空间目标的红外特性建模与仿真
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。由于空间目标工作环境为太空环境，受到太阳辐射、地球反射太阳辐射以及地
球自身辐射等空间轨道外热流因素，以及目标自身复杂因素的综合影响，卫星红外 辐射特性的影响因素非常复杂。若纯粹依靠试验，不仅耗时、费用昂贵，而且试验 次数有限，不能测试分析各种复杂条件下的卫星红外辐射特性，不能满足实际需求。 以传热学为基础的空间目标红外成像仿真，可有效模拟各种复杂条件下的卫星红外 辐射特性，研究其辐射特性的形成机理、确定其光谱范围及峰值波长、描绘其光谱 特性曲线。其研究成果将为天基空间目标红外成像探测器的选型、技术指标的确定， 空间目标的自动识别提供技术储备。
Infrared imaging system
II
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。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。
关键词：空间目标
红外成像仿真
星空背景
卫星
红外特性
成像系统
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
Research on infrared characteristics and modeling technique of space target is valuable in applications of space technique, communications and navigates, remote sensor. This paper aims at research on infrared characteristics of space target, combining orbit trait
of space target and the working of the optic detectors, and analyzes the infrared
characteristics of typical space target and its background, then establishes infrared simulation model of the target. The main jobs of this paper include: 1. Research on infrared scene of space background Research on infrared scene of space background mainly means the infrared scene of the stars background. Using low-resolution infrared star datasheet, the infrared scene images of stars were generated by correction of precession and a series of transformation of coordinates. 2. Research on infrared characteristics of space target The principle of satellite infrared spectrum is discussed. The infrared characteristics of satellite contain the reflection and the radiation aspects. The reflect characteristic includes the reflection of sun and earth. The study on infrared radiant characteristics includes two processes. First, considering the influences of heat flux of space orbit, selfirradiation of satellite's surface and heat load, the model to calculate the temperature of satellite is developed, and then the temperature distribution of the whole satellite is calculated and analyzed, while the satellite is working in obit. Second, the models to calculate infrared radiance and spectral infrared radiance are developed separately, also the curve of spectral infrared characteristic of satellite, received by the detector, is obtained, and the infrared image of the satellite target is obtained. Finally the effect of optic system and detector is simulated by their MTF, and then the synthesizing images of space target and background are generated. Key words：Space target Satellite Infrared image simulation Infrared characteristics Star background
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有 权 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 ， 允 许 论 文 被查 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 华 中 科 技 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 可 以 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编本学位论文。 保密 □， 本论文属于 不保密 □。 在 年解密后适用本授权书。
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指导教师签名： 日期： 年 月 日
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文Fra bibliotek1 绪
1.1 课题背景
论
随着全球太空资源开发热潮的进一步高涨和未来太空作战趋势的加剧，地球外 层空间正逐步变成新的军事斗争领地，利用和控制空间将直接影响战争并决定战争 的进程乃至胜负，因此空间目标探测技术已越来越受到重视[1]。 空间目标主要指各种卫星，包括成像侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星 和导弹预警卫星，也包括各种空间碎片，如进入空间轨道的助推火箭等。空间目标 探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪，确定可能对航天系统构成 威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性；对目标特性数据进行 归类和分发。由于传统的对空间目标的地基探测易受气象、地理位置和时间的限制 的缺点，使得天基空间目标探测系统成为未来进行空间目标探测和跟踪的重要发展 方向，也使得在国内开展建立空间机动平台的计划具有重要的战略意义。 对于空间目标的红外成像仿真的研究，是根据空间机动平台的应用需求，依据 天基环境和光学探测器的工作方式，结合空间机动平台和空间目标的轨道特点，分 析典型空间在轨目标的红外特性，从而建立相应的目标红外特性仿真模型，研究其 在红外谱段的可探测性。作为一种重要光学探测手段，红外成像探测具有对目标背 景温差的高敏感性、探测手段的隐蔽性等优点，是一种非常理想的卫星探测手段
