系统仿真学报白天空间目标可见光探测仿真研究.docx

1、系统仿真学报白天空间目标可见光探测仿真研究2011_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23卷第1期Vol. 23 No. 1 2011年1月 Journal of System Simulation Jan., 2011 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 410073 ) 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STK/X 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

2、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:TP319.9 文献标识码:A 文章编号: 1004-731X (2011) 01- Simulation Research on Visible Light Detection of Space Objects in

3、Daytime LIU Lei, LUO Cheng, HUA Wei-hong (College of Photoelectrical Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: Based on the STK/X technology and the Integration of an atmospheric calculation program (MONTRAN), a simulation platform for visi

4、ble light detection of space objects in daytime was proposed to research the related technology by simulation in visible light detection of space objects. The establishment and realization of the object brightness model, obit model, atmosphere model and the Ground-based detection system model were c

5、ompleted. A detection simulation example of a space object passing by Changsha area, China estimated the ground-based detection systems ability which must be attained of suppressing stray light at an angle. Simulation results which are basically consistent with the actual situation show the effectiv

6、eness of simulation system. As the establishment of the simulation platform, more help of research on the visible light detection of space objects in deep is provided, and the related indicators for the design of detection system provide a theoretical basis. Key words: space object; detection; magni

7、tude; STK; simulation 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1 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1，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

8、间目标可见光探测技术有着十分重要的意义。 Sun Target 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Detector STK8.1版本的三维图形环境，通过该公司提供的STK/X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1 白天空间目标探测过程图 构，把MONTRAN在大气计算方面的

9、优势有效的整合到仿1.1 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1中各相互作用对象功能分析的基础上，本收稿日期:2008-12-19 修回日期:2009-06-02 作者简介:刘磊(1981-), 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(1973-), 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(1968-), 女, 浙江宁波, 教授, 研究方向为作战模拟与仿真。 第23卷第1期 Vol. 23 No. 1 2011

10、年1月 系 统 仿 真 学 报 Jan., 2011 数据管理、仿真计算、仿真驱动，数据库五个部分(如图2)。 2.1.1 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Database Target manager 统上产生亮度信息。 Dynamic display Data manager 空间目标形状非常复杂，要精确模拟其亮度大小很困Simulation results 难。通常将其抽象描述为平面、球面、柱面和锥面等组合，Module of simulation 1: 目标地面照度近似表示为Atmospheric model， Detector model (1) S

11、pace objects model EE,obji,Solar radiation model i式中为平面、球面等。 iSimulation driven thread E取太阳为参考星，其在大气层外可见光范围内照度为, 0 E,atmosobj为大气透过率，于是在地面照度为的目标亮度为: 图2 仿真系统结构图 Eobj (2) ,26.742.5lg()Mobj1.2 系统各模块功能 ,E0atmos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

12、分析。 据实时显示。 (1) 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: 21,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 (3) 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

13、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(2) 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

14、数据，以E1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: 1.3 系统软硬件环境 (4) EEE,，satsaop在开发此仿真系统时所用的操作系统是Windows XP,开2.1.2 可见光探测系统模型 发环境是Visual C+ 6.0 ,采用STK8.1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MODTRAN3.7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Oracle 8i数据库实现仿真数据的存储。 分析是开展探测器建模

15、的关键。探测能力大小(即极限探测系统运行硬件环境， CPU: Intel PIII 800或更高;内存:星等)主要以探测器的信噪比来衡量。 大于1G;硬盘空间:20G以上;显示卡:标准VGA 256色显一般信噪比被定义为: 示模式以上。 Ndetector (5) SNR,Nnoise2 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detectornoise2.1 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2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

16、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23卷第1期 Vol. 23 No. 1 2011年1月 刘磊, 等:白天空间目标可见光探测仿真研究 Jan., 2011 3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4: 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

17、器暗电流噪声。它由载流子的热运动而产生,21.0252.5lg( mmin,tAaatmos0的，是一种白噪声，其噪声均值表示为:，为N,Nddd22，4()SNRSNRSNRNNdb (13) minminmin暗电流电子数。探测背景噪声均值表示为:，为N,Nbbb)2背景辐射产生电子数。目标辐射光子噪声均值表示为:2.2 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,Neee4-52.2.1 STK/X技术 数为: 222目前对于结合STK开发的大型仿真应用系统，用户希 (6) 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

18、(1) 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STK/Connect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STK6.0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STK/X，该工 (7) QtAE, ,object0具包使用了4DX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,At0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

19、。 方软件的同时打开STK软件。采用该工具包开发的应用系4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 (8) NtAEhcM, ,(/)/eobjecta0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STK8.1版本以后，为目标成像所占像元个数。 STK/X由Globe Control、Map Control、Graphics Analysis (2) 背景辐射计算 Control和Application四个部分，组成了STK/X对象模型。 对空间目标探测时，探测器可

20、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1)主要有:太阳直接辐射，空间目标辐射，大气的散射户端，STK/X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200-300K内，过IDispatch接口完成与自动化服务器间的通信。 在小于4um的波长范围内辐射量很小，这部分可以忽略。 仿真系统利用STK/X实现接口过程如图3: 对于大气散射产生电子数可近似表示为: tAhcS,(/)0atmosadetectorComponent initialization (9) ,NLscatB2f式中，是由大气散射引起的天空辐射亮度，是探测LS

