空间目标特性分析与成像仿真技术研究(精)
空间目标的红外特性建模与仿真

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
1.2 国内外研究现状
红外成像仿真的种类,若根据目标与背景所在的地理位置、高度或性质的不同, 可分为以下四类对象[10]的红外仿真,即:空间目标与深空背景、空中目标与天空背 景、海面目标与海洋背景、地面目标与地物背景。本课题主要研究的是空间目标与 深空背景的红外成像仿真。下面分别介绍空间目标红外特性和太空红外场景的国内 外研究现状。 1.2.1 目标红外辐射特性研究 目标的红外辐射特性研究对于红外成像系统的研制、目标的红外隐身设计、仿 真训练及实战均具有重要意义。典型的目标有坦克装甲车辆、船舰、飞机、导弹以 及卫星等等,国内外针对坦克[11-12]、船舰[13-14]与飞机等军用目标的红外辐射特性进 行了大量研究。相对而言,卫星红外辐射特性研究得较少。从查阅文献来看,国内 仅有文献[9,15-16]对卫星红外辐射特性进行了研究,专门对卫星红外辐射特性进行 研究的文献还不多。尽管研究卫星红外辐射特性的专门文献较少,然而我们仍然可 通过查阅相关或相近文献来建立相应计算模型,进而对卫星红外辐射特性进行研 究。 与可见光波段不同,卫星红外辐射特性受到卫星自身红外辐射影响。而由普朗 克定律可知,卫星表面自身红外辐射又受卫星表面温度影响,卫星红外辐射特性研 究必然要涉及到卫星温度数值计算。国外对卫星温度分布进行了大量理论和实验研 究,建立了一系列卫星温度场数值计算方法,典型有以下两类计算方法:一类计算 方法是热网络法,该方法较为简单,计算精度也能达到一定的要求,但不能给出卫 星表面较为精细的温度分布,因而依此计算得到的卫星表面红外辐射亮度分布较为 粗糙。另一类计算方法是建立三维卫星温度计算模型,该方法获得的温度较为精确, 可以给出卫星表面较为精细的温度分布,便于进一步计算卫星红外辐射通量分布。 国外较早就开展了这方面的研究,现已开发出了较为成熟的计算分析软件,比如美 国宇航局与欧洲宇航局研制开发的 SINDA,TRASYS 与 ESATAN。国内,在卫星 温度场的模拟工作方面,潘增富[17]详细论述了航天器热计算中的稳态温度场计算的
基于TracePro的空间目标光学散射特性建模与仿真

基于TracePro的空间目标光学散射特性建模与仿真
孙成明;赵飞;张泽
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2014(0)11
【摘要】为给空间目标光学探测与识别提供数据支持,建立了基于TracePro的空
间目标光学散射特性计算模型.以空间目标天基红外系统为例,综合考虑目标的结构
特性、材料特性、背景特性及轨道特性,通过TracePro中建立几何模型、设定材质、设定光源、计算光线路径等环节,对目标光学散射特性进行仿真分析.结果表明,目标的光谱辐照度曲线与太阳一致.镜反射时,目标的等效光谱反射率曲线与砷化镓电池
片一致,随着目标旋转,目标的等效光谱反射率曲线趋向于与包覆材料一致,而后保持不变.为空间目标光学散射特性研究思路提供了借鉴.