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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
华中科技大学 硕士学位论文 空间目标的红外特性建模与仿真 姓名：曾翀 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：田金文;张钧 20081224
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘
要
空间目标的红外特性建模与仿真研究在航天技术、通讯导航、遥感探测等领域 有着重要的应用价值。本文以空间目标红外特性研究为主要内容，结合空间目标的 轨道特点和光学探测器的工作方式，分析典型空间目标和背景环境的红外特性，从 而建立相应的目标红外特性仿真模型。内容主要包括： （1）太空背景红外场景建模 太空背景红外场景建模主要对星空红外点光源场景建模。在星空点光源红外场 景建模方面，采用低分辨率红外星表数据，通过对星表数据的岁差修正与一系列空 间坐标变换，模拟生成星空点光源红外场景图像。 （2）空间目标红外特性研究与仿真 以空间卫星为目标，首先研究了其红外特性形成的机理。卫星的红外特性包括 反射特性和辐射特性。反射方面，主要包括对太阳辐射、地球反射的太阳辐射以及 地球自身辐射的反射。辐射特性建模方面分两个步骤：一是考虑空间轨道外热流、 卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响，建立了卫星温度计算模型，并对卫星在轨 飞行期间的温度水平进行了分析和研究；二是建立了卫星红外辐射亮度计算模型和 卫星红外光谱特性计算模型，并计算得到了探测器接收到的卫星红外光谱特性曲 线，生成了卫星目标的红外图像。 最后，采用基于调制传递函数的方法模拟光学系统和探测器的效应，生成卫星 目标与太空背景的红外合成图像。
对于200个不同波长的采样点分别取出属于35m波段的7个点和属于81221华华中科中科技技大学硕士学位论大学硕士学位论文文表31lrsdat文件数据格式字节数1111218192526343543445253616263646566676869707172737475768188899697100101104105114115124125134135144145149150160161560561960数据格式a11i8i9e93e93e93e93i2i2i2i2i1i1i2i2i1i8i8i4i4e103e103e103e103f52e115100i4100i4数据单位jyjyjyjywm2um描述irashmsf12f25f60f100nlrsnsp1nsp2lrscharspqual1spqual2varnididtypebline1bline2noise1noise2snr1snr2asymm1asymm2sratioscalelrs1lrs2备注iras星源名称赤经赤纬12um流量密度25um流量密度60um流量密度100um流量密度重要低分辨光谱数813umband公认的光谱数1122umband公认的光谱数lrs光谱分类813um流量质量1122um流量质量可变性assocdat中相关星源的数量相关类型813um平均抽样1122um平均抽样813um均方噪声1122um均方噪声813um信噪比1122um信噪比813um不对称性1122um不对称性12um流量密度比率所有流量密度比率因子813um按比例缩放的照度数据1122um按比例缩放的照度数据m的28个点按照近似公式5335iifdf?和128812iifdf?计算
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。由于空间目标工作环境为太空环境，受到太阳辐射、地球反射太阳辐射以及地
球自身辐射等空间轨道外热流因素，以及目标自身复杂因素的综合影响，卫星红外 辐射特性的影响因素非常复杂。若纯粹依靠试验，不仅耗时、费用昂贵，而且试验 次数有限，不能测试分析各种复杂条件下的卫星红外辐射特性，不能满足实际需求。 以传热学为基础的空间目标红外成像仿真，可有效模拟各种复杂条件下的卫星红外 辐射特性，研究其辐射特性的形成机理、确定其光谱范围及峰值波长、描绘其光谱 特性曲线。其研究成果将为天基空间目标红外成像探测器的选型、技术指标的确定， 空间目标的自动识别提供技术储备。
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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。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。
关键词：空间目标
红外成像仿真
星空背景
卫星
红外特性
成像系统
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Abstract
Research on infrared characteristics and modeling technique of space target is valuable in applications of space technique, communications and navigates, remote sensor. This paper aims at research on infrared characteristics of space target, combining orbit trait
of space target and the working of the optic detectors, and analyzes the infrared
characteristics of typical space target and its background, then establishes infrared simulation model of the target. The main jobs of this paper include: 1. Research on infrared scene of space background Research on infrared scene of space background mainly means the infrared scene of the stars background. Using low-resolution infrared star datasheet, the infrared scene images of stars were generated by correction of precession and a series of transformation of coordinates. 