基于光变曲线的典型空间碎片旋转轴指向分析
发布时间：2021-11-12 03:00
空间碎片主动清除需要充分掌握碎片的旋转运动特性,而对碎片进行光度变化分析是提取目标旋转特性的有效手段。文章基于统计获得的双向反射分布模型,建立了典型空间碎片光度变化分析模型,模拟分析了不同旋转态下碎片的光度信息变化。基于光变曲线分析,确定了光度变化峰谷差值与旋转轴向相位角在不同旋转轴指向变化条件下的变化规律,并通过光变分析近场模拟试验进行了验证。另外,在光度差值分析基础上,提出了缩小搜寻旋转轴指向取值区间的方案,为简化遍历式旋转轴向提取流程提供了支持。
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(03)CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
影响瞬时光
104航天返回与遥感2020年第41卷期内的光度变化趋势。因此，仿真中需尽可能考虑目标运动过程中影响光度探测的目标特性，如目标的轨道特征、运动特征、结构特征、材料特征、背景辐射特征等。对于碎片而言，其旋转状态复杂，因此需要根据不同的碎片目标特性搭建合适的仿真平台，尤其是目标材料和结构特性各不相同导致获得光变信息的不同。综合考虑上述因素，本文提出了一种空间碎片运动光度探测仿真平台的搭建思路（如图1所示），对目标面元分割获取结构模型，对双向反射分布函数、光散射截面分析获取材料与反射模型，对目标运动姿态分析获取相对运动模型，最终得到目标整体的光度探测模型。图1空间碎片旋转运动光变探测仿真平台搭建流程Fig.1Aconstructionprocessofthespacedebrisrotationopticalvariabledetectionsimulationplatform对于目标结构，通常选取碎片可简化的典型形状进行研究，基于典型形状所表现的各自几何特征来表征结构特征对目标光度信息变化的影响。对于球体及类球体碎片来说，各向同性反射条件下，其光度变化并不明显，考虑光变的复杂性以及典型形状的适用性，本文以方体碎片为例进行光变分析。仿真中需要计算目标投射到探测器像面的光通量，需对目标表面作面元分割，此时面元线度与探测器参数之间需满足：1Laf≤（1）式中a1为面元划分量级；L表示探测器和碎片间距离；f为探测器焦距；为探测器像元线度。实际分割过程中，在确定尺度时需考虑划分尺度与运算效率间的平衡关系。确定了划分量级后，面元位置可由面元几何中心坐标代替，后续对于整个目标结构的分析也就解算成对于所有面元变化情况集合的分析。1.2表面光学散射特性模型空间碎片本身不会自我发光，因此观测中得到的反射光谱主
表面的反射和散射特性，其数学描述为出射指向kr的辐射亮度riirrdL,;(),和入射指向ki照射到单一面元dA上的辐照度iiiE()d,之间的比值[23]，即riirrriirriiid,;,()(;),,d,()LfE（3）式中i和i分别为入射光线的天顶角和方位角；r和r分别为出射光的天顶角和方位角；辐射亮度rdL定义为辐射方向上单位面积内的辐射通量；riirrf,;(),为确定材料特性下的BRDF值。根据面元划分量级，均匀分割后的任意单一面元dA的几何关系如图2所示。考虑模拟碎片目标的材料特性和表面粗糙度，建模中使用了文献[24]中提出的可较好拟合金属粗糙表面的BRDF模型，其拟合表达式为2bzirdr2ziricos(,,)exp(1cos)πln211coscoscoscosakkGkfbk（4）式中kb，kz，b，a，kd为待定参数；irG(,,)为表面遮蔽函数；为法线的倾斜角；为微元的光反射夹角；为相对方位角。式（4）中第一项为近似镜面反射分量，其中22zzkcos/[1(k1)cos]为面元法线在倾角内的分布函数，决定参数kb，kz的估值，exp[||(1cos)]ab为该面元的局部菲涅尔反射系数，决定参数b，a的估值；第二项为近似漫反射分量，决定参数kb的估值。在目标材料确定的前提下，不同辐射条件下的待定参数均为定值。对于典型碎片材料，其表面遮蔽现象不明显，可取irG(,,)=1，由此修正后的BRDF表达式为2bzdr2ziricos1exp[||(1cos)]πln21(1)coscoscoscosakkkfbk（5）目标的光散射特性通常用光学散射截面OCS表征，即rirOCScoscosd
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于漫反射激光测距的火箭残骸翻滚姿态估算[J]. 刘通,沈鸣,高鹏骐,赵有. 中国激光. 2019(01)
[2]空间碎片监测移除前沿技术与系统发展[J]. 李明,龚自正,刘国青. 科学通报. 2018(25)
[3]空间碎片移除的关键技术分析与建议[J]. 刘华伟,刘永健,谭春林,刘育强. 航天器工程. 2017(02)
[4]空间目标光谱特性研究进展[J]. 徐灿,张雅声,赵阳生,李鹏. 光谱学与光谱分析. 2017(03)
[5]空间碎片监测及清除技术研究进展[J]. 冯凯,李丹明,李居平,代鹏,何成旦. 真空与低温. 2016(06)
[6]空间碎片天基主动清除技术发展现状及趋势[J]. 曹喜滨,李峰,张锦绣,Richard Muriel. 国防科技大学学报. 2015(04)
[7]基于空间站平台的空间碎片探测与清除技术[J]. 焦建超,郑国宪,苏云. 国际太空. 2015(04)
