隨著空間態(tài)勢感知在國家安全等領(lǐng)域的作用越來越重要,現(xiàn)有的地基空間目標可見光探測系統(tǒng)、地基空間目標紅外探測系統(tǒng)和天基空間目標可見光探測系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟,發(fā)展新的空間態(tài)勢感知手段以彌補這些感知手段的不足很有必要。本文研究了空間態(tài)勢感知發(fā)展完善過程中必不可少的一種手段——天基空間目標紅外輻射特性及其獲取。由于復雜的軌道熱輻射的影響,空間目標在軌運行過程中會經(jīng)歷幾十度甚至上百度的溫度交變。多層隔熱材料是目前最常用的空間目標包覆材料,它可以大幅減小軌道熱輻射對空間目標內(nèi)部載荷的影響。與此同時,空間目標內(nèi)部產(chǎn)生的多余熱量也不能有效地通過空間目標表面排放到太空中。往往需要使用熱控系統(tǒng)將這些多余熱量轉(zhuǎn)移到位于空間目標外表面的輻射散熱器,由其以熱輻射的形式向空間輻射。如輻射散熱器等這種空間目標外表面的區(qū)域可以被看做紅外特征源。這些紅外特征源與空間目標內(nèi)部載荷的工作狀態(tài)有關(guān),通過對其進行觀察可以實現(xiàn)對空間目標工作狀態(tài)的推斷。本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)建立了基于輻射散熱的空間目標紅外輻射模型。針對空間目標的輻射散熱器等紅外特征源,將空間目標外表面分為一般區(qū)域和散熱區(qū)域,并分別建立能量方程,研究其輻射特性。根據(jù)空間目標的輻射特性研究了空間目標輻射測量系統(tǒng)工作波段的選擇,得出結(jié)論,長波波段的輻射強度更強,適合進行測量工作。(2)提出了基于閾值統(tǒng)計的空間圖像降噪方法和基于配準統(tǒng)計的非均勻性校正方法。針對天基空間目標圖像的背景為深空的特點,通過選擇閾值將目標提取出來,對剩余區(qū)域進行統(tǒng)計,利用區(qū)間估計的方法,得到圖像加性噪聲在一定置信度下的置信區(qū)間,進而計算出信號在該置信度下的置信區(qū)間,達到降噪的目的。仿真結(jié)果顯示,該方法使圖像的局部SNR提高了約27.93,降噪效果明顯優(yōu)于均值濾波、中值濾波和小波閾值去噪算法。利用標定后紅外成像系統(tǒng)增益漂移的隨機性,對第2至n幅圖像與第1幅圖像配準后做商,并對商值進行統(tǒng)計,利用區(qū)間估計得到第2至n幅圖像的統(tǒng)計增益與第1幅圖像目標對應(yīng)區(qū)域增益之比的置信區(qū)間,由于第2至n幅圖像增益的統(tǒng)計均值已知,進而可得到校正后的第1幅圖像。仿真結(jié)果顯示,該方法使圖像的局部SNR提高了約29.13,可以有效減小非均勻性的影響。(3)研究了工作波段、成像系統(tǒng)噪聲和點擴散函數(shù)誤差對天基空間面目標溫度反演的影響。輻亮度測溫、比色測溫和光譜測溫是常用的三種測溫方法,通過在不同工作波段、不同成像系統(tǒng)噪聲和不同點擴散函數(shù)誤差下利用這三種方法反演空間目標的輻射散熱器溫度,得出結(jié)論,中波波段的輻亮度測溫誤差小于長波波段的輻亮度測溫誤差,長波波段的比色測溫誤差小于中波波段的測溫誤差;相同成像系統(tǒng)噪聲水平下,輻亮度測溫的誤差最小,比色測溫的誤差次之,光譜測溫的誤差最大;相同點擴散函數(shù)誤差下,中波波段的測溫誤差小于長波波段的測溫誤差。(4)研究了環(huán)境輻射波動、包覆材料退化和成像系統(tǒng)噪聲導致的最小可分辨空間目標輻射散熱功率變化值,并提出了一種反演空間目標輻射散熱功率變化率的方法。通過研究環(huán)境輻射波動、包覆材料退化和成像系統(tǒng)噪聲等因素對空間目標輻射散熱器溫度的影響,可以得到最小可分辨輻射散熱功率變化值。研究結(jié)果顯示,太陽輻射波動±1%導致的最小可分辨輻射散熱功率變化值最大為[-0.1622W,0.1496W],太陽吸收比?0.01導致的最小可分辨輻射散熱功率變化值最大為[-0.1591W,0.1467W],增益噪聲為N(1,0.01)時置信度為99.37%的最小可分辨輻射散熱功率變化值置信區(qū)間為[-2.2219W,2.2276W],偏置噪聲為N(10~5,10~4)時置信度為99.37%的最小可分辨輻射散熱功率變化值置信區(qū)間為[-0.0490W,0.0613W]。當輻射散熱器的散熱功率發(fā)生變化時,能量方程中變化的量只有內(nèi)部散熱功率和溫度,通過在選取兩個時間間隔相同的四個時間點,對能量方程兩兩做差并求解方程組,可以得到輻射散熱器的散熱功率變化率。仿真結(jié)果顯示,當輻射散熱器的散熱功率以1W/s的速率變化時,該方法計算得到的散熱功率變化速率為0.9754W/s,相對誤差約為2.46%。
【學位單位】：中國科學院大學(中國科學院西安光學精密機械研究所)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP391.41;TN215
【部分圖文】：

