小行星天基光学监测信噪比分析

王新涛; 郑建华; 李明涛

doi:10.37188/OPE.20212912.2763

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

小行星天基光学监测信噪比分析

现代应用光学 | 更新时间：2022-01-07

- 小行星天基光学监测信噪比分析
- Analysis of signal-to-noise ratio for space-based optical surveillance of asteroids
- 光学精密工程 2021年29卷第12期页码：2763-2773
- 作者机构：
  
  1.中国科学院国家空间科学中心，北京 101499
  2.中国科学院大学，北京 100049
- 作者简介：
  
  [ "王新涛（1995-），男，山东青岛人，博士研究生，2017年于北方工业大学获得学士学位，主要研究方向为小行星监测预警、轨道确定和卫星轨道动力学。E-mail：wangxintao17@mails.uca s.ac.cn" ]
  [ "李明涛（1982-），男，河南商丘人，研究员，博士生导师，2005年于西北工业大学获得学士学位，2010年于中国科学院研究生院获得博士学位，主要从事航天动力学与控制、行星防御与利用方面的研究。E-mail：limingtao@nssc.ac.cn" ]
- 基金信息：
  
  北京市重大科技专项课题资助项目(Z181100002918004);空间科学预先研究项目(XDA1502030502;XDA15014900)
- DOI：10.37188/OPE.20212912.2763
  中图分类号： P185.7
- 收稿日期：2021-04-29，
  
  修回日期：2021-05-28，
  
  纸质出版日期：2021-12-15
- 稿件说明：
移动端阅览
王新涛,郑建华,李明涛.小行星天基光学监测信噪比分析[J].光学精密工程,2021,29(12):2763-2773.

WANG Xin-tao,ZHENG Jian-hua,LI Ming-tao.Analysis of signal-to-noise ratio for space-based optical surveillance of asteroids[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(12):2763-2773.
王新涛,郑建华,李明涛.小行星天基光学监测信噪比分析[J].光学精密工程,2021,29(12):2763-2773. DOI： 10.37188/OPE.20212912.2763.

WANG Xin-tao,ZHENG Jian-hua,LI Ming-tao.Analysis of signal-to-noise ratio for space-based optical surveillance of asteroids[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(12):2763-2773. DOI： 10.37188/OPE.20212912.2763.

摘要

针对小行星天基光学监测中的可见性问题，基于辐射度传输理论，引入黄道光和银道光亮度模型，建立了小行星天基光学监测的信噪比模型。结合设计的可见光传感器和望远镜的性能参数，计算了目标小行星相对望远镜的信噪比和视星等随时间的变化；考虑极限信噪比和太阳规避角，计算了地球领航轨道可见光望远镜对不同直径小行星的极限监测距离；改变小行星的物理参数，研究了信噪比和视星等对小行星物理参数的敏感性。结果表明：目标小行星在给定的场景时间内相对望远镜距离增大了约0.09AU，视星等增大了约0.51，目标小行星在口径为0.7 m的望远镜中信噪比减小了约3.78；由于观测天区覆盖地球周围0.05AU的空间，在地球领航轨道部署可见光望远镜预警来自太阳方向的小行星具有明显的优势，能为直径20 m的小行星提供750万公里的预警距离；在可见光波段，小行星的信噪比和视星等对反照率敏感，对温度和发射率不敏感。所建立的小行星天基光学监测信噪比模型可为小行星天基光学监测的信噪比动态分析和预警距离评估提供理论依据。

