天空光辐射亮度测量系统设计

天空光辐射亮度是大气光学特性的重要参数之一,在空间目标探测与识别中有着重要作用。为了获取天空光辐射亮度,评价光电系统探测跟踪空间目标的能力,设计实现了一套天空光辐射亮度测量系统,详细介绍了光信号收集和信号探测部分的工作原理,及系统所应用弱辐射信号探测、辐射计量等关键技术。通过该套测量系统的初步应用及对测量结果分析表明:利用该套测量系统能够准确获取天空光连续光谱(光谱范围从380nm～1100nm)数据,为应用研究提供了更多的光谱信息。     

空间目标可见光散射特性与可视条件研究

采用椭偏法和总体积分散射法分别测量和计算了空间目标包层材料和太阳能板的材料参数,以及相应的双向反射分布函数。并根据此参数对空间简单体目标可见光谱散射特性进行了理论计算和实验校模。结合目标的几何建模和轨道理论,利用Modtran大气传输模型计算了不同时刻的背景辐射,以及在不同地面观测站观测时空间目标的亮度变化以及背景辐射的影响,并分析了目标的可视条件。计算表明,清晨或傍晚,背景辐射小于空间目标的散射,是观测的最佳时段。     

基于恒星辐射稳定性的全天空极光成像仪辐射定标方法

全天空极光成像仪是一种重要的地基极光观测设备,对全天空成像仪进行辐射参数定标能够获得全天空图像中极光结构在不同观测谱线上的真实激发强度,这对于空间物理过程的定量研究有着重要的意义。受到极区观测台站的条件限制,许多全天空极光成像仪无法在观测现场进行辐射参数定标。为此,提出一种基于恒星辐射稳定性对全天空成像仪进行辐射参数定标的方法,把恒星作为"虚拟标准光源",利用全天空成像仪获取的星空图进行辐射定标,最终确定辐射强度-图像数值之间的辐射参数。利用更多的恒星亮度作为参考标准,以及电离层卫星探测到的极光沉降电子数据,结合GLOW模型计算的极光激发强度作为参考标准,对定标结果进行了两种不同方法的验证。结果显示,在恒星亮度验证中,恒星亮度偏差最大值为12.22%,平均偏差为4.624%;在卫星沉降粒子验证中,利用模型计算出的极光弧峰值强度与全天空观测获得极光弧峰值强度偏差最大值为11.30%,平均偏差为5.603%。两种验证结果相近,这表明本文所提定标方法是有效和可信的。     

地基光电系统空间目标探测影响因素分析

光电系统的探测能力主要受探测天域的亮度、光电设备和探测器本身性能的影响,而探测能力主要是以信噪比来衡量.在综合了上述影响因素基础上,引入目标成像像元数N,给出了探测信噪比的理论公式;分析了背景亮度、系统参量以及像点弥散对探测能力的影响;结合实际情况,给出了目标过境时段的目标探测情况分析,理论分析得到目标在仰角30°左右可以观测,理论分析结果与实验观测基本一致.因此,该理论公式可以定量了解不同天空背景亮度、系统设计参量、各种因素引起的像点弥散对系统探测能力影响的大小,并为系统优化设计与实际工作开展提供一定的科学依据.     

天空背景光学辐射特性测量北大核心CSCD

光学成像和光信息空间传输等领域需要对天空背景特性进行定性或定量的研究。Modtran等模拟计算方法无法有效模拟复杂多样的气候条件和地理环境。建立专门的测量装置获取天空背景光谱特性参数,与理论模型计算结果进行了比对,分析了两者的一致性和差别。通过观测数据得出:在天空比较均匀的环境中,天空光谱亮度通常随着太阳角的增大而减小,当观测方向接近地平面时(大约同地平面夹角小于30°),天空亮度随着太阳角的增大而增大;在晴朗无云的天空中,光谱亮度分布偏蓝,天空亮度主要集中在短波段部分;在阴天和有云天观测到的天空亮度光谱明显红移。     

白天全天空背景测量与分析

开展了白天全天空背景亮度特性数据库研究。利用测量设备进行天空背景全天候测量,对测量数据进行分析与处理,建立了白天天空背景理论模型,提出了基于理论模型的修正完善方法,建立了该位置全天空背景亮度数据库,可给出任意时刻背景亮度值。解决了连续特定位置背景提取难的问题,提高了提取的数量和精度。     

基于红外辐射特性系统实现对面目标测量

地基红外经纬仪是测量空间军事和科学目标红外数据的重要手段之一。随着现代武器技术在隐身上方面的快速发展,面源体测量越显重要,而辐射亮度是面源红外作战的关键性指标。因此研究可靠的面积分析方法和辐射亮度计算方法对测试航空目标的隐身性能以及研制面源红外假目标具有重要的意义。本文提出一种简单可靠的面目标的提取方法,并利用该面源提取方法在某600 mm口径的红外经纬仪上进行辐射测量,测量数据经大气修正后将与标准亮度值进行比较。实验结果表明,利用本文提出的方法反演的辐射亮度的最大误差为11.38%,均方根误差为7.36%。     

