CN112764358B - 一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，属于太空目标探测技术领域；本发明提出一种根据探测天区、观测窗口估计目标到达望远镜光照度变化情况，进而动态调节望远镜曝光时间的方法，以实现对GEO目标稳定的探测能力。

Description

一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法

技术领域

本发明属于太空目标探测技术领域，涉及一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法。

背景技术

地球同步轨道(Geosynchronous Orbit，GEO)目标具有相对地球近似保持静止的特点，具有较高的战略价值。雷达探测探测GEO目标时，由于距离过远，探测能力受到极大制约。利用光学望远镜，尤其是大视场望远镜对高轨目标进行扫描探测是一种有效的探测手段。在对于GEO分布带进行光学扫描探测时，希望能够保持对全部可见天区GEO目标的同等探测能力，也就是无论在任何光照条件下都能够检测到相同尺寸的目标，以维持对全部目标的编目，提高探测效率。在实际探测过程中，由于卫星亮度与相位角密切相关，不同日期、不同时间、不同定点经度的目标，其亮度也在持续发生变化，望远镜采用恒定曝光时间无法保证对目标的稳定探测。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，根据探测天区、观测窗口估计目标到达望远镜光照度变化情况，进而动态调节望远镜曝光时间的方法，以实现对GEO目标稳定的探测能力。

本发明解决技术的方案是：

一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，包括如下步骤：

步骤一、建立GEO光学监视系统：望远镜设置在地面上，观测目标球体位于地球外空间中；

步骤二、建立观测目标球体OCS的计算方程，建立观测目标球体星等m的计算方程；

步骤三、设定相位角β₀为90°，且与望远镜距离R₀为36000km的郎伯球体为基准球体；根据历史经验数据确定基准球体的基准曝光时间为t₀；

步骤四、测量得到观测目标球体的相位角为β_t和与望远镜距离为R_t；

步骤五、计算基准球体的OCS₀和基准球体到达望远镜入瞳处的照度E₀；

步骤六、计算观测目标球体的OCS_t和观测目标球体到达望远镜入瞳处的照度E_t；计算基准球体照度E₀与观测目标球体照度E_t的比值η；

步骤七、计算观测目标球体到达望远镜的光子数n_p'，计算观测目标球体产生的光电子数n_p；计算观测目标球体背景到达望远镜的光子数n_b'，计算观测目标球体背景产生的光电子数n_b；计算暗电流引起的噪声n_d；获得望远镜图像的信噪比SNR的计算公式；

步骤八、望远镜对各天区的探测能力一致，即对各天区图像的信噪比相等；则在基准球体所在的基准天区，望远镜图像的信噪比为SNR₀，以信噪比SNR₀计算曝光时间t；

步骤九、计算不同情况下的曝光时间t；

步骤十、根据望远镜系统参数设定曝光时间最小阈值T_min和曝光时间最大阈值T_max，T_min≤T_max；根据曝光时间最小阈值T_min、曝光时间最大阈值T_max和步骤九中计算得到的曝光时间t，确定最终曝光时间t_exp。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤二中，观测目标球体OCS的计算方程为：

其中，ρ为观测目标球体的半球反射率；

r为观测目标球体的半径；

β为相位角；

观测目标球体星等m的计算方程为：

式中，R为观测目标球体到望远镜之间的距离。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述相位角β为望远镜和太阳相对于观测目标球体的夹角。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤五中，基准球体的OCS₀的计算方法为：将相位角β₀为90°代入观测目标球体OCS的计算方程：

照度E₀的计算方法为：

式中，E_sun为太阳到达地球的照度；

R₀为基准球体与望远镜距离，R₀＝36000km；

ρ为基准球体的半球反射率；

r为基准球体的半径。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤六中，观测目标球体的OCS_t的计算方法为：

式中，β_t为观测目标球体的相位角；

ρ为观测目标球体的半球反射率；

r为观测目标球体的半径；

观测目标球体照度E_t的计算方法为：

式中，R_t为观测目标球体与望远镜距离。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤六中，比值η为：

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤七中，n_p'的计算方法为：

式中，γ为望远镜的透过率；

E_t为观测目标球体照度；

t为曝光时间；

h为普朗克常量；

v为入射光的平均频率；

n_p的计算方法为：

式中，τ为望远镜的量子效率；

n_b'的计算方法为：

式中，E_b为环境到达望远镜入瞳的光能量密度；

n_b的计算方法为：

n_d的计算方法为：

n_d＝i_dt

式中，i_d为望远镜每秒产生的暗电流噪声；

令φ_t为观测目标球体产生的光电子数，

令φ_b为观测目标球体背景产生的光电子数，

则望远镜图像的信噪比SNR的计算公式为：

式中，

为读出噪声的方差；

φ_T为提取系数，φ_T＝φ_t+φ_b+i_d。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤八中，曝光时间t的计算方法为：

