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光度数据反演临近空间低速点目标特征信息与运动信息

荆楠  
【摘要】:临近空间是指距离地面20-100km的区域,位于目前飞机所能飞行的最高高度及卫星绕轨运行的最低高度之间。常见的临近空间飞行器有高超声速飞行器、平流层飞艇、高空气球等。国内外已将临近空间飞行器应用于多个领域,包括商业通信、天文观测、气象探测等。因此,迫切需要发展临近空间飞行器地基探测技术,监控临近空间飞行器的运动轨迹,保障国家安全。对于远距离的临近空间低速目标,由于成像距离远,自身辐射温度与周围环境温度差异较小,以致目标辐射能量较小。目标辐射能量在传输过程中,受到大气散射以及光学系统的衍射现象等因素影响,使得目标在像面上成点源光斑像,难以获取目标的形状特征信息和运动信息,因此难以实现临近空间低速目标的实时监视。本文针对此现象开展了一系列研究,主要工作如下:1、基于应用光学中基本辐射理论,研究了临近空间高空气球的光散射特性。利用计算几何学的坐标转换以及网格划分建模思想,对高空气球球面进行网格面元划分。根据高空气球等透明类目标几何结构和目标光学特性,推导出透明类目标双向散射分布函数(BSDF)镜反射/折射、近镜反射/折射、漫反射/折射、理想漫反射/折射相结合的计算模型,最终得出高空气球散射背景辐射在地面产生辐射亮度的计算模型。利用MODTRAN软件在0.36-1μm,3-5μm和8-14μm仿真计算了临近空间高空气球的背景辐射亮度,在0.36-2.4μm波段仿真计算了高空气球亮度。2、利用光电探测基本理论,研究了临近空间低速目标地基探测系统的探测能力和光度数据获取方法。基于探测系统背景辐射特性以及高空气球辐射特性,建立了探测系统辐射接收模型。考虑大气传输、光学系统成像、探测器以及探测器采样对辐射的影响,精确计算了高空气球辐射及背景辐射在探测器焦平面阵列上产生的信号电子数,推导出用于高空气球探测的信噪比。利用Modtran软件仿真计算了自身辐射、镜背景辐射、漫背景辐射亮度,分析了复杂大气条件下的高空气球辐射特性,并计算分析了高空气球镜反射率和漫反射率以及积分时间对探测系统信噪比的影响。为了验证可以从非分辨的光度数据和角度数据估计高空气球的非直接观测状态参数,例如位置和速度参数,搭建了地基光电探测系统,进行了两组观测实验。在观测实验中,地基光电探测系统捕获了目标光度图像。光度图像经过暗场校正和平场校正后,进行了孔径测光处理,处理结果为低速目标的光度数据。3、在利用光度数据反演临近空间低速点目标形状信息过程中,采用两种形状描述方法来参数化描述目标形状,利用三种正则化函数约束目标形状变化。由两种形状描述方法构建目标初始形状模型,在对目标三维形状模型的二维映射模型和光度数据进行傅里叶变换的基础上,结合光学系统点扩散函数来反演空间目标形状尺寸信息。结果表明:两种形状描述方法反演的目标形状主要特征相似,表明这种形状特征是从光度数据中提取到的。4、提出了一种针对临近空间典型低速目标的运动信息反演方法,目的是通过使用无迹卡尔曼滤波器从非分辨光度数据和角度数据中估计出非直接观测状态参数(位置和速度)。在反演计算中,高空气球动力学和运动学模型以及观测模型分别用作时间更新和测量更新功能。给出了两组实验中的高空气球位置和速度估计值和实际值对比图。同时给出了实际状态参数和估计状态参数之间的误差值。两组实验结果证实了:非分辨光度数据和角度数据可用于反演临近空间低速目标的非直接观测状态参数(位置和速度)。


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