星载多角度偏振成像仪测量精度验证与偏差分析

为了检验星载多角度偏振成像仪(DPC)在自然目标下的偏振和辐射定标精度,设计了测量精度验证试验。在晴朗天气对天空成像,得到了天空的偏振度和辐亮度数据,并将其与同时观测的CE318型太阳-天空偏振辐射计的数据进行了比对。结果显示:三个偏振波段的平均偏振度差异小于0.02,满足DPC偏振测量精度的指标要求,但辐亮度差异较大。修正定标光源与测量目标间光谱非匹配的影响,两台仪器观测波段、观测视场非一致性的影响以及系统偏差后,两台仪器490nm和670nm通道的平均辐亮度的差异小于1%,865nm通道的平均辐亮度差异小于2%,验证了DPC定标数据的有效性和仪器的测量精度。     

目标辐射特性现场校准用大面积黑体辐射源技术研究

红外成像技术在空间探测、对地观测、安防监控等领域的应用越来越广,为了确保红外目标识别的准确性,必须掌握目标的辐射特性。目标辐射特性需要在外场实际条件下测量得到,需要利用大面积黑体辐射源对目标特性测量设备进行现场辐射参数校准。设计了一种大面积黑体辐射源,辐射体采用铝材质并发黑处理,大面积黑体辐射源温度控制采用PID控制算法。在外场实际环境温度为26.8 ℃,湿度为60%时对目标特性测量设备辐射参数进行了校准。试验数据表明:辐射温度测量不确定度为0.4 ℃（k=2）,取得了较好的应用效果。     

空间目标探测与识别的波段选择

介绍了根据目标的反射率实验测量和大气光谱特征对大气层外目标进行探测的波段选择方法.测量出样品及标准板的反射光强度,计算出样品的光谱反射率,在考虑空间目标自身的辐射强度、光谱反射率、背景大气的辐射亮度、目标-背景对比度、不同波段斜程透过率等诸多因素后进行波段选择.利用MODTRAN大气传输模型计算了目标亮度、背景大气的辐射亮度、对比度以及不同波段斜程透过率的典型光谱特征、并进行光谱特征分析,综合考虑目标的视亮度以及对比度,结果表明0.76～0.90 μm是包覆黄色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段,0.52～0.60 μm是包覆银色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段.     

晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型

 利用大气光学质量和大气气溶胶光学厚度的经验公式,由HITRAN数据库获得大气分子谱线参数,基于辐射传输方程,给出了晴朗无云天空光谱辐射的近似计算模型。根据该近似计算模型对晴朗无云天空光谱辐射亮度进行的计算结果表明：天空光谱辐射亮度曲线上存在明显的O₂和H₂O吸收线;晴朗无云天空辐射的光谱分布偏蓝,天空亮度主要集中在短波段部分;太阳角小的天空光谱亮度出现“红移”现象;由于大气厚度变大,近地平的天空辐射亮度较大。     

空间目标可见光散射特性建模方法研究

针对空间目标的可见光散射特性提出一种建模方法.在分析空间目标所处的背景辐射环境基础上建立了空间目标背景辐射物理模型.对目标表面进行面元划分后,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面元的光散射特性,将目标各个表面所有面元散射分量叠加建立了目标可见光散射特性的数学模型.建立目标本体坐标系,通过坐标变换确定目标、背景辐射源与探测器的相对位置关系,利用矢量坐标法确定目标对观测系统的“可视表面”.根据给定的目标几何结构尺寸和物性参量仿真获得了目标在轨光学特性.计算结果验证了建模的有效性.     

Objective evaluation of target detectability in night vision color fusion images

An evaluation for objectively assessing the target detectability in night vision color fusion images is proposed.On the assumption that target detectability could be modeled as the perceptual color variation between the target and its optimal sensitive background region,we propose an objective target detectability metric in CIELAB color space defined by four color information features:target luminance,region perceptual luminance variation in human vision system,region hue difference,and region chroma difference.Experimental results show that this proposed metric is perceptually meaningful because it corresponds well with subjective evaluation.     

人造卫星运行轨道的实时仿真技术

人造卫星在星空背景下运行的实时仿真技术中,建模和实时性是仿真的基础,试验表明,利用Creator 2.6建立二体轨道下的卫星运行模型,计算出卫星运行时的空间位置和运动姿态,结合Vega Prime来实现人造卫星运动轨道的空间动态三维场景实时仿真,可以有效的实现卫星在星空背景运动中的实时性,并为其他技术领域中的实物或半实物实时仿真技术提供了可行性的参考方法.     

