基于STK的空间目标可见光散射特性建模与仿真

为给天基光学观测系统的设计和性能研究提供数据支持, 建立了基于STK的天基 探测空间目标等效星等计算模型. 选用双向反射分布函数(BRDF)五参量计算模 型, 分析了空间目标面元的可见光散射特性; 根据目标几何结构尺寸和物性参 量等建立目标几何模型, 对该模型进行面元划分, 推导了空间目标在天基观测 系统入瞳处的等效星等计算公式; 结合卫星工具包(STK)提供的太阳、目标卫 星、观测卫星三者的关系数据, 建立了基于STK的易于求解的目标星等计算模 型, 对此模型进行实例仿真和分析, 并与漫反射计算模型进行比较. 结果表 明BRDF模型得到的辐照度曲线比漫反射模型更曲折且存在峰值现象, 更符合 目标表面材料的实际特性, 此外, 与STK的结合运用, 使其可更加方便快捷地获得目 标最佳观测时段及相应的等效星等.      

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

材料粗糙度变化对卫星光谱红化效应的影响

在轨人造目标的地基观测光谱存在红化效应，影响对目标反射光谱的理解应用.目标在进入空间环境后外露材料表面粗糙度发生变化.本文结合材料的光谱散射特性、卫星轨道和观测条件，仿真分析了卫星表面材料粗糙度变化对红化效应的影响.基于文献中实验数据，设计不同粗糙度的卫星表面材料样本，模拟空间环境中材料表面粗糙度的变化.利用双向反射分布函数，建立不同粗糙度材料样本的光谱散射模型.理论模拟结果表明，材料表面粗糙度的变化会影响其光谱散射特性，散射光谱形态和散射分布取决于粗糙度及入射-反射几何关系.引入网格剖分和可见面片，利用材料双向反射分布函数，仿真计算卫星表面材料在不同粗糙度状态下，整个卫星在可见光波段的反射光谱信号.仿真结果表明，随着卫星表面材料粗糙度的增加，其反射光谱在600nm之后随波长增加而呈现上升趋势，这表明空间环境中外露材料表面粗糙度变化是卫星产生红化效应的原因之一.      

地气光辐射对空间目标成像特性影响分析

为分析地气光辐射对空间目标成像特性的影响,以地球同步轨道(GEO)卫星搭载的可见光成像器为探测平台,利用卫星工具包(STK)设计高椭圆轨道(HEO)及近地轨道(LEO)目标运动场景,根据空间目标、地球、太阳、探测平台之间的位置关系,采用微元法建立空间目标与地气光背景等效星等模型,推导出空间目标信噪比(SNR)计算公式。分析了距离、角度参数变化对不同轨道空间目标、地气光背景等效星等及空间目标信噪比的影响。仿真结果表明:当探测平台距离空间目标较远时,地气光背景等效星等低于空间目标等效星等,地气光辐射比空间目标信号强。当地气光辐射进入和离开空间目标探测视场时,空间目标信噪比最大,该时间段是进行空间目标探测的最佳“观测窗口”。仿真得出的空间目标信噪比值为空间目标探测识别提供了理论计算依据。      

空间目标红外特征仿真模型

建立了一种基于三维场景的空间目标红外辐射特征计算模型.模型对多层介质目标进行几何建模与三维剖分,考虑目标微动时太阳和地球对目标加热的影响,计算了目标外表面的辐射散热及内腔壁面元间的辐射换热,在此基础上完成目标的三维导热计算,利用Gauss-Seidel迭代法求解微元体的温度,进而计算了中长波和长波红外波段目标自身的辐射、对外热源的反射以及总的辐射亮度图像和辐射强度曲线.研究表明,无自旋的目标在圆周方向受太阳加热不均,温差显著;自旋使目标圆周方向温差减小,温度分布趋于均匀.     

