CN103411896B - 低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法 - Google Patents

Abstract

低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法,包括如下步骤：步骤1，获取图像光谱；步骤2，对步骤1获得的图像光谱进行一维光谱抽取；步骤3，对空间碎片一维光谱进行波长标定；步骤4，对空间碎片一维光谱进行流量标定，得到空间碎片超低色散特征。

Description

低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法

技术领域

本发明涉及低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法。

背景技术：

空间碎片，是人类航天活动的产物。自1957年10月前苏联发射首颗人造地球卫星以来，人类几十年的空间探索活动产生了大量的空间碎片；正式编目的可跟踪目标超过28000个，目前仍在轨的数量超过9600个，其中工作卫星占6%左右。空间碎片已严重威胁人类航天活动的安全，成为空间环境的主要污染源，并在一定程度上对航天活动的正常开展产生了影响。

中国是航天大国，今后的空间活动将愈来愈多，目前我国在轨运行的应用卫星已有数十颗，承担了气象观测、通信、侦察和科学研究等任务，在未来五到十年内，应用卫星的数量可能增加到上百颗。这些应用卫星与国民经济关系密切，一旦受损，社会影响、经济影响巨大，甚至危及国家安全；而这些卫星运行区域大都分布在低轨道，处于空间碎片密集区域，受碰撞损伤的威胁很高。同时，持续开展载人航天活动、建立永久的有人值守轨道空间站，将会是中国航天事业发展的必然趋势。所以可以预期，对载人航天实施空间监测、预警也会成为中国航天不可回避的事实。在这样的背景下，对空间碎片的观测技术进行研究，具有重要的现实意义和研究价值。

传统空间碎片测量以位置信息测量为主，包括碎片的三维位置坐标、速度、加速度等参数,可衍生出各类地球轨道参数。为了提高碎片的监测预警能力,对测量系统除了要求获得其位置信息之外,更需要获得碎片的特征信息，包括从光电传感器测得的电参数及其统计量,雷达测得的散射截面(RCS)、极化散射矩阵、散射中心分布、一维、二维、三维雷达成像等,光传感器(望远镜、光谱仪)测得的辐射强度、谱密度分布等,可衍生出碎片的形状、体积、表面材料参数等特征信息。因此测量系统不但是一部望远镜,还应是一部显微镜,即作为一个测量系统，应该位置信息测量与特征信息测量并举。

发明内容：

本发明要克服现有传统空间碎片测量方法不能反映碎片的特征信息的不足，提供一种低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法。

本发明所述的低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法,包括如下步骤：

步骤1，获取图像光谱；

1．1观测前利用亮恒星进行望远镜系统的指向校正；

选取亮恒星用作指向校正，当该亮星处于望远镜系统视场中心时，说明望远镜系统已做好指向校正；

1.2设置CCD控制软件的参数；

所述参数包括曝光时间、数据读出速度等；

1.3拍摄暗场和平场图像备用；

该步骤用于确定CCD的误差，ADU值应在线性光电计数范围内，在后续数据处理过程中，要用CCD相应区域的BIAS、平场来改正和剔除宇宙线；

1.4拍摄光谱流量标准星及波长定标星的图像光谱；

拍摄的光谱流量标准星及波长定标星的图像光谱均为图像光谱；

1.5将待观测空间碎片的星历表输入望远镜控制软件，控制望远镜指向观测空间碎片，在同一时间范围内，同一位置附近，拍摄大气层内的空间碎片和太阳光谱类型（G2V型）标准星的图像光谱；

