基于TracePro的空间目标光学散射特性建模与仿真EI北大核心CSCD

为给空间目标光学探测与识别提供数据支持,建立了基于TracePro的空间目标光学散射特性计算模型.以空间目标天基红外系统为例,综合考虑目标的结构特性、材料特性、背景特性及轨道特性,通过TracePro中建立几何模型、设定材质、设定光源、计算光线路径等环节,对目标光学散射特性进行仿真分析.结果表明,目标的光谱辐照度曲线与太阳一致.镜反射时,目标的等效光谱反射率曲线与砷化镓电池片一致,随着目标旋转,目标的等效光谱反射率曲线趋向于与包覆材料一致,而后保持不变.为空间目标光学散射特性研究思路提供了借鉴.     

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.     

空间目标观测辐照度特性建模及仿真

为提高对空间目标的探测与识别能力,从电磁散射理论出发,利用基尔霍夫近似法及双向反射分布函数,求出目标面元的辐射亮度,结合空间目标几何外形分析目标的散射特性,从而建立空间目标在天基空间观测系统入瞳处的观测辐照度模型.通过典型实例,仿真分析了某空间目标相对于某天基观测系统的最佳观测部位和弧段.研究结果表明,该方法能够有效地...     

深空背景下空间目标红外特性建模方法研究

针对空间目标红外特性提出了一种精确建模方法.根据空间目标的背景辐射环境,充分考虑到目标表面间的热传导及内热源的影响,建立了空间目标的热平衡方程.基于目标的结构特性和材料特性,利用节点网络法求解了目标表面的温度分布.根据光辐射定律、光散射定律建立了空间目标红外特性的数学模型.结合具体的参数,对深空目标资源一号卫星和风云三号卫星的温度场分布和辐照度分布进行了数值计算,仿真结果验证了理论分析的正确性.     

基于光学散射特性的失稳空间目标旋转分析

本文提出了基于光学散射特性的失稳空间目标旋转速率实验模拟方案以及数据处理方法,解决了失稳空间目标旋转速率反演的问题。实验构造了模拟真实光学观测的测试系统,使得卫星模型姿态、太阳方位、探测器观测角均与STK模拟场景相同,并模拟了低轨STSS卫星失稳条件下的探测过程,获取了多个周期的探测数据。通过频谱分析法、自相关法、交叉残差法处理实验数据,发现三种方法都可以成功反演出卫星模型的旋转速率,但交叉残差法受干扰较小,结果更准确。通过本文的工作,为今后通过光学散射特性反演真实卫星旋转速率提供了依据。     

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.     

深空背景下空间目标紫外特性建模方法研究

紫外探测具有灵敏度高、虚警率低等特点,空间目标紫外特性分析对空间目标探测具有重要意义.针对空间目标紫外特性提出了一种精确建模方法.根据空间目标的背景辐射环境及表面材料属性,引入区域分解与网格划分的思想,利用双向反射分布函数建立了空间目标紫外特性的数学模型.通过矢量坐标变换,确定了背景辐射源、探测器与目标的相对位置关系.以资源一号卫星和风云三号卫星为例,进行了目标紫外特性的仿真分析,计算获得了目标在探测器入瞳处的紫外辐照度随时间的变化关系.仿真结果验证了建模方法的正确性. 关键词： 空间目标 紫外特性 双向反射分布函数 建模与仿真     

空间目标光学特性模拟实验研究

 通过不同材料、形状的空间目标模拟实验测量,研究了几种简单形状目标和卫星缩比模型的光学特性。结果表明：光源 目标 探测器的位置对目标的光学特性起决定作用,对于球体和柱体目标来说,光源和探测器的相位角是影响接收到光辐射的主要因素,而对于立体状目标,它的光学特性则与特定的入射角和观测角有关;对静止卫星而言,其光学特性主要受太阳能电池板对地夹角和观测面积的影响。该研究有助于实际观测数据反演空间目标的姿态,便于对空间目标特性数据进行归类和分发。     

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.     

临近空间高空气球光学散射特性研究EI北大核心CSCD

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物体几何结构和物体光学特性,推导出透明类物体双向散射分布函数（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3～5μm和8～14μm波段仿真计算临近空间高空气球的背景辐射亮度,在0.24～2.4μm波段仿真计算气球自身亮度。仿真结果表明：利用BSDF模型计算得到高空气球亮度为2.28×10^-3W/（cm^2·μm·sr）,计算结果误差为10.6%,精度相对双向反射分布函数（BRDF）模型提高2%。在分析高空气球等类透明体散射特性时,可参考此模型来进行计算。     

空间目标天基光学观测的序列图像仿真方法

利用STK和OpenGL,提出了一种能体现空间目标天基光学观测系统真实成像距离和系统性能的序列图像仿真方法。首先建立空间目标的三维模型和轨道模型,利用STK预测目标卫星和观测卫星的相对几何关系,然后在分析相机针孔成像和OpenGL透视投影成像模型关系的基础上,通过设置OpenGL的有关参数生成了包含目标和成像系统信息在内的目标仿真图像,最后生成运动空间目标近距离光学观测的二维图像序列,可为天基空间目标识别研究提供数据基础。     

光学表面光散射特性分析

通过对光学表面光散射特性的研究,结果表明:光散射强度随入射光波长的增加而减小,随表面粗糙度增加而增加.     