Abstract

To investigate asteroid visibility in space-based optical surveillance using the radiative transfer theory， a brightness model of zodiacal and galactic light was introduced， and a signal-to-noise ratio （SNR） model for space-based asteroid surveillance was established. Combining the designed visible sensor with telescope performance parameters， the SNR and apparent magnitude of the target asteroid relative to the telescope over time were simulated. By considering the minimum SNR and solar avoidance angle， the maximum surveillance distance of a visible telescope deployed on an Earth-leading heliocentric orbit for asteroids of different diameters was calculated. The sensitivity of the SNR and apparent magnitude to the physical parameters of the asteroids was studied by changing the physical parameters of the asteroids. The results show that the distance of the asteroid relative to the telescope increased by approximately 0.09 AU， the apparent magnitude of the asteroid increased by approximately 0.51， and the SNR of the asteroid relative to a telescope with an aperture of 0.7 m decreased by approximately 3.78 during the period under observation. Owing to good coverage of the vicinity around the Earth with a radius of 0.05 AU， there is a unique advantage for visible telescopes deployed on Earth-leading heliocentric orbits to warn of asteroids approaching from the sunward direction； they can provide an early warning distance of 7.5 million km for asteroids with a diameter of 20 m. In the visible light band， the SNR and apparent magnitude of asteroids are sensitive to the visual albedo but not to the temperature and visual emissivity. The model established in this study provides a theoretical basis for the dynamic analysis of the SNR and the assessment of early warning distances for space-based optical surveillance of asteroids.

关键词

Keywords

references

李振伟，张涛，张楠，等 . 暗弱空间目标的高精度定位［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 9 ）： 2627 - 2634 . doi: 10.3788/ope.20152309.2627 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20152309.2627

LI ZH W ， ZHANG T ， ZHANG N ， et al . High precision orientation of faint space objects ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 9 ）： 2627 - 2634 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20152309.2627 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20152309.2627

王秀红，李俊峰，王彦荣 . 天基照相机监测空间目标定轨方法及精度分析［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 6 ）： 1394 - 1403 . doi: 10.3788/OPE.20132106.1394 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20132106.1394

WANG X H ， LI J F ， WANG Y R . Orbit determination and precision analysis of space object with space-based camera ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 6 ）： 1394 - 1403 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20132106.1394 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20132106.1394

李振伟，张涛，孙明国 . 星空背景下空间目标的快速识别与精密定位［J］. 光学精密工程， 2015 ， 23 （ 2 ）： 589 - 599 . doi: 10.3788/OPE.20152302.0589 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152302.0589

LI ZH W ， ZHANG T ， SUN M G . Fast recognition and precise orientation of space objects in star background ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2015 ， 23 （ 2 ）： 589 - 599 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20152302.0589 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20152302.0589

金伟其 . 辐射度光度与色度及其测量［M］. 北京：北京理工大学出版社， 2016 .

JIN W Q . Photometry ， Radiometry ， Colorimetry & Measurement ［M］. Beijing ： Beijing Insititute of Technology Press ， 2016 . （in Chinese）

郝允祥，陈遐举，张保洲 . 光度学［M］. 北京：中国计量出版社， 2010 .

HAO Y X ， CHEN X J ， ZHANG B ZH . Photometry ［M］. Beijing ： China Metrology Publishing House ， 2010 . （in Chinese）

LYZHOFT J ， BASART J ， WIE B . A new terminal guidance sensor system for asteroid intercept or rendezvous missions ［J］. Acta Astronautica ， 2016 ， 119 ： 147 - 159 . doi: 10.1016/j.actaastro.2015.11.019 http://dx.doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.11.019

王书宏，胡谋法，陈曾平 . 天文CCD相机的噪声分析与信噪比模型的研究［J］. 半导体光电， 2007 ， 28 （ 5 ）： 731 - 734 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5868.2007.05.033 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5868.2007.05.033

WANG SH H ， HU M F ， CHEN Z P . Noise analysis and the study of SNR model on the astronomical CCD camera ［J］. Semiconductor Optoelectronics ， 2007 ， 28 （ 5 ）： 731 - 734 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5868.2007.05.033 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5868.2007.05.033

胡琸悦，陈凡胜 . 可见/红外传感器对深空小行星目标的探测能力的研究［C］. 第二届中国空天安全会议论文集. 大连， 2017 ： 232 - 238 .

