隨著空間態(tài)勢(shì)感知在國(guó)家安全等領(lǐng)域的作用越來(lái)越重要,現(xiàn)有的地基空間目標(biāo)可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)、地基空間目標(biāo)紅外探測(cè)系統(tǒng)和天基空間目標(biāo)可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)逐漸發(fā)展成熟,發(fā)展新的空間態(tài)勢(shì)感知手段以彌補(bǔ)這些感知手段的不足很有必要。本文研究了空間態(tài)勢(shì)感知發(fā)展完善過(guò)程中必不可少的一種手段——天基空間目標(biāo)紅外輻射特性及其獲取。由于復(fù)雜的軌道熱輻射的影響,空間目標(biāo)在軌運(yùn)行過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷幾十度甚至上百度的溫度交變。多層隔熱材料是目前最常用的空間目標(biāo)包覆材料,它可以大幅減小軌道熱輻射對(duì)空間目標(biāo)內(nèi)部載荷的影響。與此同時(shí),空間目標(biāo)內(nèi)部產(chǎn)生的多余熱量也不能有效地通過(guò)空間目標(biāo)表面排放到太空中。往往需要使用熱控系統(tǒng)將這些多余熱量轉(zhuǎn)移到位于空間目標(biāo)外表面的輻射散熱器,由其以熱輻射的形式向空間輻射。如輻射散熱器等這種空間目標(biāo)外表面的區(qū)域可以被看做紅外特征源。這些紅外特征源與空間目標(biāo)內(nèi)部載荷的工作狀態(tài)有關(guān),通過(guò)對(duì)其進(jìn)行觀察可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)工作狀態(tài)的推斷。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)建立了基于輻射散熱的空間目標(biāo)紅外輻射模型。針對(duì)空間目標(biāo)的輻射散熱器等紅外特征源,將空間目標(biāo)外表面分為一般區(qū)域和散熱區(qū)域,并分別建立能量方程,研究其輻射特性。根據(jù)空間目標(biāo)的輻射特性研究了空間目標(biāo)輻射測(cè)量系統(tǒng)工作波段的選擇,得出結(jié)論,長(zhǎng)波波段的輻射強(qiáng)度更強(qiáng),適合進(jìn)行測(cè)量工作。(2)提出了基于閾值統(tǒng)計(jì)的空間圖像降噪方法和基于配準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)的非均勻性校正方法。針對(duì)天基空間目標(biāo)圖像的背景為深空的特點(diǎn),通過(guò)選擇閾值將目標(biāo)提取出來(lái),對(duì)剩余區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用區(qū)間估計(jì)的方法,得到圖像加性噪聲在一定置信度下的置信區(qū)間,進(jìn)而計(jì)算出信號(hào)在該置信度下的置信區(qū)間,達(dá)到降噪的目的。仿真結(jié)果顯示,該方法使圖像的局部SNR提高了約27.93,降噪效果明顯優(yōu)于均值濾波、中值濾波和小波閾值去噪算法。利用標(biāo)定后紅外成像系統(tǒng)增益漂移的隨機(jī)性,對(duì)第2至n幅圖像與第1幅圖像配準(zhǔn)后做商,并對(duì)商值進(jìn)行統(tǒng)計(jì),利用區(qū)間估計(jì)得到第2至n幅圖像的統(tǒng)計(jì)增益與第1幅圖像目標(biāo)對(duì)應(yīng)區(qū)域增益之比的置信區(qū)間,由于第2至n幅圖像增益的統(tǒng)計(jì)均值已知,進(jìn)而可得到校正后的第1幅圖像。仿真結(jié)果顯示,該方法使圖像的局部SNR提高了約29.13,可以有效減小非均勻性的影響。(3)研究了工作波段、成像系統(tǒng)噪聲和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)誤差對(duì)天基空間面目標(biāo)溫度反演的影響。輻亮度測(cè)溫、比色測(cè)溫和光譜測(cè)溫是常用的三種測(cè)溫方法,通過(guò)在不同工作波段、不同成像系統(tǒng)噪聲和不同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)誤差下利用這三種方法反演空間目標(biāo)的輻射散熱器溫度,得出結(jié)論,中波波段的輻亮度測(cè)溫誤差小于長(zhǎng)波波段的輻亮度測(cè)溫誤差,長(zhǎng)波波段的比色測(cè)溫誤差小于中波波段的測(cè)溫誤差;相同成像系統(tǒng)噪聲水平下,輻亮度測(cè)溫的誤差最小,比色測(cè)溫的誤差次之,光譜測(cè)溫的誤差最大;相同點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)誤差下,中波波段的測(cè)溫誤差小于長(zhǎng)波波段的測(cè)溫誤差。(4)研究了環(huán)境輻射波動(dòng)、包覆材料退化和成像系統(tǒng)噪聲導(dǎo)致的最小可分辨空間目標(biāo)輻射散熱功率變化值,并提出了一種反演空間目標(biāo)輻射散熱功率變化率的方法。通過(guò)研究環(huán)境輻射波動(dòng)、包覆材料退化和成像系統(tǒng)噪聲等因素對(duì)空間目標(biāo)輻射散熱器溫度的影響,可以得到最小可分辨輻射散熱功率變化值。研究結(jié)果顯示,太陽(yáng)輻射波動(dòng)±1%導(dǎo)致的最小可分辨輻射散熱功率變化值最大為[-0.1622W,0.1496W],太陽(yáng)吸收比?0.01導(dǎo)致的最小可分辨輻射散熱功率變化值最大為[-0.1591W,0.1467W],增益噪聲為N(1,0.01)時(shí)置信度為99.37%的最小可分辨輻射散熱功率變化值置信區(qū)間為[-2.2219W,2.2276W],偏置噪聲為N(10~5,10~4)時(shí)置信度為99.37%的最小可分辨輻射散熱功率變化值置信區(qū)間為[-0.0490W,0.0613W]。當(dāng)輻射散熱器的散熱功率發(fā)生變化時(shí),能量方程中變化的量只有內(nèi)部散熱功率和溫度,通過(guò)在選取兩個(gè)時(shí)間間隔相同的四個(gè)時(shí)間點(diǎn),對(duì)能量方程兩兩做差并求解方程組,可以得到輻射散熱器的散熱功率變化率。仿真結(jié)果顯示,當(dāng)輻射散熱器的散熱功率以1W/s的速率變化時(shí),該方法計(jì)算得到的散熱功率變化速率為0.9754W/s,相對(duì)誤差約為2.46%。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TP391.41;TN215
【部分圖文】：

