空间目标的光散射特性研究

第17卷第3期

2004年7月烟台大学学报(自然科学与工程版)JournalofYantaiUniversity(NaturalScienceandEngineeringEdition)Vol.17No.3Jul.2004　

文章编号:1004Ο8820(2004)03Ο0183Ο05

空间目标的光散射特性研究

李道勇1,王云强1,1,2,2Ξ

(1.烟台大学光电信息科学技术学院,,西西安710071)

:,进而求出双向反射分布函数.通过双向反射

.结合目标的几何建模,计算了

空中目标在不同位置以及在不同观测站观测时的光谱分布,并与傍晚时刻观测站的背景

辐射进行比较,从而确定卫星的最佳观测时间.

关键词:空间目标;可见光;背景辐射;双向反射分布函数

中图分类号:O436.2　　　　文献标识码:A

随着军用航天技术的发展,成百上千的航天器进入太空,在民用与军用领域发挥着重要作用.因此开展空间目标的光散射与辐射特性的研究[1,2],对目标的探测、跟踪与识别等空间突防技术具有十分重要的应用价值.空间目标环境的光散射特性研究包括不同时间、不同空间位置以及不同大气环境下,目标在空间环境中对阳光、天地背景辐射的空间散射强度分布和光谱分布.研究各种目标与背景的上述光辐射特性,建立目标与背景光辐射特性的数据库和数学模型,为以后的论证、仿真和试验提供基础.散射的太阳光辐射特性与下列因素有关,即:目标、太阳、接收器三者之间的几何关系,目标形状和尺寸,目标距离,大气状态和目标表面材料性质参数(折射率和表面粗糙度等).

本文利用双向反射分布函数结合面元法计算了卫星的光散射谱分布.考虑到背景辐射的影响,选择傍晚或清晨观测,计算表明,此时段内的背景辐射亮度远小于卫星的散射亮度,这为光学探测提供了可能.

1　太阳、天地背景辐射的计算

太阳的辐射照度E与到太阳的距离有关,由E=Esun(Rau/R)2确定[3],式中:Esun为太阳辐射常数,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Rau处(Rau是一个天文单位),并且垂直于太阳射线方向的单位面积上的太阳辐射能Esun=1353

±21W/m2.太阳的光谱是接近于5900K的黑体辐射,有99%的能量集中在01275～5μm的波段范

Ξ收稿日期:2003-12-20

基金项目:国家863-703主题基金资助项目(2002AA731191).

作者简介:李道勇(1978-),男,山东济南人,在读硕士研究生,主要从事粗糙面的光散射研究.

184 烟台大学学报(自然科学与工程版)第17卷　围内,辐射亮度的最大值在0.48μm处.由于地球公转轨道为椭圆,太阳照射在地球表面的能量约有±3%的变化,能量的最大值出现在轨道的近日点,最小值出现在远日点.此外,地球与太阳的距离很大,可认为太阳光是平行光.

太阳辐射经过大气层的衰减到达地球,其辐射能量与纬度、海拔、季节、时刻和大气状态有关.我们利用Modtran计算了不同高度时太阳辐射的谱分布

,如图1所示.

计算条件为:2002年12月24日(冬季),30°.地面为0,2,100km时,太阳的辐照度.为,距离地面越高,.越靠近地面,;越往上,辐.这样,

空间目标的太阳辐射受高度的影响不大,为,部分被反射,部分进入地球大气系统.进入地球大气的辐射能量部分被分子和地面吸收,部分被大气分子散射和地面反射.天空背景辐射是由太阳辐射的散射和大气成分的发射引起的.晴天地面上总的辐照度的20%来自天空(即来自大气散射的太阳光),白天,天空的红外辐射是散射的太阳光和大气热辐射组成的.散射阳光由云反射和晴空散射合成,它的辐射光谱基本上分布在3μm以内;5μm以上以大气辐射为主,在3～5μm之间,天空的辐射最小.夜间,天空的红外辐射为大气的热辐射,随着气温的下降,其辐射的极大值朝长波方向移动.大气的热辐射主要与水蒸气、二氧化碳和臭氧等的温度与含量有关.

天地背景在可见光部分的辐射主要受太阳辐射的影响,因此,某一地区的天地背景辐射的强弱与该地区和太阳的相对位置有关.图2计算的是傍晚不同时刻的天背景,傍晚时分,太阳很快就要落山,因而天背景辐射减小很快.太阳落山后,地面接收不到太阳的直接照射,而高空中的目标能接受到阳光的照射,这为目标的探测提供了可能.

图1　不同高度下的太阳辐照度　　　　　图2　傍晚天背景辐射亮度

2　空中目标的可见光散射

在研究粗糙面散射特性时,常用到雷达散射截面(RCS)和双向反射分布函数(BRDF).雷达散射截面[4]是定量描述特定目标散射特性的物理量,它是在给定方向上入射到目标上的部分与经目标反射或散射到接收机的功率定义的.用电场强度表示雷达散射截面:

　第3期　　　　　　　李道勇,等:空间目标的光散射特性研究 185

2(θφ)σ(θφθφ)π,;,=lim4Riiss2,R→∞|Ei(θi,φi)|2(1)

式中:Ei,Es分别表示入射场和散射场的电场强度.

