夜气辉对天基光学碎片探测的影响分析

邢必达，王后茂，魏 聪，郑昌文

(1. 中国科学院软件研究所，北京 100190；2. 北京电子工程总体研究所，北京 100854；3. 中国科学院国家空间科学中心空间环境探测室，北京 100190)

0 引 言

随着空间活动的日益频繁和空间碎片数量的增加，对空间碎片的探测与编目愈发重要。空间碎片探测可通过地基和天基等平台，利用雷达、红外及可见光等多种手段，其中天基光学探测手段以其不受地球大气影响、观测范围大、观测时效性强、能源消耗低、探测精度高等优势，在国内外的空间碎片探测中被广泛地应用[1-4]。天基光学探测器在设计中大多考虑了杂光抑制的手段[2,5-7]，但在观测中仍然可能受到杂光的影响。在观测任务规划中考虑较多的杂光有太阳光、月光、地气杂光[8-12]，而大气辉光尤其是夜间辉光往往容易被忽略。

大气辉光是空间光学辐射背景中重要的自然发光现象，主要由太阳紫外辐射直接或间接激发大气分子、原子而产生。大气辉光辐射分为白昼辉光辐射、曙暮辉光辐射和夜间辉光辐射[9-11]。白昼辉光辐射和曙暮辉光辐射主要是被太阳光照射的大气产生的共振和荧光过程。夜间大气辉光辐射(简称夜气辉)主要是被太阳光白天照射破坏的高层大气中的分子在温度降低重新复合或多种粒子相互碰撞时而产生的辐射[13]。

可见光近红外夜气辉主要分布在80～500 km高度，辐射较强的主要有557.7 nm,630.0 nm,777.4 nm, 844.6 nm和氧气(0-0, 762 nm)等谱线。在高度上，557.7 nm和氧气(0-0)气辉主要分布在约100 km的高度，而630.0 nm,777.4 nm和844.6 nm辐射主要分布在200～400 km高度。在纬度上， 557.7 nm和氧气(0-0)气辉覆盖了几乎所有纬度，而630.0 nm, 777.4 nm和844.6 nm则主要分布在中低纬度区域。在辐射强度上，最强的氧气(0-0)辐射亮度约1000 R[14]。

目前，国内外对天基空间碎片探测与移除的研究[2-4,15-16]、气辉光谱的探测与研究[10-11,17]、大气密度反演相关[18]研究较多，但对夜气辉对天基碎片探测影响的相关试验和分析的报道较少。本文基于天基空间碎片探测技术科学试验卫星(简称观测星)设计观测试验，利用其空间碎片探测相机(简称探测相机)，获取包含夜气辉背景的天基观测数据，通过对数据的处理与分析，研究夜气辉的辐射特性及其对天基碎片探测的影响。

1 观测试验方案和数据

1.1 试验方案

观测星运行在晨昏太阳同步轨道，其光学探测相机采用高灵敏度CCD探测器，负法向安装，顺阳观测，主要性能参数[4]如表1所示。

表1 观测星及探测相机主要参数表Table 1 Main parameters of the observed satellite and the detection camera

考虑观测星与夜气辉的相对关系，设计试验方式为：调整观测星姿态(卫星Z轴始终指向地心，Y轴指向轨道面负法向，沿X轴做一定角度姿态机动)，以临边探测(探测相机光轴近似指向某一高度临边大气)的方式，采用1600 ms的曝光时间，对高度为52 km～500 km的夜气辉进行观测，其原理如图1所示。

由于探测相机视场角度限制，不能一次覆盖整个高度范围，所以需要分多次观测，观测试验设计如表2所示。另外，由于观测星轨道与晨昏圈不严格重合导致星下点有一半时间处于光照区内，且受到试验时间、南大西洋异常区(SAA区)、探测相机连续工作时间等其他试验资源的限制，所以只能获取有限经纬度下的夜气辉数据。

序号沿X轴姿态调整/(°)视场下边沿临边切点高度/km视场上边沿临边切点高度/km临边切点纬度范围/(°)123521727.71N～58.39S220.751602697.53N～61.03S318.52593566.53N～59.92S416.253474333.09N～65.66S5144254997.63N～59.45S

1.2 试验数据

通过试验获取了大量含有夜气辉背景的观测数据，图2给出了不同纬度和不同临边切点高度的观测图像。从图2可以看出，不同高度和纬度的气辉辐射强度也不同。

2 数据处理与分析

首先对图像进行仪器效应校正，去除本底噪声和热点噪声，然后通过对数据进一步处理分析，获得夜气辉的辐射分布，以及对恒星和碎片提取的影响。

2.1 夜气辉辐射分布

1)数据处理方法

对于夜气辉，星光辐射是主要的噪声来源，在分析气辉辐射特性时需要去除星点。根据图像特点，考虑到52～172 km辉光背景在相机视场中分布的不均匀性，对此高度的图像采用局部阈值法，将图像分为52～110 km及110～172 km两部分进行处理，对其余高度的试验图像采用全局阈值法，上述图像均采用自适应阈值法[17]进行分割阈值的选取。

另外，黄道光也属于背景辐射，在研究夜气辉的辐射特性时需将其去除，本文借助CADS可见光黄道光模型[20]进行黄道光去除。

对于气辉强度反演，本文建立CCD成像信号与辐射强度间的关系式：

(1)

式中：GCCD为CCD灰度值，σ为量子效率，A为望远镜接收面积，t为积分时间，θ为仪器视场角，n为谱线数量，不同高度的气辉反演取不同的值，Ii为各谱线的气辉辐射强度，Ti为透过率，Qbi为量子效率，Isum为总强度，Rai表示各气辉强度占总强度的比例，由气辉辐射模型AURIC计算得到。式1表示气辉谱线综合强度经过仪器光学系统到达CCD探测器的信号，即正演模型。

