的影响,精确计算了高空气球辐射及背景辐射在探测器焦平面阵列上产生的信号电子数,推导出用于高空气球探测的信噪比。利用Modtran软件仿真计算了自身辐射、镜背景辐射、漫背景辐射亮度,分析了复杂大气条件下的高空气球辐射特性,并计算分析了高空气球镜反射率和漫反射率以及积分时间对探测系统信噪比的影响。为了验证可以从非分辨的光度数据和角度数据估计高空气球的非直接观测状态参数,例如位置和速度参数,搭建了地基光电探测系统,进行了两组观测实验。在观测实验中,地基光电探测系统捕获了目标光度图像。光度图像经过暗场校正和平场校正后,进行了孔径测光处理,处理结果为低速目标的光度数据。3、在利用光度数据反演临近空间低速点目标形状信息过程中,采用两种形状描述方法来参数化描述目标形状,利用三种正则化函数约束目标形状变化。由两种形状描述方法构建目标初始形状模型,在对目标三维形状模型的二维映射模型和光度数据进行傅里叶变换的基础上,结合光学系统点扩散函数来反演空间目标形状尺寸信息。结果表明:两种形状描述方法反演的目标形状主要特征相似,表明这种形状特征是从光度数据中提取到的。4、提出了一种针对临近空间典型低速目标的运动信息反演方法,目的是通过使用无迹卡尔曼滤波器从非分辨光度数据和角度数据中估计出非直接观测状态参数(位置和速度)。在反演计算中,高空气球动力学和运动学模型以及观测模型分别用作时间更新和测量更新功能。给出了两组实验中的高空气球位置和速度估计值和实际值对比图。同时给出了实际状态参数和估计状态参数之间的误差值。两组实验结果证实了:非分辨光度数据和角度数据可用于反演临近空间低速目标的非直接观测状态参数(位置和速度)。
【学位授予单位】：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
【学位授予年份】：2018
【分类号】：E91;V219
【图文】：

目标图像,光度,数据反演

[10能通过高分辨力成像监视（图1.1人造目标和自然天体光度数据反演点目标形状特征信息的研究M. Kaasalainen该优化方法理论上可以从光度数据中反演出凸状和凹状目标的形甚至是凹陷尺度结构，函数失去了线性获得正约束性该方法的缺点是光度数据反演临近[10-13]。光度数据反演临近空间[9, 14, 15]（例如国际太空站目标图像随着距离目标形状特征信息的研究利用光度数据反演空间点，主要包括光滑函数法和多面体法性获得正约束性该方法的缺点是只临近空间低速点目标特征信息与运动信息光度数据反演临近空间，这种方法不仅可以应用到例如国际太空站人造目标和自然天体目标点目标形状特征信息的方法起源于和 J. Torppa[22]，该方法以高斯面密度法为基础主要包括光滑函数法和多面体法性获得正约束性，只适用于尺寸比较大点目标特征信息与运动信息这种方法不仅可以应用到[16-20]例如国际太空站、哈勃太空望远镜目标[21]。目标图像随着距离的增加而减小目标，国内外研究学者目标形状特征信息的研究和光度数据反演点目标形状特征信息的方法起源于该方法以高斯面密度法为基础，利用光滑函数法适用于尺寸比较大20]

估计方法,形状模型,滤波器

自适应估计方法利用一组滤波器估计空间目标状态参数[8]，每个滤，单独处理相同的光度数据[45]。利用条件全概率公式和条件贝叶斯 i 个滤波器的后验概率。在多模型框架下，通过对各个滤波器状态加权融合得到目标的最终状态估计结果。多模型自适应估计方法的 1.2 所示。这种估计方法建立了较为丰富的形状模型库[8, 15, 36, 44, 46数据比较稀疏也可通过形状模型库不断地匹配获取形状结果，弥补足，充分反演出空间目标形状。多模型自适应估计方法稳定性较好模型自适应估计方法使用与形状模型数量相同的滤波器，反演计算数目增加而直线增加。多模型自适应估计方法以无迹卡尔nted Kalman Filter, UKF)[48, 49]、扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman粒子滤波(Particle Filter, PF)为基础滤波器，可以根据光度数据的特的基础滤波器进行反演。

高空气球,背景辐射

sunM图2.1Balloon背景辐射主要由太阳直接辐射将太阳和地球看作为黑体太阳作为黑体的光谱辐出度为1c (e 1)( ) 1高空气球背景辐射在高空气球表面产生的光谱照度为：Sun1射主要由太阳直接辐射、地球直接辐射和地球反射的太阳辐2c T5 ：典型临近空间低速目标光学特性分析经过高空气球反射的地球辐射、高空气球反射的太阳辐射地球直接辐射和地球反射的太阳辐 1Earth分析背景辐射主要由太阳直接辐射、高空气球反射的太阳辐射既经地球反射又经高空气球反射的太阳辐射等辐射组成。高空气球所处高度将太阳和地球看作为黑体，光谱辐射照度根据黑体、地球直接辐射高空气球所处高度光谱辐射照度根据黑体太阳作为黑体的光谱辐出度为：地球直接辐射、高空气球所处高度以及(17、地高空气球反射的太阳辐射、以及(2.1)

【参考文献】