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤九中，不同情况下，计算曝光时间t的方法为：

S1、当光污染等级小于4级时，忽略观测目标球体背景产生的噪声，则曝光时间t的计算方法为：

S2、当光污染等级大于4级时，观测目标球体背景产生的噪声占主导，则曝光时间t的计算方法为：

式中，φ_b0为基准天区下基准球体的背景产生的光电子数；

当待观测天区与基准天区的观测目标球体产生的光电子数相同，即φ_b＝φ_b0，则曝光时间t为：t＝η²t₀

S3、当光污染等级为4级时，曝光时间t的范围为ηt₀～η²t₀。

在上述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，所述步骤十中，最终曝光时间t_exp的确定方法为：

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明有助于望远镜保持对同一高轨目标的探测能力。对于同一GEO目标，由于太阳位置的变化，不同时间的目标亮度会发生大幅变化。动态调整曝光时间，可以抵消光照因素的变化，保持对目标的探测能力。这一点对探测体积较小的卫星具有重要意义；

(2)本发明有助于望远镜在探测范围内保持相同的探测能力。望远镜在扫描GEO目标过程中，由于目标经度位置不同，导致相对测站和太阳的相位角也不相同，即使相同尺寸目标的亮度也会发生较大幅度变化。本发明提出动态调整曝光时间的方法，能够消除光照条件及距离不同导致到达望远镜能量密度不同的问题，提高望远镜的探测效率；

(3)本发明可用于选择GEO目标观测窗口和曝光时间。由于相位角的影响，部分高轨目标在一定时间内的亮度会过低(相位角过大时)，利用本发明计算的曝光时间需求过长，此时可暂不对该天区进行观测，待到相位角变小、曝光时间可行时对目标观测。通过曝光时间的动态调整，可提升对GEO目标探测效率。

附图说明

图1为本发明曝光时间动态控制流程图；

图2为本发明GEO光学监视系统示意图；

图3为本发明实施例观测相位角随时间的变化图；

图4为本发明实施例曝光时间与探测时间关系示意图；

图5为本发明实施例东经65度目标观测相位角随观测时间的变化图；

图6为本发明实施例东经65度目标曝光时间随观测时间的变化图；

图7为本发明实施例东经165度目标观测相位角随观测时间的变化图；

图8为本发明实施例东经165度目标曝光时间随观测时间的变化图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提出一种根据探测天区、观测窗口估计目标到达望远镜光照度变化情况，进而动态调节望远镜曝光时间的方法，以实现对GEO目标稳定的探测能力。

地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤一、建立GEO光学监视系统：如图2所示，望远镜设置在地面上，观测目标球体位于地球外空间中。

步骤二、建立观测目标球体OCS的计算方程，建立观测目标球体星等m的计算方程；观测目标球体OCS的计算方程为：

其中，ρ为观测目标球体的半球反射率；

r为观测目标球体的半径；

β为相位角；

观测目标球体星等m的计算方程为：

式中，R为观测目标球体到望远镜之间的距离。所述相位角β为望远镜和太阳相对于观测目标球体的夹角，如图2所示。

步骤三、设定相位角β₀为90°，且与望远镜距离R₀为36000km的郎伯球体为基准球体；根据历史经验数据确定基准球体的基准曝光时间为t₀。

步骤四、测量得到观测目标球体的相位角为β_t和与望远镜距离为R_t。

步骤五、计算基准球体的OCS₀和基准球体到达望远镜入瞳处的照度E₀；基准球体的OCS₀的计算方法为：将相位角β₀为90°代入观测目标球体OCS的计算方程：

照度E₀的计算方法为：

式中，E_sun为太阳到达地球的照度；

R₀为基准球体与望远镜距离，R₀＝36000km；

ρ为基准球体的半球反射率；

r为基准球体的半径。

步骤六、计算观测目标球体的OCS_t和观测目标球体到达望远镜入瞳处的照度E_t；计算基准球体照度E₀与观测目标球体照度E_t的比值η；

观测目标球体的OCS_t的计算方法为：

式中，β_t为观测目标球体的相位角；

ρ为观测目标球体的半球反射率；

r为观测目标球体的半径；

观测目标球体照度E_t的计算方法为：

式中，R_t为观测目标球体与望远镜距离。

比值η为：

步骤七、计算观测目标球体到达望远镜的光子数n_p'，计算观测目标球体产生的光电子数n_p；计算观测目标球体背景到达望远镜的光子数n_b'，计算观测目标球体背景产生的光电子数n_b；计算暗电流引起的噪声n_d；获得望远镜图像的信噪比SNR的计算公式；n_p'的计算方法为：

