双向反射分布函数在空间目标可见光反射特性建模中的应用

针对空间目标可见光反射特性提出了一种建模方法.双向反射分布函数(BRDF)可以有效地 描述目标表面材料的空间反射特性和光谱特性.根据目标表面状况及背景辐射环境,选取合 适的双向反射分布函数模型,利用辐射理论在可见光波段建立了空间目标反射特性的数学模 型.基于轨道参数进行了仿真计算.计算结果表明太阳帆板与卫星主体相比,其在探测器入 瞳处的辐照度只小一个数量级,在目标光学特性分析时不可忽略.而且,空间目标反射特性 不仅与太阳、地球和目标三者之间的实时位置有关,还与其几何形状、表面材料等有关.仿真分析结果验证了建模的正确性.     

空间目标地基观测红外辐射特性研究

构建空间目标辐射特性对于发展空间态势感知技术具有重要意义。本文针对空间目标红外辐射特性,基于有限元方法,采用非结构四面体网格研制了仿真程序,通过矢量坐标变换,计算得到了目标各表面受到的轨道外热流,并结合表面材料和双向反射分布函数（BRDF）对目标各表面温度和红外辐射特性进行了仿真,并与文献结果进行了对比。进而考虑大气衰减和背景辐射的影响,对地基探测条件下升轨和降轨弧段的目标光谱辐射强度进行了分析。结果显示：对于三轴稳定太阳同步轨道沿飞行方向固定式帆板卫星,各表面在阳照区和地影区内温度变化范围较小;使用8～14μm长波波段对目标进行观测的效果比3～5μm中波波段好;辐射强度最大值在770 W/sr左右;地基红外光谱探测受大气影响较大,需要对探测波段进行优选。     

基于粗糙样片光谱BRDF的空间目标可见光散射研究

实验测量了某种卫星包覆材料和太阳能电池板样片在可见光波段(400~780 nm)的光谱双向反射分布函数.将样片的光谱双向反射分布函数对可见光波段内的太阳谱辐射照度加权平均,获得了可见光入射时目标样片表面的平均双向反射分布函数,并利用遗传算法建立了其参量化统计模型.应用此模型,结合目标的几何建模、消隐,计算了可见光入射时某卫星散射光强度的空间分布,并分析了其与卫星的几何形状、表面材料等的关系.     

基于场地高光谱BRDF模型的绝对辐射定标方法

提出了一种基于场地地表高光谱双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法,摆脱了对卫星过境时刻同步观测的依赖,提高了遥感器在轨绝对辐射定标的效率与频次.利用无人机测量系统对敦煌辐射校正场进行了地表方向特性测量,基于半经验核驱动模型反演了敦煌场地的高光谱双向反射分布函数模型参数.用地表双向反射分布函数模型直接计算的卫星观测方向的地表高光谱反射率数据替代卫星过境时刻场地的地表同步测量数据,结合中分辨率成像光谱仪大气产品数据,实现了对Landsat-8卫星的陆地成像仪(OLI)在可见光至近红外波段的高频次绝对辐射定标.Landsat-8/OLI第1～6波段的卫星观测表观辐亮度值与模型计算表观辐亮度值的相对偏差均小于5%,标准差小于2%.基于无人机场地双向反射分布函数模型的绝对辐射定标方法的定标结果与卫星观测结果具有较高的一致性和稳定性.     

姿态变化对星载光电成像系统探测能力的影响

为研究卫星目标姿态变化对星载光电成像系统探测能力的影响,对0.38~0.78μm谱段内的可见光辐射目标进行了数值模拟研究。以基本辐射理论为基础,建立了卫星目标光学观测的可见光反射特性模型。根据目标的几何结构和材料特性,分析了姿态变化与目标有效入射截面积的关系,推导了探测能力与信噪比(SNR)的计算公式,数值模拟研究了姿态变化对探测能力的影响。研究结果表明,信噪比与探测距离均表现出很强的方向性,呈周期性变化,2.2m×2.7m的太阳帆板的信噪比与探测距离最大差值达到101及105 km量级,高12m、直径4m的卫星本体的最大差值达到102及106 km量级,目标姿态变化对探测能力具有显著影响。     

利用光照反射模型分析中高轨人造卫星测光特性

利用光照反射模型分析中高轨人造卫星测光特性,以不同形状特性、姿态稳定方式和技术状态的中高轨人造卫星为研究样本,进行可见光波段的时间序列测光观测,并给出了卫星视星等斜距改正和相位角计算的方法。首先,利用球状卫星测光特性实验数据验证了其镜面反射和漫反射光变特性理论模型计算结果,并进一步探讨了复杂形状卫星的光变特征。其次,分别对类柱状受控卫星和失控卫星的理论模型计算结果和实验观测数据进行对比分析。实验结果表明,卫星光变曲线与卫星物理特性,如生存状态、形状特性、姿态稳定方式等相关,可为分析卫星的技术状态及其历史演化过程提供判定依据。     

三轴稳定GEO卫星漫反射光变特性

利用天文测光方法研究了地球同步轨道卫星可见光波段的反射光变特性.以三轴稳定地球同步轨道通讯卫星为研究样本,进行了可见光波段的光学非高分辨成像观测,并使用天文标准星进行定标.基于相位角序列的测光观测数据表明:在大相位角区域卫星光变曲线分布与漫反射光照数学模型计算结果有很好的一致性,以卫星主体和太阳能电池板的漫反射效应为主;而在小相位角区域与漫反射模型计算结果有明显的差异,为卫星的太阳帆板镜面反射效应影响所致.     

