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2011_系统仿真学报_白天空间目标可见光探测仿真研究.doc

2011_系统仿真学报_白天空间目标可见光探测仿真研究

罗慎微
2017-09-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《2011_系统仿真学报_白天空间目标可见光探测仿真研究doc》,可适用于高等教育领域

系统仿真学报白天空间目标可见光探测仿真研究请按校样通知要求仔细校对文章认真修改并尽快返回~系统仿真学报第卷第期VolNo年月JournalofSystemSimulationJan,白天空间目标可见光探测仿真研究刘磊~罗成~华卫红(国防科学技术大学光电科学与工程学院长沙)摘要:为了仿真研究白天对空间目标可见光探测相关技术~基于STKX的相关技术和对大气辐射计算程序MONTRAN的整合~设计了白天空间目标可见光探测仿真平台~完成了目标亮度、目标轨道、大气和地面探测系统模型的建立和实现。以对某目标白天在长沙地区过境探测为例~估算了在一定角度下为了达到探测目的~探测系统消除杂光能力的大小要求~仿真分析结果与实际情况基本一致~表明仿真平台的有效性。通过该仿真平台的建立~为进一步研究白天对空间目标的可见光探测技术提供了帮助~为探测系统相关指标的设计提供了理论依据。关键词:空间目标,探测,星等,卫星仿真工具包,STK,,仿真中图分类号:TP文献标识码:A文章编号:X()SimulationResearchonVisibleLightDetectionofSpaceObjectsinDaytimeLIULei,LUOCheng,HUAWeihong(CollegeofPhotoelectricalScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha,China)Abstract:BasedontheSTKXtechnologyandtheIntegrationofanatmosphericcalculationprogram(MONTRAN),asimulationplatformforvisiblelightdetectionofspaceobjectsindaytimewasproposedtoresearchtherelatedtechnologybysimulationinvisiblelightdetectionofspaceobjectsTheestablishmentandrealizationoftheobjectbrightnessmodel,obitmodel,atmospheremodelandtheGroundbaseddetectionsystemmodelwerecompletedAdetectionsimulationexampleofaspaceobjectpassingbyChangshaarea,Chinaestimatedthegroundbaseddetectionsystem’sabilitywhichmustbeattainedofsuppressingstraylightatanangleSimulationresultswhicharebasicallyconsistentwiththeactualsituationshowtheeffectivenessofsimulationsystemAstheestablishmentofthesimulationplatform,morehelpofresearchonthevisiblelightdetectionofspaceobjectsindeepisprovided,andtherelatedindicatorsforthedesignofdetectionsystemprovideatheoreticalbasisKeywords:spaceobjectdetectionmagnitudeSTKsimulation以研究探测系统有效探测时间为例进一步验证了平台的可引言行性。随着地球外层空间资源不断开发,空间目标探测技术研空间目标可见光探测仿真系统设计究越来越受到各国关注。在大气层内对空间目标进行探测地面探测系统对空间目标探测过程如图主要考虑的往往因太阳辐射和大气散射等影响使得探测只能在夜间深是空间目标大气太阳对地面探测系统作用的过程。要仿空背景下或晨昏大气散射较弱的情况下进行为了提高对空真这个过程主要完成地面探测系统空间目标大气辐射间目标探测效率获取更多的有效数据增强对目标探测的太阳辐射四个部分的建模。灵活性研究白天空间目标可见光探测技术有着十分重要的意义。SunTarget为了降低风险和试验成本验证关键技术仿真研究成为有效手段之一。空间目标可见光探测系统是一个复杂的Atmosphere多任务的大系统为了仿真其对目标探测的全过程需要对多个对象建模。