圖 1.1 SBIRS 系統(tǒng)示意圖[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch map是導彈監(jiān)視，其工作流程為：1.導彈外輻射特征進行探測、跟蹤；2.星載終端，并且送到任務(wù)控制總站；3.任務(wù)析處理，并反饋給 SBIRS 星座；4.任、預(yù)報落點等數(shù)據(jù)，并通過多顆衛(wèi)星間指揮部接收導彈發(fā)射預(yù)報數(shù)據(jù)并將用戶終端；6.隨后的大范圍數(shù)據(jù)回放更新。

圖 1.1 SBIRS 系統(tǒng)示意圖[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch mapIRS 主要任務(wù)是導彈監(jiān)視，其工作流程為：1.導彈發(fā)射后，SBI彈尾噴焰的紅外輻射特征進行探測、跟蹤；2.星載系統(tǒng)處理并傳控制站的用戶終端，并且送到任務(wù)控制總站；3.任務(wù)控制總站接收提供的數(shù)據(jù)分析處理，并反饋給 SBIRS 星座；4.任務(wù)控制總站生發(fā)射點、方位、預(yù)報落點等數(shù)據(jù)，并通過多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)融合獲報；5.空軍空間指揮部接收導彈發(fā)射預(yù)報數(shù)據(jù)并將其分發(fā)給分布戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報用戶終端；6.隨后的大范圍數(shù)據(jù)回放允許更全面的并提供數(shù)據(jù)的更新。

圖 1.1 SBIRS 系統(tǒng)示意圖[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch mapIRS 主要任務(wù)是導彈監(jiān)視，其工作流程為：1.導彈發(fā)射后，SBI彈尾噴焰的紅外輻射特征進行探測、跟蹤；2.星載系統(tǒng)處理并傳控制站的用戶終端，并且送到任務(wù)控制總站；3.任務(wù)控制總站接收提供的數(shù)據(jù)分析處理，并反饋給 SBIRS 星座；4.任務(wù)控制總站生發(fā)射點、方位、預(yù)報落點等數(shù)據(jù)，并通過多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)融合獲報；5.空軍空間指揮部接收導彈發(fā)射預(yù)報數(shù)據(jù)并將其分發(fā)給分布戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報用戶終端；6.隨后的大范圍數(shù)據(jù)回放允許更全面的并提供數(shù)據(jù)的更新。

【參考文獻】

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本文編號：2831839