式中，γ为望远镜的透过率；

E_t为观测目标球体照度；

t为曝光时间；

h为普朗克常量；

v为入射光的平均频率；

n_p的计算方法为：

式中，τ为望远镜的量子效率；

n_b'的计算方法为：

式中，E_b为环境到达望远镜入瞳的光能量密度；

n_b的计算方法为：

n_d的计算方法为：

n_d＝i_dt

式中，i_d为望远镜每秒产生的暗电流噪声；

令φ_t为观测目标球体产生的光电子数，

令φ_b为观测目标球体背景产生的光电子数，

则望远镜图像的信噪比SNR的计算公式为：

式中，

为读出噪声的方差；

φ_T为提取系数，φ_T＝φ_t+φ_b+i_d。

步骤八、望远镜对各天区的探测能力一致，即对各天区图像的信噪比相等；则在基准球体所在的基准天区，望远镜图像的信噪比为SNR₀，以信噪比SNR₀计算曝光时间t；曝光时间t的计算方法为：

步骤九、计算不同情况下的曝光时间t；不同情况下，计算曝光时间t的方法为：

S1、当光污染等级小于4级时，忽略观测目标球体背景产生的噪声，则曝光时间t的计算方法为：

S2、当光污染等级大于4级时，观测目标球体背景产生的噪声占主导，则曝光时间t的计算方法为：

式中，φ_b0为基准天区下基准球体的背景产生的光电子数；

当待观测天区与基准天区的观测目标球体产生的光电子数相同，即φ_b＝φ_b0，则曝光时间t为：t＝η²t₀

S3、当光污染等级为4级时，曝光时间t的范围为ηt₀～η²t₀。

步骤十、根据望远镜系统参数设定曝光时间最小阈值T_min和曝光时间最大阈值T_max，T_min≤T_max；根据曝光时间最小阈值T_min、曝光时间最大阈值T_max和步骤九中计算得到的曝光时间t，确定最终曝光时间t_exp。最终曝光时间t_exp的确定方法为：

本发明实施例提供了一种GEO光学探测曝光时间动态控制方法。本实施例以20cm广角望远镜为例说明其对GEO的监视原理，该光学望远镜站址经度、纬度、高程分别为115°E、40°N和10米，望远镜口径20厘米，视场10°×10°，像元数量为4096×4096。望远镜依靠其大视场优势，对东经65度到165度的GEO天区进行扫描探测。按照本专利所提方法对动态调整曝光时间方法及结果进行说明。首先以该望远镜为例，说明GEO目标光学探测长曝光的可行性。

根据望远镜视场和像素数量可知，相机单个像素对应的角度是8.8角秒。对于轨道倾角小于2度的GEO目标，角速度最大是0.8角秒/秒，最大允许曝光时间是10秒(期间卫星光斑中心在一个像素内)。而对于轨道倾角为5度的GEO目标，角速度是2角秒/秒，最大曝光时间是4～5秒，在此期间目标同样不会运动超过一个像素。同时，考虑光学探测过程中常用的像素合并技术，这一曝光时间还可以翻倍。GEO目标特有的运动特点，使光学探测长曝光成为可能。

算例1：在以上分析基础上，根据实施例条件(测站位置信息)可计算天区中心点到测站中心距离为36300km，考虑测站对目标的光学可见性，给出2Feb 2020 10:12:57UTCG到2Feb 2022 22:56:02UTCG时间段内相位角的变化情况，见图3。图中横坐标时间值以2Feb2020 10:12:57UTCG为基准，例如0.25天表示过了6小时，即2Feb 2020 16:12:57UTCG。

受到相位角影响，到达望远镜入瞳处的能量密度比值分析结果见图4。

从分析结果可以看出，由于相位角的变化，实际到达望远镜的能量密度较基准条件下的能量密度发生了变化，最大值为1.45。根据对曝光时间的分析，为确保可靠检测，最多需要将积分时间提高到基准时间的2.1倍。

算例2：测站位于东经115度、北纬40度，探测天区中心位于东经65度，测站到天区中心的距离为39412km。分析其相位角变化情况及望远镜入瞳处能量密度比值情况，结果见图5和图6。

算例3：同样，利用该测站探测中心位置在东经165的天区，测站到目标距离39412km，得到相位角及望远镜入瞳处能量密度比值，结果见图7和图8。

从这一分析结果可知，对于东经65度及165度的GEO天区，在曝光时间比值大于一定门限时，会导致过大的曝光时间，使得实际观测不可行(如基准曝光时间0.1秒，实际需要的曝光时间最大为40秒)，此时可以暂时不对该天区观测。在入瞳处能量密度比值下降到一定门限(如5，可根据望远镜最大曝光时间调整)时开始进行观测。