同时为了加快仿真应用系统的开发效率在仿真运行集成环境中三维场景采用了美国AGI公司的DetectorSTK版本的三维图形环境通过该公司提供的STKX工Earth具包实现了STK与仿真应用程序的有效结合。在系统大气有关模型的建立中设计了基于MONTRAN的多线程结图白天空间目标探测过程图构把MONTRAN在大气计算方面的优势有效的整合到仿系统总体结构真系统中提高了仿真系统大气计算方面的精度。本文最后在对参考图中各相互作用对象功能分析的基础上本收稿日期:修回日期:作者简介:刘磊(),男,江西万年,工程师,研究方向为作战模拟与文设计并实现了白天空间目标可见光探测仿真系统。按照层仿真罗成(),男,江西九江,工程师,研究方向为作战模拟与仿次化、模块化的设计思想整个系统主要划分为动态显示、真华卫红(),女,浙江宁波,教授,研究方向为作战模拟与仿真。第卷第期VolNo年月系统仿真学报Jan,数据管理、仿真计算、仿真驱动数据库五个部分(如图)。空间目标亮度模型空间目标本身不发光主要通过反射太阳辐射在探测系DatabaseTargetmanager统上产生亮度信息。DynamicdisplayDatamanager空间目标形状非常复杂要精确模拟其亮度大小很困Simulationresults难。通常将其抽象描述为平面、球面、柱面和锥面等组合Moduleofsimulation:目标地面照度近似表示为AtmosphericmodelDetectormodel()SpaceobjectsmodelEE,obji,Solarradiationmodeli式中为平面、球面等。iSimulationdriventhreadE取太阳为参考星其在大气层外可见光范围内照度为,E,atmosobj为大气透过率于是在地面照度为的目标亮度为:图仿真系统结构图Eobj(),,,lg()Mobj系统各模块功能,Eatmos仿真系统中动态显示模块主要完成功能:二维、三维场空间目标反射太阳光主要包括:太阳能电池板和目标本景显示系统各对象显示系统对象运行状态显示和仿真数体两个部分的反射。下面分别对这两个部分进行分析。据实时显示。()太阳能电池板光度特性分析数据管理模块负责完成各模型初始化参数输入仿真数太阳能电池板在其受光照全过程假设太阳光为平行光据结果输出相关数据报告生成仿真场景记录等功能。保持最佳受晒状态电池板对太阳光的反射为漫反射不考在仿真计算模块中空间目标模块主要完成目标轨道参虑电池板镜面反射影响可得太阳能电池板在探测器形成的数生成目标亮度信息计算大气模型参数完成大气传输透辐照度为:,过率计算大气散射计算和太阳辐射计算探测器模型通过ElAE,()coscos,,,,,opppatmossp()目标亮度信息和背景亮度信息实时给出自身探测目标能力式中l为目标距离A为太阳能电池板面积为电,pp的参数大小。E池板漫反射率为太阳在目标处照度为太阳入射方,sp仿真驱动模块控制了整个仿真的运行通过消息驱动的,向与太阳能电池板法线方向夹角为太阳能电池板法线方式使系统各个模块按照一定时序运行。方向与目标探测系统夹角。系统的数据库分目标管理和仿真数据管理两个部分。目()目标本体光度特性分析标管理主要完成需探测目标的形状轨道等相关信息的管目标本体对太阳光反射近似认为是漫反射。根据具体外理通过这个数据库达到快速生成仿真想定提高系统仿真型将其分解为球体、圆柱体、锥体等抽象形体的组合参考效率的目的。仿真数据管理部分存储了仿真的过程数据以E文中给出的算法可以得出其在地面的近似总辐照度。sa用于事后分析和仿真过程回放。最后可以得出空间目标反射太阳光在地面的总辐照度为:系统软硬件环境()EEE,satsaop在开发此仿真系统时所用的操作系统是WindowsXP,开可见光探测系统模型发环境是VisualC,采用STK版本实现空间目标模空间目标可见光探测器探测任务属于点目标探测主要块开发,大气计算模型选用了MODTRAN大气传输计算利用空间目标的太阳反射光进行探测。对探测器探测能力的程序。采用Oraclei数据库实现仿真数据的存储。分析是开展探测器建模的关键。探测能力大小(即极限探测系统运行硬件环境CPU:IntelPIII或更高内存:星等)主要以探测器的信噪比来衡量。大于G硬盘空间:G以上显示卡:标准VGA色显一般信噪比被定义为:示模式以上。Ndetector()SNR,Nnoise空间目标可见光探测仿真系统实现NN式中:为目标信号电子数为噪声源的噪声detectornoise系统主要数学模型电子数。仿真系统中主要用到了目标轨道预报模型目标亮度计探测器在接收测量目标光谱信息同时也接收和测量噪算模型大气散射计算模型大气传输计算模型地面可见声信号。这些噪声信号包括探测器噪声、探测背景噪声、光探测系统模型。参考相关资料并结合仿真运行实际本文目标辐射光子噪声、驱动电路、温度环境噪声、目标与探测重点对空间目标亮度模型和地面可见光探测系统模型进行器间介质闪烁噪声等。这里考虑主要噪声为探测器噪声、探了简化、提取与实现。测背景噪声和目标辐射光子噪声。第卷第期VolNo年月刘磊,等:白天空间目标可见光探测仿真研究Jan,探测器噪声包括转移噪声、产生复合噪声、暗电流噪由星等计算公式与参考文献最终得到地基可见光探测:声、量化噪声、电子读出噪声、模式噪声等这里仅讨论主系统极限探测星等为Mhc要贡献项探测器暗电流噪声。