面向空间探测与识别的目标光学特性分析

朱 琳，吴 双，佟 岐，钱 帅

（中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

空间光学监视系统是空间目标探测的重要手段，国际上通常采用被动光学或主动雷达等体制实现目标侦察、识别、定位等功能。光学探测不主动发射电磁波，具有隐蔽性好、资源占用少、分辨率高等优势，受到各军事强国的重视。

光学探测波段涉及紫外、可见光及红外波段。其中，紫外波段特性主要来自航天器主动段助推尾焰、高温等离子体辐射等，空间目标在轨稳定运行辐射场景少，紫外波段辐射特性弱；可见光波段特性主要来自太阳光照反射，空间目标在轨运行长期受到光照影响，可见光波段特性强；红外波段特性主要来自自发辐射与助推尾焰，空间目标在轨稳定运行存在稳定自发红外辐射与间歇的姿轨控助推，红外波段特性强。因此，空间目标探测主要选用可见光与红外波段。本文从可见光目标特征、红外目标特征2 个方面开展分析研究，为空间目标探测与识别系统提供了设计依据。

1 空间目标的可见光特性分析

可见光探测空间目标受太阳光照条件的约束，在目标光照区，目标的可见光辐射主要来自目标对太阳光的反射，可见光反射强度同观测视线和太阳光线的夹角密切相关。由于太阳、目标卫星和观测卫星三者之间存在实时相对运动，目标表面大小、目标反射率等也影响反射强度。这些因素对目标特性分析具有严重影响。图1 为地球大气层外太阳光谱照度曲线图。

图1 地球大气层外太阳光谱照度

通常情况下，在研究太阳光的光谱特性时，可将其看作是一个绝对温度为5 900 K 的黑体，则根据普朗克方程，在一定光谱范围[，]内，太阳光出射度为：

式中，为空间目标与传感器之间的距离；()为目标表面反射率；为卫星的面元数；A为卫星面元的有效反射面积；A为卫星任一面元；为传感器与目标连线与目标表面法线方向的夹角，即相机观测角；为太阳与目标连线与目标表面法线方向的夹角；按照有效反射面积的物理意义，探测器要接收到面元反射到传感器处的太阳光，和的取值在0～π 2 之间，其它情况下，A取值为0。图2 为空间目标某一面元与太阳、探测器之间的位置关系示意图。

图2 目标某一面元与太阳、探测器之间的位置关系示意图

根据目视星等计算公式，可将辐照度转换为目标等效星等，如：

式中，为-26.7。

假设空间目标为长宽高各为1 m×1 m×1 m 的立方体，在卫星的6 个面中，通常只有部分反射面满足有效反射面积的物理意义。图3 为空间目标与相机、太阳相对位置关系示意图。

图3 空间目标与相机、太阳相对位置关系图

根据STK 仿真模拟，取2021 年5 月份某一天，不同时刻下，相机与目标连线与目标各个表面法线方向的夹角，如表1 所示；太阳与目标连线与目标各个表面法线方向的夹角，如表2 所示；相机与目标之间的距离，如表3 所示。

表1 不同时刻下，相机与目标连线与目标各个表面法线方向的夹角θ1i

表2 不同时刻下，太阳与目标连线与目标各个表面法线方向的夹角θ2i

表3 不同时刻下，探测器与目标的距离R

空间目标各个表面材料反射率取0.25，不同时刻下，根据以上STK 仿真数据，得出目标的等效面积、传感器处的辐照度、目标等效星等，如表4 所示。

表4 不同时刻下，目标的等效面积、传感器处的辐照度、目标等效星等

根据可见光目标特性分析，设计了一套可见光光学系统，该系统可探测的极限星等为六等星。其中，可见光镜头的焦距为18 mm。选用CMOS探测器，像元数为1 480×1 080，像元间距为3.45 μm。实验选于2021 年8月份某一天开展，图4为该光学系统的观星效果图。

图4 观星图

图4 中所探测的星等，根据星图定位，可知，参宿二：1.69 星等、参宿一：1.74 星等、参宿三：2.25 星等、31猎户座：4.71 星等、51 猎户座：4.90 星等、HR1952：4.95星 等、HR1861：5.34 星 等、HR1868：5.36 星 等、HIP25976：6.0 星等。

2 空间目标的红外特性分析

可见光波段的探测过程只能在阳照区进行，红外探测技术能够实现对处于阴影区的空间目标的探测。目标的红外辐射信号与自身的热特性有关，因此需要对空间目标的红外特性进行详细分析。图5 为不同温度下黑体光辐射出射度与波长的关系图。

图5 不同温度下黑体光谱辐射出射度与波长的关系

将空间目标近似看做一个黑体，则根据普朗克方程，在某一温度下，在一定光谱范围［，］内，黑体光谱辐射出射度为：

假设所研究的目标本体为长宽高各为1 m 的立方体，两侧太阳能电池板的长宽高各为5 m、1 m、25 mm，卫星以三轴稳定的姿态运行，卫星星体模型如图6 所示。一般情况下，卫星本体发射率为0.1，太阳帆的发射率为0.87。当空间表面温度分别在高温、中温、低温时3～5 μm 中红外波段及8～12 μm 红外辐射强度如表5 所示。

表5 卫星表面红外辐射强度（1 m×1 m 卫星）

图6 典型六面体卫星星体示意图

由红外辐射强度计算可知，在相同温度下，长波的辐照度要比中波的大。因此在空间目标探测时最好选用长波红外，如果想要提高探测距离，需要调整红外相机有效口径、提高信噪比等。同时为了满足目标的近距离识别，需要提高系统的分辨率。

根据红外目标特性分析，构建空间目标探测场景，结合某在轨空间监视相机参数，进行仿真验证，如图7 所示。

图7 长波探测装置对50 km 外240～300 K（铝材质）探测仿真结果

3 空间目标特性总结

根据上文对空间目标可见光、红外波段特性的分析，结合卫星平台等典型空间目标的物理特征，得到仿真计算结果如表6 所示。

由表6 中数据可以看出，空间目标的可见光反射强度及红外辐射特性较强，且在轨稳定运行阶段长波红外的辐射强度远大于中波红外。

表6 空间小型目标特性分析

可见光探测体制具有成像分辨率更高、探测距离更远、单视场更大的优势，但在轨工作时，存在地影区影响，无法对目标进行有效探测；红外探测体制满足阳照区、阴影区的探测需求，可全天时工作，但设备相对复杂、分辨率较低。因此可针对不同的使用场景，选择不同探测体制。

4 结束语

面向空间探测与识别的目标光学特性分析是空间目标侦察探测系统设计的关键环节，关系到整机系统功能性能等指标。本文针对空间目标探测需求，设置典型目标参数，详细分析了其可见光、红外等多个波段的目标特征，并完成了可见光及长波红外系统成像仿真分析，为光学系统效能评估、目标跟踪与识别算法等提供数据支撑。■