一种方形腔体的目标散射特性及测量方法

雷达散射截面(RCS)是评价飞机隐身性能的重要指标，进气道对飞机的RCS有较大贡献，研究飞机进气道的散射有重要意义。相对于普通凸表面类型目标，进气道属于腔体，在远场条件计算、测量系统配置方面都需根据自身特有的散射机理做相应调整。借鉴矩形波导与远场关系理论，分析进气道等腔体类型目标的散射规律，判断进气道散射只与口面场有关。以一种方形腔体为例，采用几何光学法进行定量回波分析，通过电磁仿真软件FEKO进行仿真计算验证理论推导的正确性。在紧缩场和普通远场2种环境下，对腔体目标进行RCS对比测量研究。数值计算和实验测量的结果表明:对进气道等腔体类目标进行散射测量时，测试场仅需保证口面尺寸满足远场条件即可，但是测量系统需要具备2~5倍进气道长度的测量能力。      

空间目标的地面光谱特性和星等估计

针对自适应光学系统将要探测的空间非自发光目标,进行了光谱特性和星等估计的研究;研究了空间非自发光目标反射太阳光穿过大气层而进入自适应光学系统的波前探测器的子孔径内的光子速率;同时还针对反射太阳光的空间目标亮度太低,研究了激光照射目标后的相应情况。     

飞行弹丸红外特性的地面模拟试验

设计并建立了用于飞行弹丸中段飞行状态实验室模拟的试验系统,测量获得了飞行弹丸的红外辐射特性.基于传热与辐射理论,分析了相关参数对实验结果的影响,获得飞行弹丸在一定飞行状态下的辐射特性变化规律.目标的初始温度和辐照条件是影响目标辐射特性的主要因素,自旋状态影响辐射特性的空间分布.试验测量与数值仿真和理论分析结果均具有很好的一致性,证明在实验室开展飞行弹丸的红外辐射特性模拟试验具有可行性.     

粘弹性材料非局域声阻抗模型及参数优化

针对敷设粘弹性材料的刚体声散射问题提出了一种利用等效非局域阻抗基本代数模型计算表面声阻抗矩阵的方法.并以敷设粘弹性材料的球体为例,采用全局收敛移动近似算法(GCMMA, Globally Convergent Method of Moving Asymptotes)对非局域声阻抗代数模型的参数进行了优化,使其声散射计算结果与使用有限元得到的结果一致.研究表明:等效非局域阻抗基本代数模型可以应用于表面敷设粘弹性材料球体声散射的数值计算,为研究潜艇等复杂水下目标的声散射提供了有效的途径.     

工件表面轮廓均方根斜率的光散射测量

描述并确定具有明显纹理粗糙表面均方根斜率的光散射技术(均方根斜率是联合表面轮廓高度和波长特性的混合参数)。称为散射光锥法(The scattered light-conemethod)的该技术是基于激光角散射检测阵列(DALLAS——Defector Array for Laser LishtAngular Scattering),它用于测量粗糙表面散射光角分布的仪器。均方根斜率是从DALLAS光散射图象的角宽得到的。一般可以发现角宽(即估计的均方根斜率)对光的入射角和散射角变化相当大时是不敏感的。这些结果与表面材料无关,并且对正弦和随机粗糙表面都是有效的。介绍了散射光锥法的测量原理、实验、数据分析和几点结论。     

空间目标在天基光学探测中的特性分析与仿真

分析了空间目标的分布及几何特性,研究了空间目标光学特性与天基探测系统、太阳以及目标自身参数的关系,提出了空间目标光学特性仿真的思路,建立的天基空间目标光学特性分析系统可以计算并绘制相对距离、太阳相位角及目标星等变化曲线.由于很难获取准确的空间目标实际光度数据,文中提出了对仿真结果的验证方法.通过对仿真结果的分析,得出了天基空间目标光学探测的特点,为天基光学探测和识别的研究提供了参考.      