它由载流子的热运动而产生,,,lg(mmin,,,,tAaatmos的是一种白噪声其噪声均值表示为:为N,,Nddd()SNRSNRSNRNNdb()minminmin暗电流电子数。探测背景噪声均值表示为:为N,,Nbbb)背景辐射产生电子数。目标辐射光子噪声均值表示为:系统实现关键技术为目标辐射产生电子数。总的等效噪声电子N,,NeeeSTKX技术数为:目前对于结合STK开发的大型仿真应用系统用户希()NNNN,,,,,noisedbedbe望拥有其自身的界面和许多无须STK参与的功能其对STK()目标信号电子数计算图形平台和数据分析模型的利用只是程序的一个部分,利用探测器光学系统外的目标光辐照度为假设照度Eobject当前使用最多的STKConnect接口方式进行二次开发已经均匀在曝光时间光通量不变则每个探测器像元接收目标越来越突显其局限性。为满足用户需求AGI公司自STK辐射能量为:版本以后提供的用于该软件二次开发的工具包STKX该工()QtAE,,object具包使用了DX嵌入技术生成的STK整合模块此模块可式中:为CCD探测器曝光时间为有效通光面积为,At以将STK的功能嵌入到第三方软件中而无需在运行第三光学系统和滤光片透过率。方软件的同时打开STK软件。采用该工具包开发的应用系总目标信号电子数近似为:统能够集成STK当中许多成熟的功能模块具有良好直观()NtAEhcM,,,,()eobjecta的可视化效果。同时通过它可以大大降低定制软件开发难,式中为探测波段内平均波长为探测器量子效率,Ma度、提高开发效率、缩短开发周期。自STK版本以后为目标成像所占像元个数。STKX由GlobeControl、MapControl、GraphicsAnalysis()背景辐射计算Control和Application四个部分组成了STKX对象模型。对空间目标探测时探测器可能接收到的背景辐射(如在仿真系统中通过VC使用自动化技术生成一个客图)主要有:太阳直接辐射空间目标辐射大气的散射户端STKX中的组件是一个自动化服务器自动化客户经和自身辐射等。大气辐射由于其有效温度在K内过IDispatch接口完成与自动化服务器间的通信。在小于um的波长范围内辐射量很小这部分可以忽略。仿真系统利用STKX实现接口过程如图:对于大气散射产生电子数可近似表示为:tAhcS,,,,()atmosadetectorComponentinitialization(),NLscatBf式中是由大气散射引起的天空辐射亮度是探测LSRegisterdocumenttemplateBdetector器像元面积大小。CreateDandDview对于太阳直接辐射为太阳在地球上的光谱照度。Esun在探测器视场外太阳辐射主要对探测系统产生杂散光的影Createtheeventsink响一般用点源透过率来描述探测系统消除杂光的能力当,探测系统光轴与探测器目标连线的夹角为时得探测系Sendlinkcommand统点源透过率:E(),d图STK接口实现过程图(),PST(),Ecos,sun在STKX中的组件完成初始化后示例语句如下:为太阳光进入光学系统后在探测器上的辐照度E(),dCAgSTKXApplicationmSTKApplication,,,,,,,当当探测系统背光工作。E(),,dmSTKApplicationExecuteCommand("NewScenario"m太阳直接辐射在探测器探测单元产生电子数近似为:strScenarioName)新建场景()NtSPSTEhc,()cos(),,,,sundetectorsuna大气传输计算程序合成技术NNN,可得背景辐射电子数为:bscatsun()极限星等探测能力计算对于大气传输透过率和大气散射的计算目前已有的方SNR假设探测系统最小可探测信噪比为则:法中最常用的是辐射传输模型法它是利用电磁波在大气min中的辐射传输原理建立起来的应用比较广泛的就有S、SNRSNRSNRNN()dbminminmin()N,eMODTRAN、LOWTRAN和ATOCOR模型。在本系统中第卷第期VolNo年月系统仿真学报Jan,合成了MODTRAN大气传输计算程序通过调用该程序完成大气传输透过率计算、大气散射计算和太阳辐射计算(如图)。CalculationprocessInputandoutputbyMONTRANfilesCallwritereadSimulationprocess图大气传输计算程序调用图仿真系统运行流程图目标模型初始化界面图仿真主线程的运行流程如图:下面我们使用仿真系统分析白天探测空间目标太阳直Start射对目标探测的影响。Parameterinitialization设某空间目标呈圆柱体底面直径D=m高度h=mCreate带一对太阳能电池板尺寸为m×m旋转对称轴的定位thread方向在轨道半径方向上轨道高度为km×km偏心Timestep×轨道倾角升交点赤经近地点辐角noOrbitcalculation,平均角速度平近点角目标圆柱体Targetspotted表面漫反射率太阳能电池板漫反射率为。