HU ZH Y ， CHEN F SH . Study on the Detection Capability of Visible/Infrared Sensor to Deep Space Asteroid Target ［C］. Proceedings of the 2nd Chinese Aerospace Safety Symposium . Beijing ： Chinese Institute Command and Control ， 2017 ： 122 - 127 . （in Chinese）

孙成明，袁艳，赵飞 . 空间目标天基成像探测信噪比分析［J］. 红外与激光工程， 2015 ， 44 （ 5 ）： 1654 - 1659 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.05.046 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2015.05.046

SUN CH M ， YUAN Y ， ZHAO F . Analysis of SNR for space-based imaging detection of space object ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2015 ， 44 （ 5 ）： 1654 - 1659 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2015.05.046 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2015.05.046

张科科，傅丹鹰，周峰，等 . 空间目标可见光相机探测能力理论计算方法研究［J］. 航天返回与遥感， 2006 ， 27 （ 4 ）： 22 - 26 . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2006.04.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2006.04.005

ZHANG K K ， FU D Y ， ZHOU F ， et al . The study on detect ability calculation method of space object visible camera ［J］. Spacecraft Recovery & Remote Sensing ， 2006 ， 27 （ 4 ）： 22 - 26 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1009-8518.2006.04.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1009-8518.2006.04.005

李克新，丛明煜，张伟，等 . 深空背景点目标红外序列图像生成［J］. 光学精密工程， 2009 ， 17 （ 12 ）： 3062 - 3068 . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.028 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.028

LI K X ， CONG M Y ， ZHANG W ， et al . Infrared sequence image generation of point target in deep space ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2009 ， 17 （ 12 ）： 3062 - 3068 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.028 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:1004-924X.2009.12.028

夏胜夫，陈俊宇，雷祥旭，等 . 空间碎片天基监测图像仿真研究［J］. 空间科学学报， 2020 ， 40 （ 6 ）： 1084 - 1090 . doi: 10.11728/cjss2020.06.1084 http://dx.doi.org/10.11728/cjss2020.06.1084

XIA SH F ， CHEN J Y ， LEI X X ， et al . Research on image simulation for space-based space debris surveillance ［J］. Chinese Journal of Space Science ， 2020 ， 40 （ 6 ）： 1084 - 1090 . （in Chinese） . doi: 10.11728/cjss2020.06.1084 http://dx.doi.org/10.11728/cjss2020.06.1084

杨帆，宣益民，韩玉阁 . 空间目标红外地基探测的信噪比分析［J］. 红外与激光工程， 2012 ， 41 （ 11 ）： 2879 - 2885 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.11.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2012.11.005

YANG F ， XUAN Y M ， HAN Y G . Analysis of SNR for ground-based infrared detection of space object ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2012 ， 41 （ 11 ）： 2879 - 2885 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.11.005 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2012.11.005

万志，任建伟，李宪圣，等 . 基于辐射传输模型的TDI CCD遥感相机信噪比分析［J］. 红外与激光工程， 2008 ， 37 （ 3 ）： 497 - 500， 555 . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2008.03.029 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2008.03.029

WAN ZH ， REN J W ， LI X SH ， et al . Analysis of signal-to-noise ratio for remote sensing TDI CCD camera based on radiative transfer model ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2008 ， 37 （ 3 ）： 497 - 500， 555 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2008.03.029 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1007-2276.2008.03.029

陈新锦，袁艳，李立英，等 . 目标探测的信噪比分析［J］. 应用光学， 2007 ， 28 （ 4 ）： 397 - 400 . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2007.04.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2007.04.004

CHEN X J ， YUAN Y ， LI L Y ， et al . Analysis of signal-to-noise ratio for target detection ［J］. Journal of Applied Optics ， 2007 ， 28 （ 4 ）： 397 - 400 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2007.04.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1002-2082.2007.04.004

STOKES G ， BARBEE B W ， BOTTKE W F ， et al . Update to Determine the Feasibility of Enhancing the Search and Characterization of NEOs ［EB/OL］. https：//cneos.jpl.nasa.gov/doc/neo_report2007.html.（2017-01-09） https://cneos.jpl.nasa.gov/doc/neo_report2007.html.(2017-01-09) ［ 2021-05-01 ］.