空间碎片及G型光谱标准星的图像光谱同步拍摄；

步骤2，对步骤1获得的图像光谱进行一维光谱抽取；

光谱流量标准星、波长定标星、空间碎片及G2V型光谱标准星的图像光谱均进行一维光谱抽取；

光谱的抽取仅对点源光谱操作，光谱的抽取过程包括：源的搜索、光谱的追踪、测量孔径的选取、天光背景的扣除和光谱的抽取；

步骤3，对空间碎片一维光谱进行波长标定；

利用波长定标星一维抽取光谱中的发射线或吸收线对空间碎片一维抽取光谱进行波长标定，拟合波长的二次分布函数，计算像元位置与波长大小的对应关系；

步骤4，对空间碎片一维光谱进行流量标定，得到空间碎片超低色散特征；

利用太阳光谱类型标准星一维抽取光谱对空间碎片一维抽取光谱进行流量标定；

由于空间碎片大气层内的光谱流量f_目标内(λ，t)是空间碎片大气层外流量与大气消光因子、光学系统透过率因子乘积的结果，测量结果受大气吸收、大气视宁度、光学系统等影响，需扣除上述因素的影响；

f_目标内(λ,t)=f_太阳(λ)·σ(λ,t)·τ_A(λ,t)·τ_T(λ)·τ_G(λ)·τ_CCD(λ)        （4）

其中：

f_太阳为光源(太阳)大气层外光谱单色辐照度；

σ(λ,t)为空间碎片的超低色散特征特性，σ(λ,t)=A(λ,t)×β，A(λ,t)为照射截面积，β为材料反射率；

τ_A(λ,t)为大气消光因子；

τ_T(λ)为望远镜系统的透射系数；

τ_G(λ)为棱栅的透射系数；

τ_CCD(λ)为CCD的量子效率；

由于G2V型光谱标准星的大气层内的光谱流量f_标准星内(λ，t)是G2V型光谱标准星大气层外流量与大气消光因子、光学系统透过率因子乘积的结果；由于大气消光是非线性的，为保证测量精度，应在同一时间范围内，空间碎片测量位置的位置附近选取G2V型光谱标准星，仰角30度以上；

f_标准星内(λ,t)=f_标准星(λ)·τ_A(λ,t)·τ_T(λ)·τ_G(λ)·τ_CCD(λ)        （5）

其中，f_标准星为G型光谱标准星大气层外光谱单色辐照度；

因此，可在空间碎片及其附近的G2V型光谱标准星一维光谱基础上，完成流量定标，

γ为归一化系数，

本发明的优点是：利用太阳光谱类型标准星对空间碎片的大气层内光谱观测数据进行流量定标处理，扣除大气消光、光学系统透过率、太阳光谱特性的影响，得到空间碎片的超低色散光谱特征特性曲线，可准确反映空间碎片的材料组成。

附图说明

图1（a）和（b）分别是空间碎片反射光谱特性和太阳的辐射光谱特性

图2是获取的图像光谱

图3是光谱抽取原理图

图4是强发射线星的图像光谱

图5是强发射线星的大气层外的一维光谱

图6是强发射星的大气层内的一维光谱

图7是空间碎片及光谱标准星的一维光谱

图8是空间碎片流量定标后的光谱特征

图9是空间碎片材料光谱反射特性

具体实施方式

参照附图：

人造天体碎片一般依靠反射太阳光产生亮度而本身并不发光,主要的光谱特性和太阳光的光谱特性一致（如图1所示）。假定空间碎片表面的漫反射服从朗伯定律，只考虑表面漫反射分量为卫星和火箭主要材料的吸收率、辐射率及反射率。其视星等满足关系式：

m＝-2.5logf+c

(c＝2.5logE₀)

式中f为碎片的流量值，m为碎片的视星等值，A为光照截面面积，γ(λ)为卫星表面材料的反射率，为相位函数，为太阳-碎片-测量点的相位角，R为斜距，E₀(λ)太阳（零等星）在测量波段的辐照流量，E(λ)太阳辐射常数,它是地球大气外,在单位时间内投影到距太阳平均日地距离处(即一个天文单位),并且垂直于太阳射线方向的单位面积上的太阳辐射能。

