专利名称：地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法
技术领域：
本发明涉及基于点目标的地气杂散光引起的低轨空间相机光学遥感器像面的杂散光照度的计算方法，具体涉及一种把地球看做扩展面杂光源的杂散光照度计算方法。
背景技术：
在低轨空间环境中存在大量的碎片与残骸等人造空间目标，严重威胁空间飞行器的飞行安全，并且对新卫星的发射也存在潜在的威胁，因此，对低轨空间目标进行光电探测与识别具有重要的意义。空间目标本身不发光，只能利用其反射太阳光的特性进行探测，因此目标信号较弱，并且由于目标的尺寸小，在探测器靶面上成点像，与背景对比度较小。为了使光电探测系统满足一定的信噪比，实现对目标的探测，要求光电探测系统具有很高的杂光抑制能力。对于空间相机,工作时视场外的太阳光、地物散射光和大气漫射光等外部辐射源·可能直接或间接地在探测器像面形成杂光，产生假信号，使观测相机像面的对比度和信噪比下降，降低其探测性能，某些情况下甚至会造成系统失效，故正确分析这些杂光源在相机像平面的杂光照度至关重要。在空间光学遥感器杂光分析中，通常把杂光光源作为空间相机视场外的点光源来分析其在像平面的杂光照度。对于太阳、月光等强烈的杂光源，由于距离空间相机很远，可以作为点杂源来计算其对相机的杂光影响，但对于作为重要杂光源的地气杂散光，由于卫星高度只有几百公里，远小于地球半径，目前将地球作为点杂源进行计算，造成的结果是其在相机入口的照度值的相对误差已经大于10%，甚至因误差过大而无法进行计算分析。

发明内容
本发明的目的是提供一种地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法。以克服现有方法存在的计算误差大、甚至无法检测的缺点。·
为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法，依次包括下述步骤将地球球面分为若干单位面元以作为点杂源，面元的边长远小于卫星轨道高度；根据立体角投影定理将地球球面简化为平面模型，用于简化面积分计算的复杂度；确定平面M内的有效杂光区域，用于确定对空间相机光学遥感器像面的杂散光有效区域；计算有效杂光区域内各面元在空间相机入口垂直于入射方向的照度Δ兄；计算空间相机在不同方位角和离轴角下对应的点光源透过率系数值；计算平面M内有效杂光区域的地气光在像面的杂光照度Σ NEs PST{co，a )。本发明不再把地球看成一个点杂源，而是将其作为一个扩展面杂光源来进行检测分析，因此与现有技术相比，本发明的优点是
I、考虑因素全面、精度高当目标点与圆盘朗伯辐射体的距离小于10倍圆盘半径时，按点杂源计算的辐照度相对误差大于10%，相机的高度只有数百公里，远小于地球半径(约为6370km)，故现有的基于点杂源的计算方法误差非常大；本发明把地球作为扩展面杂源计算地气杂散光引起的低轨空间相机光学遥感器像面的杂散光照度，考虑因素全面，因此精度显然远高于现有方法。2、本发明中采用立体角投影定理把地球球面模型简化为平面模型，在计算精度影响很小的情况下，简化了计算的复杂性。3、可用于地气杂散光在光学遥感器入口(遮光罩)处的杂散光分析，为光学遥感器的光学系统设计提供杂光干扰分析依据。


图I是建立的相机杂光分析模型 图2是地球背景杂光分析示意 图3是地球有效杂光区域示意图；
图4是利用立体角投影定理投影后的平面简化模型 图5是面兀売度计算简 图6是相机视场外的离轴角PST曲线。附图标记说明如下
I-地球 2-空间相机
具体实施例方式 下面结合附图对本发明做详细说明。本发明提供一种地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法。具体步骤包括将地球球面分为若干单位面元以作为点杂源；根据立体角投影定理将地球球面简化为平面模型；确定平面M内的有效杂光区域，用于确定对空间相机光学遥感器像面的杂散光有效区域；计算有效杂光区域内各面元在空间相机入口垂直于入射方向的照度NEs ;计算空间相机在不同方位角和离轴角下对应的点光源透过率系数a )值；计算平面M内有效杂光区域的地气光在像面的杂光照度Σ NEs PST{co，a)。以下见通过具体的实施例对本发明的检测方法进行说明
参见图1，本实施例中，相机参数为卫星运行在轨道高度为500km的太阳同步轨道的晨昏轨道，相机上翘角为0°，相机的焦距为400mm，F数为2，光谱范围在450nm 900nm。相机的光学结构为马克苏托夫形式，主镜的外遮光罩及内遮光罩的长度设计标准是不遮拦视场内的成像光线并且能避免一次杂光进入像面。参见图2，将地球表面分成若干小面元，面元的边长远小于卫星轨道高度，即可以把该面元看作一个点杂源计算其对空间相机的杂散光照度。假设球面上单位面元的面积为Δ疋,将球面上的面元Δ疋投影到平面M，则球面面元AAs对相机入口面的立体角等于面元AAs在平面上的投影AAs'对相机入口面所张的立体角。根据立体角投影定理，假设面元对相机入口处的立体角为AOs。面元与相机入口的距离为7，Θ为面元与相机入口连线和面元法线的夹角，面元的亮度为4，则面元在相机入口处垂直入射方向上的面照度Λ兄为ABs=Ls A Os0参见图3和图4，有效杂光入射区域是指既被太阳照射，同时又能入射到相机入口的地球表面区域。能进入到相机入口的地球有效杂光面元在0° 范围内。Φ祖为地球光入射的最大临界角，可表示为0 max=arcsin [Rm / (Τ Λ +功]，其中为地球的平均半径，近似为6370km，假设轨道高度为500km，则0max = 68°。利用立体角投影定理将0° 68°的地球面元投影到平面M内，投影后的图参见图5，网格部分为有效杂光区域。有效杂光区域的最大半径rmax为rmax=/P地cos0max 乂 2386km，因此在M平面内进入相机入口面的有效杂光区域为{Cr，_F)ke