采用全天巡天星表USNO B1.0[21]进行星等定标，结果是：

M=M0-2.5lg(a)+2.5lg(t)

(2)

式中：M0为定标的星等零点，a为点源的亮度的净计数，t为曝光时间。

2)处理结果及分析

由于425～499 km高度的气辉辐射强度很弱，对于本文使用的探测器来说无法与噪声区分，故未进行该高度范围的夜气辉辐射强度的反演。图3～图6给出了52～433 km内不同高度、不同地理纬度下夜气辉的辐射强度的反演结果。

各高度及纬度的夜气辉辐射强度及背景亮度处理结果如表3所示。在纬度方面，夜气辉辐射在中高纬地区最小，中低纬地区达到最大，在赤道附近稍微减小。在高度方面，夜气辉在52～172 km高度范围在不同纬度处呈现的辐射规律一致且明显：在80～110 km处辐射达到最大，然后随着高度的增大而迅速减小。夜气辉在160～269 km高度范围内没有明显的辐射强度分布规律：在中低纬度地区时约230 km处最大，在低纬和中高纬地区时200 km以下较大。夜气辉在259～356 km及347～433 km高度范围在不同纬度处呈现的辐射规律一致：随着高度的增加辐射强度逐渐减弱。整体来说，夜气辉在约90 km处辐射最大，平均为105R量级，然后随着高度增加迅速减小，在约350 km处，平均辐射强度为103R量级。为了更加直观，绘制南半球中低纬度夜气辉辐射强度随高度的变化曲线(见图7)，可以明显看出夜气辉辐射强度整体上随高度的变化规律。

计算夜气辉及黄道光背景亮度发现，背景在约90 km处的亮度可达单位积分时间每平方角秒近15星等，在约250 km处可达近19星等，在300 km及以上大于20星等。对于本文的探测器，在约90 km处单位积分时间内一个像元的亮度近10星等，在约250 km处近14星等，在300 km及以上为15～17星等。为了更加直观，绘制南半球中低纬度夜气辉及黄道光背景亮度随高度的变曲线(见图8)，可以明显看出单位积分时间每平方角秒内夜气辉及黄道光背景亮度随高度的变化规律。

需要说明的是，由于试验条件限制，获取观测数据的地理经度不同，且气辉的辐射强度随纬度和经度是变化的，所以图7和图8的四段曲线并不能完全连续。

表3 夜气辉辐射强度及背景亮度处理结果Table 3 The processing results of airglow radiative intensity and background brightness

2.2 夜气辉对恒星和碎片提取的影响

由上述分析可知，夜气辉对恒星和碎片的影响主要体现在暗的恒星和碎片可能被淹没在气辉中无法识别。本文选取气辉强度最大的52～172 km高度的试验图像，在去除气辉及黄道光背景后进行恒星提取，并使用完备度接近100%的USNO B1.0星表为对照标准，进而统计恒星的提取概率受气辉的影响结果。

首先利用观测图像气辉的相对不变性和恒星的运动特性，将多幅图像叠加再做平均处理，得到气辉及黄道光背景(见图9)，然后将观测图像与上述背景相减，得到去除气辉和黄道光背景的图像。进而以信噪比3为阈值，采用天文快速处理软件SExtractor[22]完成星点的提取，提取效果如图10所示。

统计13等恒星(亮于探测极限)的平均提取概率为40.5%(在此试验弧段中，探测相机视场中13等星理论的平均数量为476，实际提取出的13等星的平均数量为193)。可见，气辉对恒星提取有严重影响。

在本文的观测中，碎片与恒星的光学特征类似，均在帧序列图像中有相对运动并产生“拖尾”，故本文未对碎片作特别分析。

3 结 论

本文基于天基空间碎片探测技术科学试验卫星的探测相机，设计并完成了52 km～500 km的不同地理纬度的夜气辉观测试验，通过对数据的处理与分析，得出如下结论：

1)夜气辉辐射随纬度和高度呈现一定的分布规律。中高纬地区最小，中低纬地区达到最大，在赤道附近稍微减小；在约90 km处，气辉辐射最大，平均为105R量级，随着高度增加迅速减小，在约350 km处，平均辐射强度为103R量级。观测结果与模型模拟辐射强度及普遍趋势规律一致。

2)夜气辉背景对恒星和碎片的提取有严重影响。基于光学探测器的试验结果表明，夜气辉背景(含黄道光)在约90 km处的亮度可达到单位积分时间每平方角秒近15星等，在约250 km处最大为近19星等，在约300 km及以上大于20星等，观测时亮度小于对应值的恒星和碎片将被淹没在气辉背景中。对试验中气辉辐射最强的帧序列图像进行恒星提取，13等星的提取概率只有40.5%。

3)在天基光学暗弱碎片探测时，为了提高恒星和碎片的检测、提取成功率与定位精度，避免受到夜气辉的影响，在设计观测试验时应尽量使相机下边沿的临边切点高度大于300 km。

本文在构建气辉及黄道光背景数据时，根据背景及恒星的不同运动特性，采用了多幅图像叠加求平均的方法，由于气辉随纬度分布有一定的变化，此种方法得到的背景数据对于每幅图像来说均有一定误差，若后期进行碎片定位及定轨计算，需采用精度更高的去除背景的方法。另外，由于试验条件限制，本文只获取了有限经纬度下的观测数据，得到了初步的分析结论，后续仍需补充试验数据，增强结论的完整性和全面性。