基于高次余弦散射分布的空间卫星可见光特性

基于几何光学和辐射理论,研究了空间卫星的可见光散射特性.空间卫星的背景辐射主要包括太阳的直接辐射和地球及大气的散射辐射,根据目标的结构特性与背景特性建立了空间卫星的几何模型和光照模型.分析目标表面状况,入射到目标表面的光线近似服从高次余弦散射分布,根据能量守恒定理及表面材料的高次余弦散射分布特性建立了目标散射特性的数学模型.通过矢量坐标变换确定太阳、地球、观测卫星在目标本体坐标系下的相对位置关系.根据给定的几何尺寸和表面物性参量仿真获得了目标在探测器入瞳处的能量分布及星等特征,目标本体与太阳帆板在探测器入瞳处的辐照度最大量级均为10-12 W/m2.仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略,为空间目标的可见光探测提供参考数据.     

基于被动遥感卫星可见至红外通道观测的云特性遥感

云是地球辐射收支、水循环和生物化学循环的主要调节者。自1960年人类第一颗气象卫星(TIROS)的发射起,被动卫星遥感已经发展成为获取云观测资料最高效的手段之一。被动卫星具有观测范围大、时间跨度久的特点,其中利用可见至红外波段(0.40～15μm)的遥感成像仪相对高光谱成像仪、微波成像仪具有时空分辨率更高的观测优势。首先,针对极轨卫星多光谱成像仪、多角度偏振成像仪和新一代静止卫星成像仪三类载荷概述了被动卫星基于可见至红外波段的观测特点。然后,介绍了包括云检测、云相态、云顶参数、云光学和微物理参数的观测原理和应用方法。最后,通过总结和展望为被动卫星可见至红外资料的云特性遥感研究提供一些思考。     

高速钝锥体非平衡绕流场光辐射特性模拟

本文首先采用CFD-FASTRAN软件对RAM-CII钝锥体试验飞行器热化学非平衡绕流场参数进行了模拟分析,其次采取多温度模型结合逐线法获得非平衡绕流场吸收、发射系数,最终采用视在光线法LOS对RAM-CII飞行器全流场光辐射特性进行了模拟,分析表明:头部激波层紫外（0.2～0.4μm）辐射最强,要比尾迹流区高3个数量级以上,正侧向观测辐射强度比迎头观测时要大接近1个数量级;同一方向不同高度总的光谱辐射亮度差别不大,但正侧向观测的光谱辐射亮度比迎头方向观测略大;绕流场红外（2～5μm）辐射以CO₂分子2.7、4.3μm谱带发射为主,但总体上看红外光谱辐射亮度相较于紫外要小3个数量级。     

基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视。然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟。由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同。波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大。总辐射通量受云粒子形状的影响显著。研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性。该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值。     

地表反照光对天基空间目标的成像影响

天基空间目标观测时, 在对空间目标的可见光特性提取的过程中, 随着其姿态的不断变化, 存在太阳光照射不到目标表面、或是在某一特定位置由于目标的强烈反射导致太阳光照度不均匀的情况. 针对这些问题, 分析了在可见光和近红外波段空间目标表面的光照特性, 提出了利用地表反照光作为天基空间目标成像辅助照明光源的思想, 给出了一种精确的建模方法. 基于漫反射模型建立了地表反照光在空间目标表面的照度计算方法, 借助satellite tool kit卫星工具软件获取太阳、目标的坐标, 省去了以往方法中烦琐的矩阵相乘和坐标转换过程; 对任意时刻的地表有效反照区域给出了判断, 引入对地球表面进行网格划分的方法, 对划分后的每一个面元均匀采样, 通过数值积分可计算出整个有效地表反照区域的地表反照辐射. 以某天基成像任务中的太阳同步轨道卫星为例, 就地表反照光对目标的光照情况进行仿真, 计算得出卫星在经过北极上空时可以利用地表反照光作为辅助光源这一重要结论. 仿真结果验证了建模方法的正确性.     