，尸±(rmax2 - /)°_5}。将平面M有效杂光区划分为多个小面元，假设单个面元的边长为a，对于平面M的有效杂光区的任意面元A Cr，_f)，在入射相机入口面处垂直入射方向的照度Λ兄可表示为· Λ疋'cos Θ丨11' 2。参见图5，对于平面M内的点ACr，_F)的亮度值对应为地球上A' {x' ,y')的亮度值。设A' Cr'，y )所在球壳的半径为r'，则r' /r=[500+7 tt-(TPtt- r' 2)α5]//Τ，可解得r ’。k丨{x' ,y')对应的地球表面面元的太 阳高度角可表示为 sin ξ ^sinc sin δ +sinc^cos δ cost
其中“为太阳高度角，δ表示太阳直射纬度，Φ表示地球面元的纬度，t表示地方时(时角)，( r' / Rit), i=arctg x' /y' =arctg ζ/>。对于确定的平面内面元ACt，_f)，可由前面三式可计算出其对应的球面面元的太阳高度角，因此，面元A' Cr'，Jr丨)的亮度Zs可由式Zs=AsunP sin ξ J η计算，Asun为太阳在地球大气层顶部的入射照度，P为地球表面平均反射率。故当卫星轨道参数确定后，平面有效杂光区域中各面元在相机入口面沿垂直入射方向上的照度可通过^2Siniy3I {H' 2^r2+/) 15进行计算。点源透过率是目前提出的衡量杂散光抑制水平的一个重要指标，其定义为光学系统视场外视场角为β的点杂源目标的辐射，经光学系统后，在像面产生的辐照度Ε {θ)与其在光学系统入口处辐照度尽(〃)的比值，即/^^=^(〃)/^(0)，点源透过率mr体现了光学系统本身对点杂源的衰减能力，而与杂光源的辐射强度无关，越小，系统杂光抑制能力越强。对于平面M内的各面元ACr，_F)，对光学系统建模后，利用现有的光路追迹蒙特卡洛数值模拟法进行光线追迹，从而计算出对应在不同方位角OJ下不同离轴角a的面元处光学系统的〃)。平面M内有效杂光区域各面元在相机像面产生的杂光照度E(H)为E{x，y) 二〃)，对有效杂光区域进行积分就可以得到整个地气光在像面的杂光照度Σ ABfST(ω, α)0假设地球是一个朗伯体，地球的反照率为O. 3，太阳直射点在赤纬。首先将投影平面M内有效杂光区域的面元划分为边长A7=rmax/100=23. 86km的正方形，因此，有效杂光区域近似划分为100X 100个面元，根据计算的面元照度及面元方向对应相机的值，由公式EijdKEiPSnoj，a)可计算出100X100个杂光面元在相机入口垂直入射方向的照度。按照公式Σ ΑΒ^Τ(ω, a)对100 X 100个面元在相机入口垂直入射方向的照度求和，即可求出整个地球杂光区域在相机相面的照度为2. 9X 10_4w/m2。
权利要求
1.一种地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法，依次包括下述步骤将地球球面分为若干单位面元以作为点杂源，面元的边长远小于卫星轨道高度；根据立体角投影定理将地球球面简化为平面模型，用于简化面积分计算的复杂度；确定平面M内的有效杂光区域，用于确定对空间相机光学遥感器像面的杂散光有效区域；计算有效杂光区域内各面元在空间相机入口垂直于入射方向的照度△兄；计算空间相机在不同方位角和离轴角下对应的点光源透过率系数a )值；计算平面M内有效杂光区域的地气光在像面的杂光照度万杂=Σ NEs PSTico，a)。
全文摘要
本发明涉及基于点目标的地气杂散光引起的低轨空间相机光学遥感器像面的杂散光照度的计算方法，具体涉及一种地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法。本发明的目的是提供一种地气杂散光对低轨空间相机的杂散光照度分析方法。以克服现有方法存在的计算误差大、甚至无法检测的缺点。为克服现有技术存在的问题，本发明提供的技术方案是本发明不再把地球看成一个点杂源，而是将其作为一个扩展面杂光源来进行检测分析。本发明考虑因素全面、精度高，简化了计算的复杂性。
文档编号G01J1/00GK102928075SQ201210411298
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月25日 优先权日2012年10月25日
发明者杜玉军, 辛维娟, 贺应红, 陈海滨, 吕宏, 高明, 王青松, 李建超 申请人:西安工业大学