空间目标的光散射研究

空间目标探测与识别

第27卷第4期2006年7月　

宇　航　学　报

JournalofAstronautics

Vol.27No.4

July　2006

空间目标的光散射研究

刘建斌,吴　健

(电子科技大学光电信息学院激光雷达实验室,成都610054)

摘　要:从太阳辐射理论出发,基础上,。利用该模型。结果表明,。

;:O436.2　　　文献标识码:A　　　文章编号:100021328(2006)0420802204

0　引言

为是温度为5900K的黑体辐射,Eλ为分谱辐照度,λ为波长,其单色辐出度由上式确定。

在λ1～λ2波长范围内太阳的辐出度M和总辐射通量<分别为

M=c1

随着航空航天科学技术的发展,空间目标的各种物理特性正受到越来越多学者的关注。对于空间目标的光散射研究,前人已作了许多研究

[1-10]

。文

献[1-8]对几种典型几何形状的朗伯表面的地面光照度进行了分析,没有考虑表面高度起伏的随机统计特性。文献[9]和[10]利用基尔霍夫近似法求出雷达散射截面,进而求出双向反射分布函数,通过双向反射分布函数将光辐射的入射照度和目标的散射亮度联系起来,结合目标的几何建模,最后得到空中目标的光谱分布。但这种方法在实际工程应用中有一定的困难。

本文在随机面元统计模型的基础上,提出了目标表面为随机粗糙平面的空间目标散射太阳光产生地面光照度的散射计算模型,为空间目标的探测和识别研究提供参考。1　太阳辐射

∫

λ

1

λ

2

λ-5[exp(c2ΠλT0)-1]-1dλ

(2)(3

)

8

πR2sM<=4

μm。出度M的单位为WΠ

2

式中T0=5900K,太阳半径Rs=6.9599×10m,辐假设太阳所发出的总辐射量在空间方向上的分

布是均匀的,则在λ1～λ2波长范围内太阳的发光强度为

π=RsMI=<Π4

范围内太阳在空间目标处的照度E0为

E0=IΠD

2

2

(4)

那么根据距离平方反比定律,在λ1～λ2波长

=10Rsc1D

122-2

∫

λ

1

λ

2

λ-5

(5)

λT0-1)[exp(c2Π

-1

]dλ

由普朗克黑体辐射公式,黑体辐射的单色辐出度为

λ)[exp(c2ΠλT0)-1]M(λ,T0)=10(c1Π

-4

212

5

-1

式中D为太阳与空间目标的距离,由于空间目标与太阳的距离相对空间目标与地球的距离要大的多,因此D可以视为日地的实际距离,照度E0的单位为WΠm。2　朗伯散射

2

(1)

式中λ为波长(μm),T0为黑体的温度(K),c1=3.742×10W μm为第一辐射常数,c2=14388μm K为第二辐射常数,单色辐出度M(λ,(m μT0)的单位为WΠm)。通常太阳辐射可以认

收稿日期:2005204227;　修回日期:2006201205

基金项目:国防科技预先研究基金资助课题(413030305)

2

把目标表面看作漫反射表面,假设目标表面的漫反射系数σ与波长无关,设目标面元ds的法线与

空间目标探测与识别

第4期刘建斌等:空间目标的光散射研究803

2tan(

太阳光方向的夹角为θi,如图1所示,则根据朗伯余弦定律,在与法线方向成θs角方向,面元ds散射太阳光产生的地面照度为

σEθ(6)dEs=cosθicossds

πR2

(6)式中,R为地面观测站到空间目标的距离,

E0为太阳辐射在空间目标表面的光照度。

exp[-

θθ)+

tan2

]2

2δπ

(8)

于是,对空间目标的整个被照射表面积分,就可

(sisR

2图2　二维高斯随机粗糙表面的散射几何图示

Fig.2　Diagrmforthescatteringof22Dgaussrandom

roughsurface

θθθ式中,θ2arccos[cosθl=1Πicosd-sinisindcos<]