yesAtmospheric设探测站的地理经度纬度海拔高Showparameterstransmissioncalculation度H=m探测时刻t=::::光学LimitedmagnitudeMagnitudecalculationcalculation设备探测条件为:目标受晒且处于地平线角之上。探测器口径m焦距m光学系统透过率量子效率noMagnitudegreaterthanlimitedmagnitude积分时间ms暗电流噪声电子数探测信噪yes比为像元尺寸um×um像元数量×目标Showorbitalparameters成像所占像元数。Showtargetmagnitude设太阳能电池板始终处于最佳受晒状态即太阳能电池no板法向矢量始终与太阳目标连线保持所能达到的最小夹Endyes角。Outputresults大气选择中纬度冬季乡村能见度km可见光范围图仿真系统运行流程图内(um)由以上条件仿真条件假设探测全过程探测器没有太阳仿真系统应用与分析直射对其影响只受到大气对太阳光散射的影响得到数据如如图、图分别为系统运行初始化界面和目标模型初图。始化界面截图。ThetargetmagnitudeLimitedmagnitudeofthedetectorMagnitude::::::::Time(hh:mm:ss)图极限探测星等与目标星等变化图仿真系统界面图第卷第期VolNo年月刘磊,等:白天空间目标可见光探测仿真研究Jan,由图当目标星等值大于极限探测星等值时就可以需要考虑在与太阳视轴夹角一定范围内探测系统点源透过判定探测器在这个时间将无法对目标完成探测。率要达到多少才能探测目标。在实际探测中由于太阳直射亮度过大往往造成探测由仿真计算可得目标过境时间内太阳高角大约为器饱和只有当探测器背光工作时才能忽略太阳直射对其造。由式()()当目标度在地面的辐照度为Wm成的影响。视轴与探测器太阳轴夹角为度时探测系统点源透过率在::时刻后目标视轴与探测器太阳连线的夹角要小于。小于度(如图),考虑探测器受到的太阳直射影响(假天空目标几何形状比较复杂本文的数学模型只能近似设探测系统点源透过率为),得到仿真数据如图。的给出其星等的变化范围对于低轨道目标线性大小在米量级目标表面漫反射系数在量级在典型的太阳角情ThetargetelevationInclinationbetweensightaxisoftarget况下其星等变化在之间较大目标(如空间站)星等大anddetectortosunaxis小能到以上这一分析结果与实际情况基本一致(文献中给出了部分天体的亮度数据在之间)。结论Angledeg本文结合有关数值模型基于STKX等相关技术提出了白天对空间目标可见光探测模拟系统的设计与实现过程通过这些技术在仿真系统中整合了目前通用的目标轨道计算平台STK与大气传输计算平台MODTRAN。同时系统结::::::::Time(hh:mm:ss)合各平台的优势完成了白天对空间目标探测全过程的三维模拟显示相关数据参数计算等。目前仿真系统功能已经基图目标过境角度变化本实现通过该系统能够分析包括目标过境的有效探测时LimitedmagnitudeofthedetectorThetargetmagnitude间目标亮度大小以及要达到某探测目的地面系统需要的设计指标等为理论研究与实际探测工作提供了参考。参考文献:李斌成空间目标光学特性分析J光学工程,,():万敏,苏毅,杨锐,等提高白天观测星体信噪比的方法研究J强激光与粒子束,,():Magnitude陈新锦空间目标光谱探测的信噪比分析D西安:西安光学精密机械研究所,彭华峰,陈鲸,张彬天基光电望远镜极限星等探测能力研究J光电工程,,():袁家虎,高晓东CCD光电系统噪声受限的探测能力分析J数::::::::据采集与处理,,():Time(hh:mm:ss)吴北婴,李卫,陈洪滨,等大气辐射传输实用算法M北京:图极限探测星等与目标星等变化气象出版社,姚连兴,仇维礼,王福恒目标和环境的光学特性M北京:宇由图可以看出当考虑太阳直射影响时探测器极限航出版社,探测星等远远小于目标星等目标将无法探测。朱耆祥白天用CCD摄像机对天体目标的探测及实验J光电工对于空间目标在长沙地区的这次过境探测器只背光工程,,():王伟国空间目标白天光电探测技术研究D长春:长春光学精作时它的有效探测时间只占目标过境时间的,(如图)密机械与物理研究所,大大减小了探测效率和设备利用率。同时长沙地区RorkE,LinS,YakutisAGroundbasedelectroopticaldetectionof年全年太阳最大高角变化在度之间探测器白天在背artificialsatellitesindaylightfromreflectedsunlightC光工作状态下只有探测晨昏轨道目标比较适合。对于夏季ADA,USA:ADA,中午太阳高角较大探测器几乎都无法完成探测任务。这时

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