圖 1.1 SBIRS 系統(tǒng)示意圖[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch map是導(dǎo)彈監(jiān)視，其工作流程為：1.導(dǎo)彈外輻射特征進(jìn)行探測(cè)、跟蹤；2.星載終端，并且送到任務(wù)控制總站；3.任務(wù)析處理，并反饋給 SBIRS 星座；4.任、預(yù)報(bào)落點(diǎn)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)多顆衛(wèi)星間指揮部接收導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)并將用戶終端；6.隨后的大范圍數(shù)據(jù)回放更新。

圖 1.1 SBIRS 系統(tǒng)示意圖[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch mapIRS 主要任務(wù)是導(dǎo)彈監(jiān)視，其工作流程為：1.導(dǎo)彈發(fā)射后，SBI彈尾噴焰的紅外輻射特征進(jìn)行探測(cè)、跟蹤；2.星載系統(tǒng)處理并傳控制站的用戶終端，并且送到任務(wù)控制總站；3.任務(wù)控制總站接收提供的數(shù)據(jù)分析處理，并反饋給 SBIRS 星座；4.任務(wù)控制總站生發(fā)射點(diǎn)、方位、預(yù)報(bào)落點(diǎn)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)融合獲報(bào)；5.空軍空間指揮部接收導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)并將其分發(fā)給分布戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報(bào)用戶終端；6.隨后的大范圍數(shù)據(jù)回放允許更全面的并提供數(shù)據(jù)的更新。

圖 1.1 SBIRS 系統(tǒng)示意圖[20]Figure 1.1 SBIRS system sketch mapIRS 主要任務(wù)是導(dǎo)彈監(jiān)視，其工作流程為：1.導(dǎo)彈發(fā)射后，SBI彈尾噴焰的紅外輻射特征進(jìn)行探測(cè)、跟蹤；2.星載系統(tǒng)處理并傳控制站的用戶終端，并且送到任務(wù)控制總站；3.任務(wù)控制總站接收提供的數(shù)據(jù)分析處理，并反饋給 SBIRS 星座；4.任務(wù)控制總站生發(fā)射點(diǎn)、方位、預(yù)報(bào)落點(diǎn)等數(shù)據(jù)，并通過(guò)多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)融合獲報(bào)；5.空軍空間指揮部接收導(dǎo)彈發(fā)射預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)并將其分發(fā)給分布戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)情報(bào)用戶終端；6.隨后的大范圍數(shù)據(jù)回放允許更全面的并提供數(shù)據(jù)的更新。

【參考文獻(xiàn)】

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