一种基于窄带雷达的低轨空间目标识别方法

通过分析低轨空间目标的姿态运动对窄带回波脉冲数据的调制,表明低轨空间目标窄带回波脉冲数据信号的相位比幅度包含了更多的目标特征信息。采用小波分析从实测窄带相参回波特性数据的相位中,估计低轨空间目标的整体运动趋势,判别低轨空间目标的粗略类型,并通过大量实测数据的实验结果验证了该方法判别低轨空间目标粗略类型的有效性。     

Retrieval of aerosol optical characteristics from polarization measurements of reflected solar radiation above the oceans

The reflected near infrared solar radiation observed from space above the oceans is due mainly to the atmosphere scattering, as the ocean surface is nearly black. The molecular Rayleigh contribution is also minimized at infrared wavelengths and it can be evaluated. It is shown that the degree of polarization is much more sensitive to the aerosol properties than the radiance. Measurements of polarization at two wavelengths and with an angular scanning are simulated and an inversion algorithm is proposed. It aims at finding an “equivalent aerosol model,” which reproduces the optical thickness and the asymmetry factor of the actual aerosol at all wavelengths in the solar spectrum.     

Different atmospheric effects in remote sensing of uniform and nonuniform surfaces

The atmospheric effect on the radiance of sunlight scattered from the Earth-atmosphere system is greatly dependent on the surface reflectance pattern, the contrast between adjacent fields, and the optical properties of the atmosphere. In addition, the atmospheric effect is described by the range and magnitude of the adjacency effects, the atmospheric modulation transfer function, and the apparent spatial resolution of remotely sensed imagery. This paper discusses the atmospheric effect on classification of surface features and shows that surface nonuniformity can be used for developing procedures to remove the atmospheric effect from the satellite imagery.     

Wrinkling analysis for small solar-photon sails: An experimental and analytic approach for trajectory design

A good model of solar-radiation pressure induced thrust is one of the key points in sailcraft trajectory design. The sail membrane’s local topographic deformations, i.e. wrinkles and creases, are among the main aspects that such a model should include. We have analyzed the influence of wrinkles/creases, as a whole, by measuring the related deformations on small samples of sail membrane, 2.5?μm thick, consisting of CP1 and physical-vapor-deposition Aluminum. Experimental outcomes from our laboratory facility have been processed, statistically investigated, and inserted into the lightness vector formalism. We have used such formalism for accurate sailcraft trajectory computation via a non-ideal reflection sail thrust model. Finally, we computed the deviations of wrinkled-sail sailcraft final orbital states with respect to the no-wrinkle sail final orbital ones for a circular to circular 2D inward transfer. The radii of the orbits are 1?AU and the semi-major axis of Mercury, respectively. It appears that sail wrinkles and creases are no longer negligible in the sailcraft trajectory design.     

钛合金表面抗激光涂层损伤特性及热效应影响研究

实验研究了钛合金和高反射型陶瓷涂层材料抗连续型激光烧蚀的损伤及温度分布特性，并从热效应影响角度对比分析了二者在抗激光损伤效果方面的差异性。研究结果表明：相比于钛合金，高反射型陶瓷涂层材料能有效增强钛合金基底抗激光损伤的能力；在同等激光功率密度辐照下，陶瓷涂层材料能有效提升钛合金基底耐受激光辐照的时间长度。实验结果表明该陶瓷涂层材料的激光损伤阈值比钛合金高约5.8倍。实验发现陶瓷涂层温升速率高于钛合金，但由于陶瓷材料具有较高的反射特性，以及良好的热吸收和热传导特性，因此能使由激光辐照产生的热量在其表面较快地扩散，而降低向基底方向传导的程度，最终提升陶瓷涂层的抗激光损伤阈值。     

基于双基雷达原理的GNSS海面反射信号建模方法

全球导航卫星系统反射(GNSS-R)技术应用过程中接收机的测试验证需要反射信号产生源,以降低成本。信号的模型是GNSS-R信号产生源中的核心。针对缺乏相应模型的问题,提出了一种根据双基雷达原理建立GNSS海面反射信号模型的方法。首先,在分析GNSS海面反射信号特征的基础上,选取了恰当的海面反射点。然后,计算了雷达方程中的散射系数和散射面积,从而得到相应反射点的反射信号功率。最后,对所求得的反射信号参数进行仿真验证。验证的结果表明,反射信号的相关功率曲线与ZV模型理论曲线的相关系数优于0.98,能够有效地用于GNSS海面反射信号的生成。因此,该方法可为GNSS-R信号产生源的研制提供一定的理论支撑。