(9)

δθπ为表面高度起伏统计斜率均方根,ρ(l)是满足反射条件的那些面元的反射率;θl是本地入射角;

图1　平面的朗伯散射示意图

Fig.1　Thesketchmapoflambertiandiffuseofplane

χ(δπ)是表面展平因子,即表面在平均面内投影面积与真实表面面积之比;S(θi)是入射投影函数,它规定未受照射的面元不参与散射;S(θd)是散射投影函数,它规定所有散射光中被表面起伏挡掉的部分没有贡献。

对于各向同性高斯随机表面:

2-1Π2

χ(δδπ)≈(1+2π)入射投影函数为:

S(θi)=1-2

θ

δctansΠ

3　高斯随机面元统计散射模型

如图2所示,二维高斯随机粗糙表面上的面元

Δs被太阳S照射,照射中轴线位于yoz平面内,观察方向P与z轴的夹角为θd,它在xoy和yoz平面内的投影分别与x轴和z轴正方向的夹角为<和θs。

规定在入射面内θi从z轴正方向逆时针绕原点转动一锐角为正,θs从z轴正方向顺时针绕原点转动一锐角为正,反之为负。

设空间目标表面起伏曲率半径远远大于光波长,面元Δsi是任意一个面元,且它的尺寸远大于光波长,观察者看到的光是由符合面元反射条件的面

[11]

元反射的。BeckmanP和SpizzichinoA系统的阐述了随机面元方法。　　对于各向同性高斯随机表面,单位垂直入射照度下,单位投影面积内表面对观察位置P的散射系

[12]

数为:

θcoslξ(θθ i,s,<)=2

πδ8i-θs2θ2π

)cos(δcos(Π)22

ρ(θθS(θl) i)S(d)×

(10)

2

∫

-∞

)dt(11)exp(-2π)dt(12)exp(-2π2

散射投影函数为:

S(θd)=1-2

∞

θctans

Π

如果把每个面元看作点光源,那么在观察位置P总的地面照度是所有面元的总的贡献。于是,根据距离平方反比定律,空间目标表面散射太阳光产生的地面照度模型为

ξ(θθΔsiE0 i,s,<)

(13)Es=62

i

R

式中,E0为在λ1～λ2波长范围内太阳在空间目标θ处的照度,ξ(θi,s,<)为散射系数,

R为卫星到观察位置P的距离。

空间目标探测与识别

804

4　计算举例及分析

宇航学报第27

卷

以我国2002年5月发射的风云一号极轨气象卫星为空间目标,分别利用朗伯散射模型和高斯随机面元统计散射模型计算了卫星散射太阳光产生的地面照度,如图4。

风云一号气象卫星的实物照片如图3

:

图4　在观测时间内,朗伯散射和高斯随机统计

表面散射条件下光照度的比较

Fig.4　Compareilluminationoflambertscatteringwith

图3　风云一号卫星实物照片

whichofgaussrandomfacetsstatisticalscattering

Fig.3　ThefactphotographofFY21satellite

卫星发射时呈立方体,长2.02米,宽2米,高2.215米。在轨运行后,太阳能电池阵像两翼一样展

5　结论

开,展开后卫星总跨度为10.556米,翼展为8.6米。卫星轨道为太阳同步轨道,高度为862.8公里,轨道偏心度为0.001884,轨道倾角为98.79度,卫星升交

点赤经Ω=30°,近心点辐角ω=60°。过近心点

时间τ0=2005.4.1.15:30:00。

观测站的地理经度λ=104°,观测站的纬度<=30.9°,观测站的海拔高度l=500m,观测卫星

对于空间目标的光散射研究,大部分研究者都

把目标看作漫反射体,而得到目标的地面照度值。本文在高斯随机面元统计散射模型的基础上,提出了目标表面为随机粗糙平板面的空间目标散射太阳光产生地面光照度的散射计算模型。利用该模型计算了风云一号卫星的地面光照度,并与把卫星表面看作朗伯表面计算得到的地面光照度进行了比较。结果表明,把卫星表面看作漫散射体得到的地面照度值要比把卫星表面看作随机粗糙表面得到的地面照度值大。参考文献:

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的时刻t=2005.4.1.17:00:00-17:14:00。开始观测时刻太阳入射角为θ。i=28°,观测角θs=54°色散常数ξ=20.57,ζ=4.16310起伏统计斜率均方根δπ=tan5。

在计算中,太阳入射波段为可见光波段,不考虑半球面微波天线和圆柱型光学天线的影响,且假设卫星主体六个面和两个太阳能电池翼都被太阳照射。

利用MATLAB可以得到,在朗伯余弦散射模型和高斯随机面元统计散射模型条件下,风云一号气象卫星表面散射太阳光产生的地面照度随观测时间变化关系如图4。

从图4可以看出,把卫星表面看作漫散射体得到的地面照度值要比把卫星表面看作随机粗糙表面得到的地面照度值大。这是因为粗糙表面上的面元,在相同观察角情况下,由于遮蔽情况的存在,有一部分对观察者是没有贡献的,因此,总的叠加结果要比漫散射情况要小

。

-15

m,表面高度

2

空间目标探测与识别

第4期刘建斌等:空间目标的光散射研究

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805

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(-),男,博士生,主究。

通信地址:四川成都电子科技大学光电信息学院激光雷达实验室(610054)电话:(028)83202474

E2mail:jbl136@

(3)-187[LIDao2yong,WANGYun2

qiang,GONGan2jun.Researchonlightscatter5ngfromspatialob2jects[J].JournalofYantaiUnivgsity(NaturalScienceandEndneerin

LightScatteringofSpatialTarget

LIUJian2bin,WUJian

(Optoelectronicinformationdept,UniversityofElectronicScience&TechnologyofChina,Chengdu610054,China)

Abstract:Inthispaper,startingfromthebasicradiationtheory,calculationformulationforgroundirradianceofspacedif2fusereflectiontargetispresented.ThenbasedontheGaussrandomfacetsstatisticalscatteringphysicalmodel,thecalculationmodelforGaussrandomsurfaceofspatialobjectsthatismadefromplanesisderived.ThegroundirradianceofFY21satelliteiscalculationbyusingit.Finally,acomparisonforthecalculationresultswiththoseobtainedwiththeLambertianreflectionLawisgiven.Thesimulationresultsshowthat,thegroundirradianceofFY-1satellitesurfacethatisconsidereddiffusereflectionisla2gerthanthat

ofFY21satellitesurfacethatisconsideredrandomroughscattering.

Keywords:Spatialtarget;Groundirradiance;Gaussrandomfacetsstatisticalscatteringphysicalmodel

(上接第789页)

ExperimentalStudyonTraceContaminantControlSubassembly

inMannedSpacecraft

PANGLi2ping,WANGJun

(SchoolofAviationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China)

Abstract:Onbaseofanalysisthetracecontaminantsoursesinthecabinofmannedspacecraftandothermatureconceptualdesignes,aTraceContaminantControlSubassembly(TCCS)wasputforwardinthispaper.TheTCCScouldbefitforourfutureSpaceLabandincludesanactivatedcharcoalbed,ahigh2temperaturecatalyticoxidizer,low2temperaturecatalyticoxidizer,lithi2umhydroxidesorbentbed,blower,flowmetersandcontrolassembly.Thedesignandcontrolmethodabouttheprototypedeviceofhigh2temperaturecatalyticoxidizerwasintroducedindetail.Someexperimentalresearcheswereconductedonworkingperformanceoftheprototypedevice.Theresultsofexperimentationindicatethedevicehashighercontrolprecision,betterworkingperformancestabilization,andhigherpurificationefficiency.

Keywords:Mannedspacecraft;TCCS;Catalyticoxidizer;Experimentalresearch

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4cf4.html