中段弹头表面温度及辐射特性的计算研究

为研究中段弹头的表面温度及辐射特性,利用Lowtran7计算太阳和地球大气的红外与可见光辐射,依据粗糙表面光散射理论计算弹头对太阳、地球大气和地球反照辐射的吸收和散射。采用控制容积法发展了圆柱坐标系下三维非稳态导热的隐式离散方程,迭代求解得到弹头表面的温度。以一射程4000km的中段弹头为例,计算了发动机关机点后2000s内,弹头表面的温度和辐射的变化。     

在轨卫星星等建模与计算

星等的大小代表了星体对于人眼的可观测程度。卫星星等的理论计算对于观测跟踪卫星光学系统设计等具有重要的指导意义。结合天文学、轨道动力学、辐射度学、光度学和计算数学理论,建立了计算人造卫星星等的物理数学模型。计算了卫星的可见光反射能量随轨道运行的瞬时特征,结合人眼的视觉特性,推导出了轨道卫星星等的计算方法,并进一步针对卫星表面为灰体的情况给出了一种计算卫星星等的方法及星下点卫星星等的周期性计算曲线,结果表明:星下点观测的卫星星等随卫星在轨道上位置的变化非常显著,对同一卫星,不同星下点观测到的星等差异仅在日照区就可达5个等级之多。     

基于双向反射分布函数的空间卫星紫外动态特性研究

根据目标所处的背景辐射环境,对空间卫星的紫外散射特性进行建模方法研究。依据目标表面材料属性与表面状况对目标表面进行区域分解与网格划分。基于辐射理论引入双向反射分布函数模型来描述目标表面网格单元的光散射特性,将目标各个表面所有网格单元散射分量叠加建立了目标紫外散射特性的数学模型。利用给定的目标几何结构尺寸和物性参数仿真获得了目标在轨动态光学特性。在某一观测角度下太阳帆板在探测光学系统入瞳产生的辐照度值与卫星本体接近,最大量级为10-11W/m2。仿真结果表明太阳帆板在目标特性分析时不可忽略。     

超高速碰撞2A12铝靶过程中Al~+的光谱辐射特征

材料受到强冲击会产生闪光和等离子体效应。通过超高速碰撞实验并结合多种先进测试手段,推导出了适用于计算超高速碰撞产生等离子体电离度的沙哈(Saha)公式,为超高速碰撞过程中弹丸和靶板的物质组成分析提供了强有力的工具。基于二级轻气炮加载系统结合等离子体特征参量诊断的Triple Langmuir probe诊断系统和光谱辐射测量的ESA4000光谱仪系统,进行了3种不同碰撞速度条件下的超高速碰撞实验。实验结果表明,超高速碰撞2A12铝靶产生闪光辐射中包含Al+的光谱辐射;通过实验数据的解析进一步揭示了光谱强度与弹丸速度的关系。随着弹丸速度的增加,Al+的辐射光谱强度增大,由2A12铝激发的Al+光谱中小波长所对应谱线的辐射光谱强度比长波长所对应谱线的辐射光谱强度增加更快。关于2A12铝靶在超高速撞击载荷下产生铝离子的光谱辐射特征以及辐射温度研究在航天器防护空间碎片、导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值,此外,等离子体的特征参量测量和光谱辐射特征研究,对于在微观层面深刻揭示超高速碰撞现象具有重要的理论意义。     

The space environment monitor aboard FY-2 satellite

The space environment monitor (SEM) aboard FY-2 satellite consists of the high energy particle detector (HEPD) and the solar X-ray flux detector (SXFD). The SEM can provide real-time monitoring of flare and solar proton event for its operation at geostationary orbit and is also the first Chinese space system for monitoring and alerting solar proton event. During the 23rd solar maximum cycle, almost all the solar proton events that took place in this period are monitored and some of them are predicted successfully by analyzing the characteristics of X-ray flare monitored by the SEM. Some basic variation characteristics of particle at geostationary orbit are found such as day-night periodic variation of particle flux, the electron flux with energy >1.4 MeV in the scope from 10 to 200/cm2 s sr and the proton flux with energy >1.1 MeV in the scope from 600 to 8000/cm·s·sr during the time with no magnetic storm and solar eruption.     

典型卫星轨道辐射环境及在轨软错误率预计模型分析

使用最新版本的Space Radiation 7.0软件对典型卫星轨道(包括地球同步轨道、中地轨道和低地轨道)的空间辐射环境进行提取和计算,分析不同空间天气和屏蔽条件下的轨道离子通量-能量谱和通量-线性能量沉积(LET)谱特点。以一款SOI SRAM为例,结合地面加速器重离子试验获得的单粒子翻转截面-LET值关系曲线,预计该器件的在轨软错误率(SER),并分析关键参数对预计结果的影响规律和内在机理。结果表明,使用Space Radiation软件的四种输入模式获得的预计结果可相差5倍左右;灵敏区厚度的增大导致在轨SER降低数个数量级,原因为灵敏区厚度的设置与灵敏区平均投影面积和符合条件的空间离子通量的大小直接相关;漏斗长度的大小对预计结果有一定的影响。最后,对SER预计模型的适用性和发展趋势进行了讨论。     

HL—1装置碳化和采用抽气孔栏时的可见辐射观测

本文描述了HL-1装置器壁碳化和采用抽气孔栏时,氢及杂质通量的变化情况;利用多道可见辐射的时空分布测量,得到了MARFE放电,在产生MARFE时,辐射热也相应增强。