2. Research on infrared characteristics of space target The principle of satellite infrared spectrum is discussed. The infrared characteristics of satellite contain the reflection and the radiation aspects. The reflect characteristic includes the reflection of sun and earth. The study on infrared radiant characteristics includes two processes. First, considering the influences of heat flux of space orbit, selfirradiation of satellite's surface and heat load, the model to calculate the temperature of satellite is developed, and then the temperature distribution of the whole satellite is calculated and analyzed, while the satellite is working in obit. Second, the models to calculate infrared radiance and spectral infrared radiance are developed separately, also the curve of spectral infrared characteristic of satellite, received by the detector, is obtained, and the infrared image of the satellite target is obtained. Finally the effect of optic system and detector is simulated by their MTF, and then the synthesizing images of space target and background are generated. Key words：Space target Satellite Infrared image simulation Infrared characteristics Star background
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有 权 保 留 并 向 国 家 有 关 部 门 或 机 构 送 交 论 文 的 复 印 件 和 电 子 版 ， 允 许 论 文 被查 阅 和 借 阅 。 本 人 授 权 华 中 科 技 大 学 可 以 将 本 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 可 以 采 用 影 印 、 缩 印 或 扫 描 等 复 制 手 段 保 存 和 汇 编本学位论文。 保密 □， 本论文属于 不保密 □。 在 年解密后适用本授权书。
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1.1 课题背景
论
随着全球太空资源开发热潮的进一步高涨和未来太空作战趋势的加剧，地球外 层空间正逐步变成新的军事斗争领地，利用和控制空间将直接影响战争并决定战争 的进程乃至胜负，因此空间目标探测技术已越来越受到重视[1]。 空间目标主要指各种卫星，包括成像侦察卫星、电子侦察卫星、海洋监视卫星 和导弹预警卫星，也包括各种空间碎片，如进入空间轨道的助推火箭等。空间目标 探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪，确定可能对航天系统构成 威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性；对目标特性数据进行 归类和分发。由于传统的对空间目标的地基探测易受气象、地理位置和时间的限制 的缺点，使得天基空间目标探测系统成为未来进行空间目标探测和跟踪的重要发展 方向，也使得在国内开展建立空间机动平台的计划具有重要的战略意义。 对于空间目标的红外成像仿真的研究，是根据空间机动平台的应用需求，依据 天基环境和光学探测器的工作方式，结合空间机动平台和空间目标的轨道特点，分 析典型空间在轨目标的红外特性，从而建立相应的目标红外特性仿真模型，研究其 在红外谱段的可探测性。作为一种重要光学探测手段，红外成像探测具有对目标背 景温差的高敏感性、探测手段的隐蔽性等优点，是一种非常理想的卫星探测手段
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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
华中科技大学 硕士学位论文 空间目标的红外特性建模与仿真 姓名：曾翀 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：田金文;张钧 20081224
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘
要
空间目标的红外特性建模与仿真研究在航天技术、通讯导航、遥感探测等领域 有着重要的应用价值。本文以空间目标红外特性研究为主要内容，结合空间目标的 轨道特点和光学探测器的工作方式，分析典型空间目标和背景环境的红外特性，从 而建立相应的目标红外特性仿真模型。内容主要包括： （1）太空背景红外场景建模 太空背景红外场景建模主要对星空红外点光源场景建模。在星空点光源红外场 景建模方面，采用低分辨率红外星表数据，通过对星表数据的岁差修正与一系列空 间坐标变换，模拟生成星空点光源红外场景图像。 （2）空间目标红外特性研究与仿真 以空间卫星为目标，首先研究了其红外特性形成的机理。卫星的红外特性包括 反射特性和辐射特性。反射方面，主要包括对太阳辐射、地球反射的太阳辐射以及 地球自身辐射的反射。辐射特性建模方面分两个步骤：一是考虑空间轨道外热流、 卫星表面自身辐射、热载荷等因素影响，建立了卫星温度计算模型，并对卫星在轨 飞行期间的温度水平进行了分析和研究；二是建立了卫星红外辐射亮度计算模型和 卫星红外光谱特性计算模型，并计算得到了探测器接收到的卫星红外光谱特性曲 线，生成了卫星目标的红外图像。 最后，采用基于调制传递函数的方法模拟光学系统和探测器的效应，生成卫星 目标与太空背景的红外合成图像。
对于200个不同波长的采样点分别取出属于35m波段的7个点和属于81221华华中科中科技技大学硕士学位论大学硕士学位论文文表31lrsdat文件数据格式字节数1111218192526343543445253616263646566676869707172737475768188899697100101104105114115124125134135144145149150160161560561960数据格式a11i8i9e93e93e93e93i2i2i2i2i1i1i2i2i1i8i8i4i4e103e103e103e103f52e115100i4100i4数据单位jyjyjyjywm2um描述irashmsf12f25f60f100nlrsnsp1nsp2lrscharspqual1spqual2varnididtypebline1bline2noise1noise2snr1snr2asymm1asymm2sratioscalelrs1lrs2备注iras星源名称赤经赤纬12um流量密度25um流量密度60um流量密度100um流量密度重要低分辨光谱数813umband公认的光谱数1122umband公认的光谱数lrs光谱分类813um流量质量1122um流量质量可变性assocdat中相关星源的数量相关类型813um平均抽样1122um平均抽样813um均方噪声1122um均方噪声813um信噪比1122um信噪比813um不对称性1122um不对称性12um流量密度比率所有流量密度比率因子813um按比例缩放的照度数据1122um按比例缩放的照度数据m的28个点按照近似公式5335iifdf?和128812iifdf?计算
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