【总页数】5页(P54-58)
【关键词】空间光学;空间目标;散射特性;TracePro;建模与仿真
【作者】孙成明;赵飞;张泽
【作者单位】中国科学院光电研究院
【正文语种】中文
【中图分类】O432.1;O435.1
【相关文献】
1.基于STK的空间目标可见光散射特性建模与仿真 [J], 李艳杰;金光;钟兴
2.基于目标可见光散射特性的空间目标成像仿真研究 [J], 黄建明;刘鲁江;王盈;魏
祥泉
3.基于光学散射特性的失稳空间目标旋转分析 [J], 田琪琛;李智;徐灿;李鹏
4.空间目标的可见光散射特性建模与仿真研究 [J], 吴英;杨玲;范剑英;王洋;吴岩;王长劲
5.基于光学仿真Tracepro软件对多面微结构导光板光学性能的研究 [J], 王佳佳;贺建芸;谢鹏程;申增强;马旭
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中国空间技术研究院(航天五院).doc

中国空间技术研究院(航天五院)一、单位简介中国航天科技集团公司第五研究院(以下简称五院)隶属于《财富》世界500强的中国航天科技集团公司。
五院成立于1968年2月20日,经过40余年的发展,已成为中国主要的空间技术及其产品研制基地,是中国空间事业的主力军。
建院以来,历代五院人牢记使命、顽强拼搏,树立了中国航天史上一座座新的里程碑,实现了空间技术的新跨越。
1970年4月24日,五院成功研制并发射了中国第一颗人造地球卫星——东方红一号,开创了中国探索外层空间的新纪元。
2003年10月,神舟五号载人飞船载人航天飞行获得圆满成功,使中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。
2007年10月,嫦娥一号月球探测器进入环月轨道,实现了中华民族千年的飞天梦想——嫦娥奔月。
2008年9月,神舟七号载人飞船成功实现了中国航天员首次空间出舱活动。
2011年11月“天宫一号”目标飞行器与神舟八号飞船成功实现交会对接,标志着中国载人航天事业发展实现了新的重大突破。
迄今为止,五院共研制、发射和在轨运行一百多个不同类型的航天器,已经形成了以载人航天、深空探测、导航定位、对地观测、通信广播、空间科学与技术试验等六大系列航天器,实现了大、中、小、微型航天器的系列化、平台化发展。
五院十分重视空间技术专业领域人才的培养,现有中国科学院和中国工程院院士7名,国际宇航科学院院士12人,俄罗斯宇航科学院院士8人,11名国家级突出贡献专家和4100多名高级专业技术人才。
自1978年招收研究生以来,已经形成学科专业齐全,管理体制配套的硕士、博士和博士后高层次人才培养体系。
现有博士学位授权一级学科2个,博士学位授权二级学科1个,硕士学位授权一级学科8个,硕士学位授权自主设置二级学科3个,博士后流动站3个,博士后工作站4个。
博士生导师130余人,硕士生导师400余人。
五院设有以研究生培养、员工培训、客户培训为中心任务的神舟学院,拥有包括研究生教室、多媒体电化教室、集同设计实验室等8000多平米的教学实践场地。
空间目标的光谱特性仿真及识别

华中科技大学硕士学位论文空间目标的光谱特性仿真及识别姓名:周玲慧申请学位级别:硕士专业:模式识别与智能系统指导教师:张钧;田金文20081224华中科技大学硕士学位论文摘要随着各航天大国研究空间目标光谱成像特性以及以此为基础进行空间探测的技术日趋成熟,为满足空间机动平台的攻防应用需求,需要对空间目标特性进行分析和研究。
由于航天实验费用昂贵,不可能对空间目标成像图都进行实时拍摄,因此根据实验室现有条件,利用计算机模拟生成空间目标和空间背景仿真图并对实验图片进行目标检测识别十分有必要。
论文主要研究了空间目标光谱特性仿真及识别过程中需要考虑的几大问题,包括空间背景特性分析、空间目标特性分析、目标检测与识别算法设计。
论文首先介绍了空间背景仿真原理,分星空背景和地背景两种情况考虑。
讲述了可见光和紫外参考星表的制备流程,简要说明了星图仿真原理,模拟生成了可见光和紫外星图。
同时,对地球背景仿真进行了初步研究,提出一种生成星空与地球背景相结合的背景仿真图的方法,给出了实验结果。
接着,详细阐述了空间目标成像仿真原理及步骤,包括目标三维几何建模、目标表面材质属性、构建目标可见光和紫外光照模型,并介绍光线跟踪算法,依据理论分析,模拟生成了目标仿真图。
然后根据不同参数条件设计仿真实验,结合图片探讨分析了光照方向、相机光轴指向、视场角大小、成像分辨率、探测距离这几个参数对目标仿真图的影响。
实验结果表明,该模型不仅同真实空间目标光谱成像系统比较符合,而且能很好地表征光谱成像系统的关键参数对成像图效果的影响。
最后,对背景仿真图添加高斯噪声和空间碎片,并将之与目标仿真图相叠加,设计相应算法对空间目标进行检测识别,理论分析和仿真实验结果表明,所采取方案是可行的。