根据这一原则，为实现有效观测，对东经65度的天区，则优先在后半夜进行观测，而对于东经165度的天区，可优先在前半夜进行观测，具体观测时间可根据曝光时间比值确定。

根据望远镜性能参数确定对GEO目标的最大曝光时间Tmax和最小曝光时间Tmin(可观察足够数量的恒星进行确定)，当实际计算曝光时间大于Tmax时，可暂缓对该目标的观测；当实际计算的曝光时间小于Tmin时，可直接将曝光时间确定为Tmin。以本实施例的望远镜为例，GEO目标观测Tmax为10秒，Tmin为0.5秒。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、建立GEO光学监视系统：望远镜设置在地面上，观测目标球体位于地球外空间中；

步骤二、建立观测目标球体OCS的计算方程，建立观测目标球体星等m的计算方程；观测目标球体OCS的计算方程为：

其中，ρ为观测目标球体的半球反射率；

r为观测目标球体的半径；

β为相位角；

观测目标球体星等m的计算方程为：

式中，R为观测目标球体到望远镜之间的距离；

所述相位角β为望远镜和太阳相对于观测目标球体的夹角；

步骤三、设定相位角β₀为90°，且与望远镜距离R₀为36000km的郎伯球体为基准球体；根据历史经验数据确定基准球体的基准曝光时间为t₀；

步骤四、测量得到观测目标球体的相位角为β_t和与望远镜距离为R_t；

步骤五、计算基准球体的OCS₀和基准球体到达望远镜入瞳处的照度E₀；基准球体的OCS₀的计算方法为：将相位角β₀为90°代入观测目标球体OCS的计算方程：

照度E₀的计算方法为：

式中，E_sun为太阳到达地球的照度；

R₀为基准球体与望远镜距离，R₀＝36000km；

ρ为基准球体的半球反射率；

r为基准球体的半径；

步骤六、计算观测目标球体的OCS_t和观测目标球体到达望远镜入瞳处的照度E_t；计算基准球体照度E₀与观测目标球体照度E_t的比值η；观测目标球体的OCS_t的计算方法为：

式中，β_t为观测目标球体的相位角；

ρ为观测目标球体的半球反射率；

r为观测目标球体的半径；

观测目标球体照度E_t的计算方法为：

式中，R_t为观测目标球体与望远镜距离；

比值η为：

步骤七、计算观测目标球体到达望远镜的光子数n_p'，计算观测目标球体产生的光电子数n_p；计算观测目标球体背景到达望远镜的光子数n_b'，计算观测目标球体背景产生的光电子数n_b；计算暗电流引起的噪声n_d；获得望远镜图像的信噪比SNR的计算公式；

n_p'的计算方法为：

式中，γ为望远镜的透过率；

E_t为观测目标球体照度；

t为曝光时间；

h为普朗克常量；

v为入射光的平均频率；

n_p的计算方法为：

式中，τ为望远镜的量子效率；

n_b'的计算方法为：

式中，E_b为环境到达望远镜入瞳的光能量密度；

n_b的计算方法为：

n_d的计算方法为：

n_d＝i_dt

式中，i_d为望远镜每秒产生的暗电流噪声；

令φ_t为观测目标球体产生的光电子数，

令φ_b为观测目标球体背景产生的光电子数，

则望远镜图像的信噪比SNR的计算公式为：

式中，

为读出噪声的方差；

φ_T为提取系数，φ_T＝φ_t+φ_b+i_d；

步骤八、望远镜对各天区的探测能力一致，即对各天区图像的信噪比相等；则在基准球体所在的基准天区，望远镜图像的信噪比为SNR₀，以信噪比SNR₀计算曝光时间t；

步骤九、计算不同情况下的曝光时间t；

步骤十、根据望远镜系统参数设定曝光时间最小阈值T_min和曝光时间最大阈值T_max，T_min≤T_max；根据曝光时间最小阈值T_min、曝光时间最大阈值T_max和步骤九中计算得到的曝光时间t，确定最终曝光时间t_exp。

2.根据权利要求1所述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，其特征在于：所述步骤八中，曝光时间t的计算方法为：

3.根据权利要求2所述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，其特征在于：所述步骤九中，不同情况下，计算曝光时间t的方法为：

S1、当光污染等级小于4级时，忽略观测目标球体背景产生的噪声，则曝光时间t的计算方法为：

S2、当光污染等级大于4级时，观测目标球体背景产生的噪声占主导，则曝光时间t的计算方法为：

式中，φ_b0为基准天区下基准球体的背景产生的光电子数；

当待观测天区与基准天区的观测目标球体产生的光电子数相同，即φ_b＝φ_b0，则曝光时间t为：t＝η²t₀

S3、当光污染等级为4级时，曝光时间t的范围为ηt₀～η²t₀。

4.根据权利要求3所述的一种地球同步轨道目标光学观测曝光时间动态控制方法，其特征在于：所述步骤十中，最终曝光时间t_exp的确定方法为：

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