[8]空间碎片环境现状与主动移除技术[J]. 龚自正,徐坤博,牟永强,曹燕. 航天器环境工程. 2014(02)
[9]空间碎片现状与清理[J]. 林来兴. 航天器工程. 2012(03)
[10]地表双向反射特性对遥感图像的影响分析[J]. 彭妮娜,王琨,李涛. 航天返回与遥感. 2011(04)
本文编号：3490031
【文章来源】：航天返回与遥感. 2020,41(03)CSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
影响瞬时光
104航天返回与遥感2020年第41卷期内的光度变化趋势。因此，仿真中需尽可能考虑目标运动过程中影响光度探测的目标特性，如目标的轨道特征、运动特征、结构特征、材料特征、背景辐射特征等。对于碎片而言，其旋转状态复杂，因此需要根据不同的碎片目标特性搭建合适的仿真平台，尤其是目标材料和结构特性各不相同导致获得光变信息的不同。综合考虑上述因素，本文提出了一种空间碎片运动光度探测仿真平台的搭建思路（如图1所示），对目标面元分割获取结构模型，对双向反射分布函数、光散射截面分析获取材料与反射模型，对目标运动姿态分析获取相对运动模型，最终得到目标整体的光度探测模型。图1空间碎片旋转运动光变探测仿真平台搭建流程Fig.1Aconstructionprocessofthespacedebrisrotationopticalvariabledetectionsimulationplatform对于目标结构，通常选取碎片可简化的典型形状进行研究，基于典型形状所表现的各自几何特征来表征结构特征对目标光度信息变化的影响。对于球体及类球体碎片来说，各向同性反射条件下，其光度变化并不明显，考虑光变的复杂性以及典型形状的适用性，本文以方体碎片为例进行光变分析。仿真中需要计算目标投射到探测器像面的光通量，需对目标表面作面元分割，此时面元线度与探测器参数之间需满足：1Laf≤（1）式中a1为面元划分量级；L表示探测器和碎片间距离；f为探测器焦距；为探测器像元线度。实际分割过程中，在确定尺度时需考虑划分尺度与运算效率间的平衡关系。确定了划分量级后，面元位置可由面元几何中心坐标代替，后续对于整个目标结构的分析也就解算成对于所有面元变化情况集合的分析。1.2表面光学散射特性模型空间碎片本身不会自我发光，因此观测中得到的反射光谱主
表面的反射和散射特性，其数学描述为出射指向kr的辐射亮度riirrdL,;(),和入射指向ki照射到单一面元dA上的辐照度iiiE()d,之间的比值[23]，即riirrriirriiid,;,()(;),,d,()LfE（3）式中i和i分别为入射光线的天顶角和方位角；r和r分别为出射光的天顶角和方位角；辐射亮度rdL定义为辐射方向上单位面积内的辐射通量；riirrf,;(),为确定材料特性下的BRDF值。根据面元划分量级，均匀分割后的任意单一面元dA的几何关系如图2所示。考虑模拟碎片目标的材料特性和表面粗糙度，建模中使用了文献[24]中提出的可较好拟合金属粗糙表面的BRDF模型，其拟合表达式为2bzirdr2ziricos(,,)exp(1cos)πln211coscoscoscosakkGkfbk（4）式中kb，kz，b，a，kd为待定参数；irG(,,)为表面遮蔽函数；为法线的倾斜角；为微元的光反射夹角；为相对方位角。式（4）中第一项为近似镜面反射分量，其中22zzkcos/[1(k1)cos]为面元法线在倾角内的分布函数，决定参数kb，kz的估值，exp[||(1cos)]ab为该面元的局部菲涅尔反射系数，决定参数b，a的估值；第二项为近似漫反射分量，决定参数kb的估值。在目标材料确定的前提下，不同辐射条件下的待定参数均为定值。对于典型碎片材料，其表面遮蔽现象不明显，可取irG(,,)=1，由此修正后的BRDF表达式为2bzdr2ziricos1exp[||(1cos)]πln21(1)coscoscoscosakkkfbk（5）目标的光散射特性通常用光学散射截面OCS表征，即rirOCScoscosd
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于漫反射激光测距的火箭残骸翻滚姿态估算[J]. 刘通,沈鸣,高鹏骐,赵有. 中国激光. 2019(01)
[2]空间碎片监测移除前沿技术与系统发展[J]. 李明,龚自正,刘国青. 科学通报. 2018(25)
[3]空间碎片移除的关键技术分析与建议[J]. 刘华伟,刘永健,谭春林,刘育强. 航天器工程. 2017(02)
[4]空间目标光谱特性研究进展[J]. 徐灿,张雅声,赵阳生,李鹏. 光谱学与光谱分析. 2017(03)
[5]空间碎片监测及清除技术研究进展[J]. 冯凯,李丹明,李居平,代鹏,何成旦. 真空与低温. 2016(06)
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[7]基于空间站平台的空间碎片探测与清除技术[J]. 焦建超,郑国宪,苏云. 国际太空. 2015(04)
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[9]空间碎片现状与清理[J]. 林来兴. 航天器工程. 2012(03)
[10]地表双向反射特性对遥感图像的影响分析[J]. 彭妮娜,王琨,李涛. 航天返回与遥感. 2011(04)
本文编号：3490031
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