关键词:空间目标,光谱特性,背景仿真,目标仿真,检测识别华中科技大学硕士学位论文AbstractWith the development of the space detection technique which is based on the space target’s spectral characteristics, most of the powerful countries are paying great attention to the research and analysis of space target’s characteristics in order to meet the needs of the offensive and defensive system. As the cost of spaceflight experiment is very high, it’s unpractical to acquire real-time space target images in some cases. Thus in order to estimate the recognition algorithms for space target, we need to simulate real-time space target images and background images with a computer. This paper focuses on the simulation of space target’s spectral imaging and the target recognition, including the analysis of the environment characteristics and the target characteristics, the designing of detection and recognition algorithms for space target.In the paper, we first introduce the simulation methods of the space environment including the star field background and the earth background. After discussing how to establish the visible and ultraviolet reference ephemeris, we brief the simulation principle of the star field images, then simulate the images in multi-spectral. Meanwhile, we give a pilot study for the earth background simulation, present a method to simulate the background image which is a combination of earth and star field, then we show the experiment results.After that, we analyze the simulation principle of the space target imaging in detail, including the target’s geometry modeling, the material attributes of the target’s surface, the target’s illumination energy models in multi-spectral, and we introduce the novel retracing algorithm, then simulate the target images according to the theoretical analysis.On this basis, we do several experiments under different circumstances, discuss the influence of each parameter to the effect of simulation images. The parameters include the illumination direction, the optical axis direction, the camera’s visual angel, the image pixels, the distance between camera and target.The experimental results show that, the model not only meets the real spectral imaging system well, but also shows the influence of several key spectral imaging system华中科技大学硕士学位论文parameters to the effect of the simulation images well.Finally, we add the gauss noise and space