在光谱测量中，由于碎片本身不发光，获得光谱是碎片分光反射特性和太阳光谱、地球大气吸收谱的卷积。经有效改正后，碎片光谱特性中不存在发射线和吸收线，其连续谱特征分辨率一般大于10nm。由于碎片表面材料由多种成份组成，它们的反射谱各不相同，且在可见光波段，存在多个特征波段的连续谱特征（如图2所示）。当光照条件（相位角）随时间变化时，碎片不同部件反射太阳光谱，其光谱特性也相应产生变化。如能测出其特定组成材料，在某一时刻反射的强弱特征信息，将有利于采用数值仿真方法对其进行逆向分析，确定碎片的来源和分类。

低轨空间碎片距离地球近，过顶时间短，在测量低轨空间碎片时，用有缝光谱仪观测，存在将碎片导入狭缝中央（或小孔内）困难的技术问题，且由空间碎片的表面材料光谱反射特性可知，空间碎片的连续谱特征不需要通过高光谱分辨率进行识别。而目前较为有效的同时性多色测光方法，可获取空间碎片在已知波段的高精度测光结果，从而反演碎片主要部件的颜色特性，但无法有效分析碎片的材料组成，特别是在碎片组成材料特性未知时。如需获取低轨空间碎片高信噪比光谱信息，应采用大视场的超低色散装置较为合适。对引导数据要求低;视场大,多个对象可同时测量;获取信息丰富，测量对象,背景,恒星等信息可同时获取.

步骤1，获取图像光谱；

1）观测前利用亮恒星进行望远镜系统的指向校正；

选取亮恒星用作指向校正，当该亮星处于望远镜系统视场中心时，说明望远镜系统已做好指向校正；

2）设置CCD控制软件的参数；

所述参数包括曝光时间、数据读出速度等；

3）拍摄暗场和平场图像备用；

该步骤用于确定CCD的误差，ADU值应在线性光电计数范围内，在后续数据处理过程中，要用CCD相应区域的BIAS、平场来改正和剔除宇宙线；

4）拍摄光谱流量标准星及波长定标星的图像光谱；

拍摄的光谱流量标准星及波长定标星的图像光谱均为图像光谱；

5）将待观测空间碎片的星历表输入望远镜控制软件，控制望远镜指向观测空间碎片，在同一时间范围内，同一位置附近，拍摄大气层内的空间碎片和太阳光谱类型（G2V型）标准星的图像光谱；

空间碎片及G2V型光谱标准星的图像光谱同步拍摄；

由于光源为太阳，光谱标准星应为太阳光谱类型（G2V)；

拍摄的空间碎片及G2V型光谱标准星的图像光谱；图1所示为空间碎片的图像光谱，图中点圆为0级光谱，两侧为1级光谱；

图2所示为空间碎片图像光谱形成的物理模型，如图2所示，空间碎片的流量从大气层外进入光谱仪系统，最后在CCD上成像；

步骤2，对步骤1获得的图像光谱进行一维光谱抽取；

光谱流量标准星、波长定标星、空间碎片及G2V型光谱标准星的图像光谱均进行一维光谱抽取；

光谱的抽取仅对点源光谱操作，光谱的抽取过程包括：源的搜索、光谱的追踪、测量孔径的选取、天光背景的扣除和光谱的抽取；

参见图3，以空间碎片图像光谱的抽取为例，介绍本实施例中一维光谱抽取过程：在光谱中选定空间碎片零级谱位置，计算点源的重心坐标x0作为波长参考点，点源的半高全宽作为测量孔径值；确定色散轨迹，也就是通过每一列光谱轮廓的中心的曲线，根据光谱的色散轨迹和测量孔径，选定一级谱的所在区域，其一级谱所在区域的像元的波长大小取决于像元位置(i,j)，由色散方向上的波长分布函数计算确定，Δλ=f(X_i，j)，X_i，j为一级谱色散方向上的像元位置；在抽谱方向，轨迹的两侧，取一固定大小的孔径，累计孔径内所有CCD像元的流量值Fi,j，不同位置的像元可设置相应权重系数；以孔径外侧的像元作为天光背景分布区域，经扣除天光背景大小后，如果把CCD每一列的流量值顺序排列在一起，可得空间碎片的一维光谱；