结合Lab空间和单尺度Retinex的自适应图像去雾算法

针对暗通道先验算法在大片天空区域透射率估计过小及景深突变处出现Halo效应的问题,提出一种结合Lab空间和单尺度Retinex的图像去雾算法。将RGB图像转换至Lab空间提取出亮度分量,利用Canny算子对亮度分量提取边缘信息,丰富恢复图像细节;利用单尺度Retinex对非边缘区域进行高斯自适应滤波估计出优化后的亮度分量,获得“伪”去雾图像,得到粗略的透射率;利用交叉双边滤波优化透射率消除Halo效应;最后根据大气散射模型恢复出无雾图像。实验结果表明,该方法恢复出的图像细节明显,整体平滑,且对含大片天空区域的图像也有较好的恢复效果。     

低透过率下隧道照明亮度对能见度的影响

为了研究低透过率下隧道照明亮度对能见度的影响,为低透过率条件下隧道照明亮度的调节提供依据,分别以两种不同光谱特性的摄像机作为观测装置获得了透过率、照明亮度、目标/背景对比度三者之间的变化关系.实验结果表明:目标/背景对比度随照明亮度的增加而增加,两者呈非线性关系;透过率限定了目标/背景对比度所能达到的最大值;在一定的亮度范围内,提高亮度增加目标/背景对比度可以有效改善能见度.当照明亮度较高时,提高照明亮度对能见度影响不大;当照明亮度较低时,提高照明亮度对能见度提高的效果明显.因此,根据透过率按比例调节照明亮度能保证能见度和行车安全.     

Computation of Near Sea Target Scattering from Complex Background Radiation

The background radiation contribution is an important component of target scattering characteristics. A study is made on target scattering characteristics from complex background radiation, with contributions of the sun and the sea and sky background and that among each components of target. In this paper, the shadowing function of sea surface is numerically calculated by using the Z-BUFFER shadowing elimination algorithm, and the scattering of each facet of sea surface and target from the sun and the sky background infrared radiation is computed based on the rough surface scattering model as well as the infrared self-radiation of the sea surface. Finally, a numerical calculation of the forward and backward radiance of a near-sea circular cylinder scattering from the sun, the sea and sky background infrared radiation of near sea target and the infrared self-radiation of the target skin have been made. The results show the important influences of each contribution on target scattering from the sea and sky background radiation in 3-5 m and 8-12 m bands.     

基于天幕靶的六光幕立靶测量原理

 为了能够同时测量弹丸在斜入射时的速度和着靶坐标,基于天幕靶的六光幕交汇立靶测量原理,利用6套天幕靶在空中形成6个探测光幕,当弹丸以一定的角度入射并依次穿过6个光幕时,由信号采集与处理系统测得弹丸穿过各个光幕的时间间隔,再根据各时间间隔值和系统结构参数,便可以求出弹丸的速度、弹道俯仰角、弹道方位角。给出了测量原理及公式,并对测量误差进行了分析,结果表明,该方法具有精度高且易于工程化的优点。     

基于轨迹聚类的天光光谱特征分析

天光背景扣除是LAMOST 1D光谱数据处理中重要的环节,其扣除好坏直接影响光谱产品质量,因此构造理想的超级天光光谱模型具有重要的意义。通常超级天光是由与目标天体同时观测的天光光纤光谱构造而成,同一区域的天光背景可能随着不同的观测时刻有着规律性的变化特征（如月相变化）,如果能充分分析并利用这些特征,可有效校正超级天光模型,从而提高减天光效果。轨迹聚类方法是一种分析目标随时、空变化特征的有效工具,针对LAMOST天光光谱中可能存在的变化规律,给出一种基于轨迹聚类的天光光谱特征分析方法。主要分以下三部分：首先是天光光谱的时序化描述。LAMOST pipeline采用且提供了每个观测天体的即时超级天光光谱,为了获取特定天区背景天光的光变特征,需选择天光光纤光谱以及扣除目标天体光谱的背景光谱,以5°视场（LAMOST望远镜视场）为单位,按观测日期MJD均匀分组,从而对特定区域的天光光谱进行了时序化表征;其次给出基于密度的天光光谱数据聚类算法STK-means。为解决随机参数导致收敛及聚类效果不理想的问题,在分析天光光谱时序数据特征的基础上,给出基于密度的相似性度量公式,并作为传统k-means聚类的初始参数选择依据,从而给出基于密度的天光光谱数据聚类算法STK-means;最后进行实验分析。实验验证了该方法的正确性和有效性以及不同初始参数K值的选择对聚类结果的影响。在此基础上,利用STK-means聚类方法,对LAMOST第一期巡天中一个完备小天区的天光光谱时序数据进行了轨迹特征分析,结果表明,除个别光谱质量较差或常说异常外,该特定区域的天光背景以农历每月十五、十六为中心向两边呈对称分布,反映了该区域观测过程中受月相的影响变化情况,该特征经量化后可为校正超级天光模型提供一种有效途径。同时,由于时序化描述过程中均匀采样的要求,该方法可适用于反银心、盘、晕等高天体数密度区域,而对于高银纬低数密度区域则需要更长时间的巡天观测。此外,该方法还可有效发现特定区域的离群(异常)天光光谱,为天文学家进一步分析提供珍稀样本。