双向反射分布函数最早是从辐射度学,在几何光学的基础上描述各种表面辐射和反射特性的物理量.且这种描述具有唯一性的特点,它由目标表面粗糙度、、偏振等因素决定.()fr(θi,φi,θs,Ei(,i)(2)

式中:θi,φis.Lr是样片经照(s,s,Ei(θi,φi)方向上入射光产生的样品表面辐照度.fr的(θs,φs)出射的辐亮度与方向(θi,φi)入射在被测表面产生的辐照度之比.目标表面的双向反射分布函数也可用入射功率与散射功率表示为[5]

fr=,Picoss

2(3)目标表面激光雷达散射截面定义为σ=lim4πRR→∞Ai|Ei|23,(4)

式中:Ei和Es分别为入射光和散射光电场强度矢量,Ai为照射面积.如果接收口径面积为Ar,对于非极化波,某一方向上散射功率ΔPs和入射功率Pi之比为

ΔPPi= E3θAicosi|Ei|2,(5)

由式(4)和(5)得:

σ=lim

R→∞2ΔPArPiR→∞θπθcoscosi=4iP,PidΩ(6)其中:dΩ=limAr/R2,将式(3)代入式(6),再由式(4)可得:

σ=4πfrcosθθicoss.

也完全适用于其它波段.

由上述可知,目标表面的双向反射分布函数(BRDF)可以将入射到目标表面的背景辐射强度与目标对背景辐射的光散射亮度联系起来,从而可以计算目标的光散射.

首先,对任一波长的波照射到目标粗糙表面,采用基尔霍夫法计算出每一小面元的单位面积雷达散射截面[6]:

σ=σc+σn,(8)(7)σ之间的关系,式(7)表明了目标表面的双向反射分布函数fr和单位面积激光雷达散射截面

其中:σc为镜向相干散射截面,σn为非相干散射截面.再由式(7)求出任一面元的BRDF值fr.由双向反射分布函数的数学表达式(2)可推出:

dLr(θi,φi,θs,

φs,Ei)=fr(θi,φi,θs,φs)dEi(θi,φi).(9)

由上式求出任一面元的光散射,然后对所有面元积分可得到目标整体的光散射分布.

186 烟台大学学报(自然科学与工程版)第17卷　研究空中目标对太阳辐射的散射时,本文利用Modtran软件计算出入射到目标表面的阳光2大气系统的光强度或亮度,然后利用双向反射分布函数,求出其散射亮度.在实际的计算中,空中目标的几何外形往往是比较复杂的,我们要先将目标进行几何建模[7],对表面进行网格划分;建立地表坐标系,目标坐标及本地面元坐标系,双站消隐,根据以上方法分别求

出每一面元对复杂背景辐射的光散射特性,光散射特性.对于在空中不断运动的目标,,.3　计算结果

,0018μm波段对太阳辐射的散射.设目标,210m×118m×310m,侧翼为8m×21

:高度起伏均方根0104μm,相关长度1189μm;设侧翼的反射率为0103,能见度23km,农村气溶胶,大气模式为1976年美国标准大气.

图3计算的是在不同地理位置观测,卫星的散射亮度谱分布.假设目标位于东经110°,北纬30°,778km高空,测量时间为2003年12月24日,北京时间18∶00,此时,太阳天顶角为9316°,方位角24419°.观测位置分别为:1)东经100°,北纬40°;2)东经120°,北纬40°;3)东经125°,北纬45°.图4计算的是在同一观测站观测,卫星在不同空间位置的散射亮度谱分布及观测站的背景辐射.设观测站位于东经120°,北纬35°.凌晨6∶00观测:此时观测站处的太阳天顶角为10310°,方位角10917°.卫星位于1.东经105°,北纬25°,入射到卫星上的太阳天顶角为11214°,方位角10614°;2.东经110°,北纬25°,此时卫星处太阳入射天顶角10812°,方位角108104°.

图3　不同地理位置观测卫星的散射亮度谱分布　　图4　卫星位置不同时的散射亮度和背景辐射由图3可看出,对于同一颗卫星,在不同的地理位置观测,其光散射谱分布是不同的.图4则表明,在同一观测站观测不同空间位置的卫星,其光谱分布也是不同的.由于目标、太阳、观测站三者之间的位置发生变化,这样导致双站角、入射到卫星表面的太阳辐射、双站消隐而引起的有效面元发生变化.双向反射分布函数(BRDF)与双站角有关,粗糙面的光散射亮度与太阳辐射有关,目标整体的光散射与可见面元大小有关,这都是引起光散射亮度变化的因素.由图4还可以看出,清晨,虽然太阳在地平线以下,但卫星在高空仍接收到阳光辐

　第3期　　　　　　　李道勇,等:空间目标的光散射特性研究 187 射,而地面的观测站则接收不到阳光辐射.此时观测站处的背景辐射亮度在可见光波段非常小,如图中第三条曲线所示,卫星光散射亮度与之比较很大,此时可以观测到卫星.4　结束语本文首先介绍了太阳和天地背景的辐射,同时刻的背景辐射.结果表明,山,因而背景辐射亮度急剧衰减.,建模,、观测站,清晨或傍晚是观测的最佳时机.:

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ResearchonLightScatteringfromSpatialObjects

LIDao2yong1,WANGYun2qiang1,GONGYan2jun1,2,WUZhen2sen2

(1.InstituteofScienceandTechnologyforOpto2ElectronicInformation,YantaiUniversity,Yantai264005,China;2.SchoolofScience,XidianUniversity,Xi’an710071,China

)

Abstract:Thesolarirradiationandbackgroundradiationarecalculatedundertheconditionsofdifferentheightandtime.Accordingtothepropertyoftheroughsurface,suchasKAmethod,http://www.77cn.com.cningbidirectionalreflectancedistributionfunction(BRDF),thesolarirradiationandlightscatteringfromobjectareconnected.Then,spectraldistributionofthespatialobjectiscalculatedatdifferentpositionsanddifferentobservationstations.Bycompar2ingscatteringradiationfromspatialobjectwiththebackgroundradiationatdaybreak,thebestobservationtimecanbedetermined.

Keywords:spatialobject;solarirradiation;backgroundradiation;BRDF

(责任编辑　苏晓东)

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