假设所选取的孔径范围是[n₁，n₂],Fi为第i个像元位置的流量，则抽谱公式如下：

(2),其中ω_ij表示像元的权重；

本发明一维光谱抽取不限于上述抽取方法；

步骤3，对空间碎片一维光谱进行波长标定；

利用波长定标星一维抽取光谱中的发射线或吸收线对空间碎片一维抽取光谱进行波长标定，拟合波长的二次分布函数，计算像元位置与波长大小的对应关系；

图4所示为波长定标星的图像光谱，图中点源为波长定标星的零级谱，左侧为其一级谱，一级谱中的亮点为发射线Hα,波长656nm；图5所示为波长定标星定标后的绝对光谱,存在明显的两个发射线:Hα，波长656nm，Hβ,波长486nm；图6所示波长定标星的实测一维光谱,存在明显的发射线Hα,波长656nm，较弱的发射线Hβ,波长486nm，图中横轴为自零级谱中心起的像元数，纵轴为ADU值的绝对值；

从图6可知：λ(0)=0，λ(n1)=486，λ(n2)=656，算得波长的二次拟合曲线：

λ(x)=ax²+bx+c          (3)

其中x为像元位置值；

本发明对空间碎片一维光谱进行波长标定不限于上述标定方法；

步骤4，对空间碎片一维光谱进行流量标定，得到空间碎片超低色散特征；

利用G2V型光谱标准星一维抽取光谱对空间碎片一维抽取光谱进行流量标定；

由于空间碎片大气层内的光谱流量f_目标内(λ，t)是空间碎片大气层外流量与大气消光因子、光学系统透过率因子乘积的结果，测量结果受大气吸收、大气视宁度、光学系统等影响，需扣除上述因素的影响；

f_目标内(λ,t)=f_太阳(λ)·σ(λ,t)·τ_A(λ,t)·τ_T(λ)·τ_G(λ)·τ_CCD(λ)          （4）

其中：

f_太阳为光源(太阳)大气层外光谱单色辐照度；

σ(λ,t)为空间碎片的超低色散特征特性，σ(λ,t)=A(λ,t)×β，A(λ,t)为照射截面积，β为材料反射率；

τ_A(λ,t)为大气消光因子；

τ_T(λ)为望远镜系统的透射系数；

τ_G(λ)为棱栅的透射系数；

τ_CCD(λ)为CCD的量子效率；

由于G2V型光谱标准星的大气层内的光谱流量f_标准星内(λ，t)是G2V型光谱标准星大气层外流量与大气消光因子、光学系统透过率因子乘积的结果；由于大气消光是非线性的，为保证测量精度，应在同一时间范围内，空间碎片测量位置的位置附近选取G2V型光谱标准星，仰角30度以上；

f_标准星内(λ,t)=f_标准星(λ)·τ_A(λ,t)·τ_T(λ)·τ_G(λ)·τ_CCD(λ)        （5）

其中，f_标准星为G2V型光谱标准星大气层外光谱单色辐照度；

因此，可在空间碎片及其附近的G2V型光谱标准星一维光谱基础上，完成流量定标，图7所示为空间碎片及G2V型光谱标准星的一维光谱，图中横轴为波长值，纵轴为流量大小（ADU值），图中圆点标记曲线为空间碎片的一维光谱，线段形标记曲线为G2V型光谱标准星的光谱；通过空间碎片一维光谱除以G2V型光谱标准星一维光谱，扣除大气消光、光学系统透过率、太阳光谱特性的影响，得到空间碎片的超低色散光谱特征特性曲线，该结果是时刻t,空间碎片光照截面与空间碎片表面材料反射率卷积的结果，如图8所示，图中横轴为波长值，纵轴为在波长556nm处归一化后的流量值；采用数值仿真方法对空间碎片的超低色散光谱特征进行逆向分析，可进一步进行确定其材料分类和来源；