fragment to the background simulation images, then integrate them into the target images, design the detection and recognition algorithms. Theoretical analysis and experiment results demonstrate that the method is feasible in principle.Key words: space target, spectral characteristics, background simulation, target imaging simulation, detection and recognition独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
空间目标探测与识别方法研究

空间目标探测与识别方法研究一、概述空间目标探测与识别作为航天领域的重要研究方向,旨在实现对地球轨道上各类空间目标的精确探测和有效识别。
随着航天技术的不断发展,空间目标数量日益增多,类型也日趋复杂,这给空间目标探测与识别带来了前所未有的挑战。
深入研究空间目标探测与识别方法,对于提升我国航天事业的国际竞争力、维护国家空间安全具有重要意义。
空间目标探测主要依赖于各类传感器和探测设备,如雷达、光电望远镜、红外传感器等。
这些设备能够捕获空间目标的信号或特征信息,为后续的目标识别提供数据支持。
由于空间环境的复杂性和目标特性的多样性,探测过程中往往伴随着大量的噪声和干扰,这要求我们必须采用先进的信号处理技术来提取有用的目标信息。
空间目标识别则是基于探测到的目标信息,利用模式识别、机器学习等方法对目标进行分类和识别。
识别的准确性直接影响到后续的空间态势感知、目标跟踪以及空间任务规划等工作的质量。
如何提高识别算法的准确性和鲁棒性,是当前空间目标识别领域的研究重点。
本文将对空间目标探测与识别方法进行深入研究,包括探测设备的选择与优化、信号处理技术的研究与应用、以及识别算法的设计与实现等方面。
通过对这些关键技术的探讨,旨在为提升我国空间目标探测与识别的能力提供理论支持和技术保障。
1. 空间目标探测与识别的背景与意义随着科技的飞速发展和人类对宇宙探索的深入,空间目标探测与识别技术逐渐成为当今科研领域的热点。
空间目标包括各类卫星、太空碎片、深空探测器以及潜在的太空威胁等,它们的存在与活动对人类的航天活动、地球安全以及宇宙资源的开发利用具有重要影响。
在空间目标探测与识别领域,通过高精度、高可靠性的技术手段对空间目标进行实时、准确的监测与识别,对于保障航天器的安全运行、预防太空碰撞、维护国家安全和促进航天事业的发展具有重要意义。
对于深空探测和宇宙资源的开发利用,空间目标探测与识别技术也提供了有力的技术支撑。
随着太空竞争的加剧,空间目标探测与识别技术也成为各国军事竞争的重要领域。
空间目标温度特性分析及仿真

假 设 太 阳 帆 板 的 向 阳 面 和 背 阳面 温 度 分 布 均 匀 ,其 热 平 衡 方 程 为
1 卫 星表 面 温度 平 衡 方 程 的建 立
卫 星在 空 间 中的外热 源主 要包 括太 阳直 接
收稿 日期 :2 1 9 2 0 00~ 6 基 金 项 目 :中 国 科 学 院 知 识 创 新 项 目 (33 3) 02 05 作 者简 介 :丁少 华 (96),男 ,安徽 芜 湖人 ,硕 士研 究 生,主要 研 究 方 向为 空 间 目标 信 息获取 与处 理 。 18一
(h n h i n t ueo eh i l h s s C iee a e f ce cs S a g a 0 0 3 C ia S a g a Isi t f c nc y i , hn s d my o in e, h n h i2 08 , hn ) t T aP c Ac S
t r e s agt.
K e w ords: s y pac a g t;t per ur ha a t rs i s et r e em at e c r c e itc :STK ;i r r d r diton nf a e a a i
0 引 言
空 问 目标 的 红 外 辐 射 特 性 主 要 是 由其 本 身
sm ul ed. T hi e ea c e ul s o o e i por an e e e t a l o t nf a e t c i pa e i at s r s r h r s t i fm r m t t r f r n i lva ue t he i r r d de e ton ofs c
光学特性建模与仿真技术研究

光学特性建模与仿真技术研究光学特性建模与仿真技术是对光学现象进行模拟,进行理论探索、性能对比、系统设计和优化,并能实现真实场景的复现。
现在在光电子、信息通讯、生物医学等领域得到广泛的应用。
本文将介绍光学特性建模和仿真技术的主要应用、方法和发展趋势。
一、光学建模光学特性建模是指通过模拟光在物理上的传输及其交互过程,以刻画相关的光学现象,并预测和解释光学系统的性能。