基于光学相干层析成像技术的强散射介质光学特性测量

利用光学相干层析成像技术对强散射介质的光学特性进行了测量研究.通过理论模拟分析了镜面反射条件下散射系数及各向异性因子对外差效应因子的影响.提出镜面反射情况下利用广义惠更斯菲涅尔模型提取材料光学特性的算法.通过对不同浓度的IntralipidTM溶液的测量,获得了可靠的光学散射特性实验结果,并研究了散射系数与其浓度之间的...     

基于光学相干层析成像技术的强散射介质光学特性测量

利用光学相干层析成像技术对强散射介质的光学特性进行了测量研究.通过理论模拟分析了镜面反射条件下散射系数及各向异性因子对外差效应因子的影响.提出镜面反射情况下利用广义惠更斯菲涅尔模型提取材料光学特性的算法.通过对不同浓度的IntralipidTM溶液的测量,获得了可靠的光学散射特性实验结果,并研究了散射系数与其浓度之间的关系,拟合结果显示散射系数与IntralipiTM溶液浓度近似呈线性关系.     

复杂目标光学散射截面数值仿真方法

研究复杂目标的几何建模、光学面元消隐和目标表面的光学散射特性.针对任意构型的目标,提出采用均匀光照明仿真图像进行光学散射截面（OCS）数值计算方法.通过自适应Z缓存方法,实现目标光学消隐面的计算,将这部分消隐面面积从目标OCS的数值积分中去除.研究近似镜面材料的空间模板褶皱表面的光学散射数值模拟方法,以及基于激光主动探测系统实验测量数据的目标OCS实验分析方法.根据某缩比例空间目标相对探测系统不同方位、俯仰角情况的OCS实验结果,校正OCS数值仿真参数.仿真结果与实验结果的图像比较和OCS曲线趋势大略一致,考虑到表面褶皱的随机性、姿态的测量误差和仿真模型有限的校准能力等因素,本文提出的数值仿真方法能够在一定程度上描述目标的OCS值.     

集成光学建模工具及光机性能仿真分析

针对以往光机系统集成仿真存在的诸多缺陷,从光线扰动理论出发,开发了应用于集成仿真的光学建模工具软件。以某望远镜系统为研究对象,进行了有限元建模和模型转换,将模型数据植入MATLAB/Simulink仿真环境下,借助光学建模工具软件搭建了系统集成仿真模型,分析了在噪声干扰下对系统光学性能的影响。分析结果揭示了干扰信号对系统光束的扰动影响。仿真过程表明了该软件工具的适用性。     

空间目标天基光学监视平台的参数仿真分析

利用天基光学系统对空间目标进行监视是重要而有效的手段之一。以在轨运行的低轨卫星为研究对象,对天基光学平台的观察方向、升交点赤经和真近点角等参数进行了优化设置。通过分析可知,观察方向指向左和指向右时可以监视更多的目标,升交点赤经选取在0°、270°和315°对空间目标的监视效果较好,而卫星被截获的概率与真近点角的变化关系并不密切,因此真近点角可以任意选取。根据参数优化结果,以卫星仿真工具包STK(Satellite Tool Kit)为平台,对空间目标天基光学监视平台的轨道参数进行了仿真。     

基于BRDF的光学表面疵病散射特性的仿真研究

为了研究精密光学元件表面微弱疵病的散射特性,基于矢量散射理论和双向反射分布函数,建立了光学表面微弱疵病的散射理论模型。通过仿真计算了双向反射分布函数随散射角的变化情况,分析了入射角度、入射光波长以及疵病自身尺寸等因素对疵病散射光特性的影响。基于仿真数据分析,针对光源参数对散射特性的影响进行仿真分析,为使用暗场成像法进行精密表面疵病检测的系统参数选择提供理论参考,疵病检测入射角范围为30°～50°最佳;在可见光范围内时,380～500 nm的波长范围更有利于疵病检测。另外还通过研究疵病尺寸发生改变时散射场变化的规律,为分辨疵病的形状大小等信息提供了参考依据。     

掩埋目标声散射特性及其实验

基于变分原理建立2D-FE弱形式解模型,针对轴对称掩埋目标进行散射远场的快速、高精度数值计算。入射波垂直于对称轴,给出:掩埋深度不变,以1°为间隔,改变掠射角所得到目标散射声压级相对于垂直海底照射获得结果的差值随频率、掠射角变化的表达式;掠射角不变,以0.1m为间隔,改变掩埋深度得到的散射声压级相对于浅掩埋条件下获得结果的差值随频率、深度变化的表达式。实验结果表明:在回波最强的正横方向,掩埋弹性目标表现出的共振散射特性与在自由场空间中具有相似性,表明了掩埋条件下目标内填充的透射和表面环绕波理论的适用性,验证了大掠射角入射得到散射声压级差值的变化规律。研究成果对宽带、高频入射声波探测更深掩埋目标提供思路。