21、Register document templateBdetector器像元面积大小。 Create 2D and 3D view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Create the event sink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Send link command统点源透过率: E(),d图3 STK接口实现过程图 (10) ,PST(),Ecos,sun在STK/X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，

22、E(),dCAgSTKXApplication m_STKApplication; 0/2,/2，当，当探测系统背光工作，。 E()0,dm_STKApplication.ExecuteCommand(New/Scenario+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 (11) NtSPSTEhc, ()cos(/),sundetectorsuna2.2.2 大气传输计算程序合成技术 NNN,，可得背景辐射电子数为: bscatsun(3) 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6SNR假设探测系统最小可探

23、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min22中的辐射传输原理建立起来的，应用比较广泛的就有6S、SNRSNRSNRNN，4()dbminminmin (12) N,e2MODTRAN、LOWTRAN和ATOCOR模型。在本系统中，第23卷第1期 Vol. 23 No. 1 2011年1月 系 统 仿 真 学 报 Jan., 2011 合成了MODTRAN3.7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4)。 Calculation process Input and output by MONTRAN filesC

24、allwritereadSimulation process 图4 大气传输计算程序调用图 2.3 仿真系统运行流程 图7 目标模型初始化界面图 仿真主线程的运行流程如图5: 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。 Parameter initialization设某空间目标呈圆柱体，底面直径D=2m，高度h=8m，Create 带一对太阳能电池板，尺寸为2m6m;旋转对称轴的定位thread方向在轨道半径方向上;轨道高度为440km470km，偏心Time step-59.410;轨道倾角97.2?;升交点赤经44.987?;近地点辐角noOrbit

25、calculation,82.18?;平均角速度15.399;平近点角82.18?;目标圆柱体Target spotted表面漫反射率0.1;太阳能电池板漫反射率为0.01。 yesAtmospheric 设探测站的地理经度112.968?，纬度28.198?，海拔高Show parameterstransmission calculation度H=100m;探测时刻t=2008.11.26.11:32:00-11:38:00;光学Limited magnitude Magnitude calculationcalculation设备探测条件为:目标受晒且处于地平线18?角之上。探测器口径0.

26、4m，焦距1.5m，光学系统透过率0.7，量子效率noMagnitude greater than limited magnitude0.28，积分时间100ms，暗电流噪声电子数100，探测信噪yes比为6，像元尺寸13um13um，像元数量10241024，目标Show orbital parameters成像所占像元数4。 Show target magnitude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。 Output results 大气选择中纬度冬季，乡村能见度23km，可见光范围图5 仿真系统运行流程图

27、内(0.38-0.76um) 由以上条件仿真条件，假设探测全过程探测器没有太阳3 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6、图7分别为系统运行初始化界面和目标模型初图8。 始化界面截图。 The target magnitude 10 Limited magnitude of the detector 9 8 7 6 Magnitude 5 4 3 11:33:18 11:34:38 11:35:58 11:37:18 Time(hh:mm:ss) 图8 极限探测星等与目标星等变化 图6 仿真系统界面图 第23卷第1期 Vol. 23 No. 1 2011

28、年1月 刘磊, 等:白天空间目标可见光探测仿真研究 Jan., 2011 由图8，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402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(10)(11)，当目标度，在地面的辐照度为369.48W/m成的影响。 视轴与探测器-太阳轴夹角为50度时，探测系统点源透过率-7在11:34:22时刻后目标视轴与探测器-太阳连线的夹角要小于10

29、。 小于90度(如图9),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1),得到仿真数据如图10。 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0.1量级，在典型的太阳角情The target elevation 130 Inclination between sight axis of target 况下其星等变化在4-9之间，较大目标(如空间站)星等大and detector to sun axis 110 小能到2以上，这一分析结果与实际情况基本一致(文献10中给出了部分天体的亮度数据在4-9之间

30、)。 90 4 结论 70 Angle/deg 本文结合有关数值模型，基于STK/X等相关技术提出50 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，30 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10 算平台STK与大气传输计算平台MODTRAN。同时系统结11:33:18 11:34:38 11:35:58 11:37:18 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9 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Limited magnitude of th

31、e detector The target magnitude 10 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。 9 参考文献: 8 1 李斌成. 空间目标光学特性分析J. 光学工程, 1989, 4(2): 21-26. 7 2 万敏, 苏毅, 杨锐, 等. 提高白天观测星体信噪比的方法研究J.6 强激光与粒子束, 2003, 15(12): 1151-1154. Magnitude 3 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5 密机械研究所, 2007. 4 4 彭华峰, 陈鲸, 张彬. 天基光电望远镜极限星

32、等探测能力研究J.光电工程, 2007, 8(8): 19-23. 3 5 袁家虎, 高晓东. CCD光电系统噪声受限的探测能力分析J. 数11:33:18 11:34:38 11:35:58 11:37:18 据采集与处理, 1998, 13(10): 79-82. Time(hh:mm:ss) 6 吴北婴, 李卫, 陈洪滨, 等. 大气辐射传输实用算法M. 北京: 图10 极限探测星等与目标星等变化 气象出版社, 1998. 7 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10可以看出当考虑太阳直射影响时，探测器极限航出版社, 1995. 探测星等远远小于目标星等