其运用性质包括:光谱、图像、偏振化、微结构、复杂物质理化属性等多种情况。
光学特性建模的核心是光传输微分方程。
针对不同的光传输方程,常见的建模手段有:有限差分方法、有限元方法、有限体积法(FVM)和Monte-Carlo模拟等方法。
二、光学仿真光学仿真是在光学模型的基础上,对光在物理上的运动进行仿真。
其目的是研究光在实际系统中的行为,例如微机电、光学纤维通信、照明系统等。
通过仿真,可以优化光学元器件,比如设计适合光学波长、通信频段的光学纤维、激光器等。
光学仿真主要有两种方法:正向方法和反向方法。
正向方法是根据已知光学参数建立场景中的模型,计算模型中光线的路线、光强度和折射率。
反向方法基于观测值和实验数据反推光学参数的取值。
三、光学建模与仿真应用1、光纤通信系统光纤通信系统的模拟是当前光学建模与仿真领域的一个重点。
模拟中通过考虑光纤波长和折射率、光纤的尺寸、传输距离、波长分多复用、光学放大器等因素建立了相应的模型。
通过模拟,可以使光纤的transfer函数变得更高,并且可以预测光纤的性能。
2、光学测量由于现代科技的一些新技术的发展,如生物医学及微纳量实验、时钟和跟踪系统等领域,对光学测量技术的要求也逐渐提高,有许多技术利用光学特性来获得最佳的测量模型。
例如,多肢蚓的测量与生物类似,它利用一条蚯蚓状的身体,使用光源,照射到其底部,测量出伸出的肢体的长度及其间距。
3、光学设备设计光学设备的设计,如望远镜、卡尔曼滤波器、光学成像设备等,也是光学仿真和建模领域应用的一个重要方向。
国内空间目标散射建模总结

国内空间目标散射建模总结2011年,南京理工大学的徐实学在其博士论文《材质表面散射光偏振特性分析用于空间目标探测的研究》中,研究了典型空间目标材料散射光的偏振度等偏振特性,对不同飞行姿态和探测环境的空间目标偏振特性分析方法进行了讨论。
文中的讨论是基于实验测量的数据进行的,没有应用具体形式的BRDF模型。
2004年,63916部队和中科院光电技术研究所的李淑军等人在《带太阳能帆板的卫星光度特性分析》中,研究了卫星主体和帆板两种基本结构在一定漫反射率情况下的地面照度计算公式,理论计算表明,虽然太阳能帆板的漫反射率要比卫星主体低30倍,但在卫星地面照度的计算和实际观测中仍不应忽略。
2010年,咸阳师范学院的王明军等人在《复杂环境下具有轨道特征目标模型光散射特性研究》中,将BRDF应用于卫星散射特性研究,但是都是测量获得而没有理论模型,文章给出了空间目标模型表面不同反射率材料对可见光散射光谱特性,以及在相同反射率条件下光散射强度随轨道高度分布特性。
2009年,长春光机所的张景旭在《国外地基光电系统空间目标探测的进展》中,介绍了国外先进地基空间监视系统的发展现状,从地基光电系统观测空间目标的角度介绍了美国星火靶场和毛伊岛光学站的情况和设备,提供了国外地基空间目标光学探测的重要参考资料。
2010年,电子工程学院的杨明等人在《基于BRDF条件下卫星可见光散射特性分析》中,将单一波长BRDF测量方法扩展到可见光波段的加权平均测量,利用实验测量的BRDF数值求解出卫星表面材料的BRDF的三维特性。
2008年,西安电子科技大学和安徽光机所的吴振森、曹运华、魏庆农等人在《基于粗糙样片光BRDF的空间目标可见光散射研究》中,利用遗传算法,结合实验测量的五参量BRDF模型参数,获得了目标样片平均BRDF的参量化统计模型。
结果显示因为卫星包覆材料和太阳能电池板都比较光滑,所以整个卫星的可见光散射强度仅在卫星某些面的镜反射方向有较大值,而在其它方向的值都很小。
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空间目标特性分析与成像仿真技术研究
英文题名 Small Target Characteristical Analysis and Imaging Under Space Clutter 关键词运动特性; 温度场; 动能拦截器; 探测距离; 信噪比; 英文关键词 movement characteristics; temperature field; EKV; detection distance; signal-to-noise ratio; 中文摘要大气层外动能拦截弹在进行弹道导弹防御以及空间对抗环境中,大量采用了可见光红外等光学成像探测器。
分析与研究空间目标在光学探测器上的成像特征,是实现空间目标探测、识别以及系统评估的关键。
空间目标特性分析与成像仿真技术是一项综合讨论空间目标所处环境状态、目标材料特征、目标形状特征、目标运动姿态变化特征、热辐射特征、空间辐射传输理论、探测器性能以及目标成像特点的课题,是为进行空间目标检测以及识别而开展的先导性研究。
本课题立足于理论建模,对空间目标在探测器中的成像特性进行研究,最后得到包含目标以及诱饵在内的红外图像序列。
论文的主要研究内容如下: 1、提出矢量分解与坐标系映射法,很好的解决了空间非圆对称凸体目标在同时受到自旋运动以及进动影响下的面元法线方向的变化建模难题。
2、提出目标中心坐标系,研究了在此坐标系中各种辐照的实时方向矢量计算方法,详细推算了太阳高度角以及方位角。
采用面元分割法,分析了空间凸体目标的表面几何结构。
