空天目标全链路多光谱成像特征精确预测建模及仿真技术研究

【摘要】：空天目标具有高速机动、战略突防和远程精确打击等特点,针对这类目标构建广域、高效、精准探测、连续监视技术已成为空间态势感知体系面临的新挑战。基于空天目标大面积连续监视的光学探测要求,文中以实现空天目标全链路信息耦合的多光谱成像特征精确预测建模及仿真技术研究为目标,创新提出利用FY-2G红外遥感数据推演多种环境条件下的背景上行光谱辐射场分布,结合空天目标与云层的相对位置关系,建立了天基观测条件下空天目标在光学系统入瞳前的辐射特性推演模型,在综合考虑亚像元目标数字成像信号转化特性的基础上,最终突破了全链路模型驱动及信息链路要素耦合的天基在轨空天目标成像特征精准预测模型的构建。开展的具体工作如下:(1)分析了影响空天目标全链路在轨多谱成像特征的主要因素。从复杂环境下空天目标的全链路多光谱成像特性机理着手,首先从目标及背景光谱辐射特性、地球同步轨道红外成像系统工作原理和模式及性能参数耦合关系等方面分析了影响目标在轨成像特征的几大因素。其次,结合环境要素与空天目标的耦合作用机理,分析了空天目标光谱探测预选波段。最后综合考虑目标、背景、传输路径、天基平台及载荷耦合的多光谱辐射传输全链路成像关系,分析了空天目标成像特征仿真技术,为空天目标成像特征仿真及分析奠定了理论基础。(2)针对空天目标辐射特性建模准确度不高的问题,文中基于目标辐射特性实测数据,结合反推演手段实现空天目标上行光谱辐射特性的准确建模。通过对空天目标尾焰特性的分析,结合目标与云层的相对位置关系,开展了基于飞机、导弹尾焰本征红外光谱辐射特性的目标位于云底下、云中及云顶上的辐射传输推演研究,计算了在光学系统入瞳前不同高度及观测角度下的空天目标上行光谱辐射强度,为后续目标在轨精准成像特征模型的建立提供了可靠及准确的数据基础。(3)针对传统复杂背景辐射特性建模真实性不高的问题,文中创新提出了一种利用FY-2G遥感数据及实测数据的复杂海云背景上行辐射耦合特性综合建模方法。首先,为了建立更接近实际的海面红外辐射模型,根据光束传播投射成像关系,结合夜晚及白天海面辐射传输模型,分别提出了基于实测数据的海面发射率及双向反射率计算方法。其次,利用FY-2G遥感数据,反演了中国南海某海域海面温度及云顶温度分布,结合云分类数据及云相函数,重点讨论了不同类型云层背景辐射特性的建模。最后,结合海面、云层、太阳及大气环境辐射的耦合关系,提出了一种与天基探测器采样相匹配的海云耦合辐射传输模型,此模型可推导多种环境条件下的海云背景辐射场分布。(4)针对光学系统PSF与探测器采样间的耦合效应对目标在轨成像特征造成影响的问题,文中基于亚像元目标全链路红外成像原理,建立了空天目标空间成像和能量传输信号转换模型,结合复杂环境要素综合作用空天目标的光学辐射特征模型,形成了空天目标尾焰-海面/云层背景-环境光照-大气-光学系统-光学成像探测器等要素耦合的上行天基传感器入瞳前的全数字化链路光谱辐射特性模型,着重分析了点扩展函数对空间分辨率的最佳耦合条件,实现了光学系统PSF与探测器采样最佳匹配的不同谱段、背景、地域、季节、观测条件下空天目标在轨多光谱成像特征仿真。此研究工作为高轨预警卫星的探测效能分析及系统参数设计提供理论依据及数据支持。(5)针对复杂背景杂波下静态单帧图像中难以实现弱点目标的探测问题,开展了复杂地球背景下空天目标的动态成像特征预测仿真及应用研究。文中综合考虑目标运动特性、亚像元目标成像信号特性等,基于上行天基传感器全数字化链路光谱辐射特性模型,以OSG渲染引擎为平台,研发了OSG天基光学探测仿真平台,实现了空天动目标成像特征序列仿真。引入图像复杂度评估因子,定性评估了一定图像序列的复杂程度下的目标可探测性。此研究工作为天基平台下空天目标探测与跟踪的智能算法提供数据支持。