        (6)

γ为归一化系数，

λ为波长；t为时间。

Claims (1)

1.低轨空间碎片超低色散光谱特征获取方法,包括如下步骤：

步骤1，获取图像光谱；

1.1观测前利用亮恒星进行望远镜系统的指向校正；

选取亮恒星用作指向校正，当该亮恒星处于望远镜系统视场中心时，说明望远镜系统已做好指向校正；

1.2设置CCD控制软件的参数；

所述参数包括曝光时间、数据读出速度；

1.3拍摄暗场和平场图像备用；

该步骤用于确定CCD的误差，ADU值应在线性光电计数范围内，在后续数据处理过程中，要用CCD相应区域的BIAS、平场来改正和剔除宇宙线；

1.4拍摄光谱流量标准星及波长定标星的图像光谱；

拍摄的光谱流量标准星及波长定标星的图像光谱均为图像光谱；

1.5将待观测空间碎片的星历表输入望远镜控制软件，控制望远镜指向观测空间碎片，在同一时间范围内，同一位置附近，拍摄大气层内的空间碎片和太阳光谱类型G2V型标准星的图像光谱；

空间碎片及G2V型光谱标准星的图像光谱同步拍摄；

步骤2，对步骤1获得的图像光谱进行一维光谱抽取；

光谱流量标准星、波长定标星、空间碎片及G2V型光谱标准星的图像光谱均进行一维光谱抽取；

光谱的抽取仅对点源光谱操作，光谱的抽取过程包括：源的搜索、光谱的追踪、测量孔径的选取、天光背景的扣除和光谱的抽取；

步骤3，对空间碎片一维光谱进行波长标定；

利用波长定标星一维抽取光谱中的发射线或吸收线对空间碎片一维抽取光谱进行波长标定，拟合波长的二次分布函数，计算像元位置与波长大小的对应关系；

步骤4，对空间碎片一维光谱进行流量标定，得到空间碎片超低色散特征；

利用G2V型光谱标准星一维抽取光谱对空间碎片一维抽取光谱进行流量标定；

由于空间碎片大气层内的光谱流量f_目标内(λ，t)是空间碎片大气层外流量与大气消光因子、光学系统透过率因子乘积的结果，测量结果受大气吸收、大气视宁度、光学系统影响，需扣除上述因素的影响；

f_目标内(λ,t)＝f_太阳(λ)·σ(λ,t)·τ_A(λ,t)·τ_T(λ)·τ_G(λ)·τ_CCD(λ)   (4)

其中：

f_太阳为太阳光源大气层外光谱单色辐照度；

σ(λ,t)为空间碎片的超低色散特征特性，σ(λ,t)＝A(λ,t)×β，A(λ,t)为照射截面积，β为材料反射率；

τ_A(λ,t)为大气消光因子；

τ_T(λ)为望远镜系统的透射系数；

τ_G(λ)为棱栅的透射系数；

τ_CCD(λ)为CCD的量子效率；

由于_G2V型光谱标准星的大气层内的光谱流量f_标准星内(λ，t)是_G2V型光谱标准星大气层外流量与大气消光因子、光学系统透过率因子乘积的结果；由于大气消光是非线性的，为保证测量精度，应在同一时间范围内，空间碎片测量位置的位置附近选取G2V型光谱标准星，仰角30度以上；

f_标准星(_内λ,t)＝f_标准星(λ)·τ_A(λ,t)·τ_T(λ)·τ_G(λ)·τ_CCD(λ)   (5)

其中，f_标准星为G型光谱标准星大气层外光谱单色辐照度；

因此，可在空间碎片及其附近的G2V型光谱标准星一维光谱基础上，完成流量定标，

γ为归一化系数，

λ为波长；t为时间。