3、建立了矢量表示的面元热平衡方程,对方程中的多项参数计算进行了优化,大大减少了计算量。
4、研究了温度对于光谱辐射亮度的影响。
为得到较高信杂比,提出最优... 英文摘要Many visiable light and infrared detectors have been adopted for Exoatomospheric Kill Vehicle(EKV) usage in Ballistic Missle Defence and Space Countermeasure. Optical characteristics’analyse and study of spacial targets in the view field of EKV is the key technology for target detection, target identification and system efficiency estimation 摘要 9-10 ABSTRACT 10 第一章绪论 11-16 1.1 课题背景 11-12 1.2 国内外研究现状 12-14 1.3 课题的主要研究内容 14-15 1.4 本文的篇章结构安排 15-16 第二章空间目标的运动特性分析 16-35 2.1 引言 16 2.2 目标中心坐标系以及面元分割16-19 2.3 空间目标的几何模型分析 19-33 2.3.1 太阳光照模型 20-24 2.3.2 目标运动模型 24-
31 2.3.3 目标辐射成像模型 31-33 2.4 小结 33-35 第三章空间目标的温度特性分析 35-59 3.1 引言 35 3.2 目标面元受热模型 35-41 3.2.1 太阳直接辐照功率
36 3.2.2 地球自身辐照功率 36-38 3.2.3 地球反射太阳光辐射功率 38-39 3.2.4 目标对外能量辐射功率 39 3.2.5 目标升温吸热内能增加 39-
40 3.2.6 目标表面各个面元温度不均引起的传热效应 40-
41 3.2.7 目标自身的内部器械产生的热能
41 3.2.8 热平衡方程 41 3.3 目标温度特性仿真 41-53 3.3.1 球形目标 42-44 3.3.2 锥形目标44-46 3.3.3 碎片目标 46-48 3.3.4 三角棱台目标 48-53 3.4 空间目标辐射成像分析 53-
57 3.4.1 目标波段因素 53-56 3.4.2 探测
器的入瞳能量计算 56-57 3.5 小结 57-59 第四章空间小目标成像仿真 59-80 4.1 引言 59-60 4.2 光电探测转换技术 60-
68 4.2.1 探测器响应特性 60-61 4.2.2 探测器噪声特性 61-63 4.2.3 探测器非均匀性 63-
65 4.2.4 探测器成像距离分析 65-66 4.2.5 探测器散焦模糊 66-67 4.2.6 几种典型光电探测器各项属性67-68 4.3 空间三角棱台光学信号仿真 68-76 4.3.1 棱台目标空间辐射变化 68-73 4.3.2 EKV 红外成像序列 73-76 4.4 作用距离分析 76-79 4.5 小结 79-80 结束语 80-82 致谢 82-83 参考文献 83-86 3.3.3 碎片目标 46-
48 3.3.4 三角棱台目标 48-53 3.4 空间目标辐射成像分析 53-57 3.4.1 目标波段因素 53-
56 3.4.2 探测器的入瞳能量计算 56-57 3.5 小结
57-59 第四章空间小目标成像仿真 59-80 4.1 引言 59-
60 4.2 光电探测转换技术 60-68 4.2.1 探测器响应特性 60-61 4.2.2 探测器噪声特性 61-
63 4.2.3 探测器非均匀性 63-65 4.2.4 探测器成像距离分析 65-66 4.2.5 探测器散焦模糊 66-
67 4.2.6 几种典型光电探测器各项属性 67-68 4.3 空间三角棱台光学信号仿真 68-76 4.3.1 棱台目标空间辐射变化 68-73 4.3.2 EKV 红外成像序列 73-76 4.4 作用距离分析 76-79 4.5 小结 79-80 结束语 80-82 致谢 82-83 参考文献 83-86 3.3.3 碎片目标 46-48 3.3.4 三角棱台目标 48-53 3.4 空间目标辐射成像分析 53-
57 3.4.1 目标波段因素 53-56 3.4.2 探测器的入瞳能量计算 56-57 3.5 小结 57-59 第四章空间小目标成像仿真 59-80 4.1 引言 59-60 4.2 光电探测转换技术 60-
68 4.2.1 探测器响应特性 60-61 4.2.2 探测器噪声特性 61-63 4.2.3 探测器非均匀性 63-
65 4.2.4 探测器成像距离分析 65-66 4.2.5 探测器散焦模糊 66-67 4.2.6 几种典型光电探测器各项属性67-68 4.3 空间三角棱台光学信号仿真 68-76 4.3.1 棱台目标空间辐射变化 68-73 4.3.2 EKV 红外成像序列 73-76 4.4 作用距离分析 76-79 4.5 小结 79-80 结束语 80-82 致谢 82-83 参考文献 83-86。