邹远磊 . 可见/红外波段黄道光光学特性分析［D］. 西安：西安电子科技大学， 2012 .

ZOU Y L . Analysis of the Characteristics of the Zodiacal Light in the Visible and lnfared Band ［D］. Xi'an ： Xidian University ， 2012 . （in Chinese）

王新涛，郑建华，李明涛 . 地球公转轨道危地小行星天基光学监测仿真研究［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2563 - 2571 . doi: 10.37188/OPE.20202811.2563 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2563

WANG X T ， ZHENG J H ， LI M T . Study on observation simulation for space-based potentially hazardous asteroids warning mission on Earth trailing heliocentric orbit ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2563 - 2571 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202811.2563 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2563

WRIGHT E L ， MAINZER A ， MASIERO J ， et al . The albedo distribution of near earth asteroids ［J］. The Astronomical Journal ， 2016 ， 152 （ 4 ）： 79 . doi: 10.3847/0004-6256/152/4/79 http://dx.doi.org/10.3847/0004-6256/152/4/79

王晓彬，黄佳宁，王翱，等 . 近地小行星基本物理性质的测光研究［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2549 - 2562 . doi: 10.37188/OPE.20202811.2549 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2549

WANG X B ， HUANG J N ， WANG A ， et al . Photometry studies of physical properties for Near-Earth asteroids ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2549 - 2562 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202811.2549 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2549

LYZHOFT J R ， KAPLINGER B D ， WIE B ， et al . GPU-based optical navigation and guidance for a hypervelocity asteroid intercept vehicle （HAIV）［C］. AIAA Guidance， Navigation， and Control （GNC） Conference. 1922，2013 ， Boston， MA. Reston， Virginia ： AIAA ， 2013 . doi: 10.2514/6.2013-4966 http://dx.doi.org/10.2514/6.2013-4966

MYHRVOLD N . Asteroid thermal modeling in the presence of reflected sunlight ［J］. Icarus ， 2018 ， 303 ： 91 - 113 . doi: 10.1016/j.icarus.2017.12.024 http://dx.doi.org/10.1016/j.icarus.2017.12.024

LASUE J ， LEVASSEUR-REGOURD A C ， RENARD J B . Zodiacal light observations and its link with cosmic dust： a review ［J］. Planetary and Space Science ， 2020 ， 190 ： 104973 . doi: 10.1016/j.pss.2020.104973 http://dx.doi.org/10.1016/j.pss.2020.104973

ROACH F E . The Light of the Night Sk y ［M］. Springer Science & Business Media ， 2013 .

LEINERT C ， BOWYER S ， HAIKALA L K ， et al . The 1997 reference of diffuse night sky brightness ［J］. Astronomy and Astrophysics Supplement Series ， 1998 ， 127 （ 1 ）： 1 - 99 . doi: 10.1051/aas:1998105 http://dx.doi.org/10.1051/aas:1998105

郑亮亮，金光，曲宏松，等 . 高信噪比星载CCD成像电路系统［J］. 光学精密工程， 2016 ， 24 （ 8 ）： 2027 - 2036 . doi: 10.3788/ope.20162408.2027 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162408.2027

ZHENG L L ， JIN G ， QU H S ， et al . Space-borne CCD imaging circuit system with high signal-to-noise ratio ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2016 ， 24 （ 8 ）： 2027 - 2036 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20162408.2027 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20162408.2027

邓昊，郑伟，李明涛，等 . 基于涨落分析的暗弱运动目标关联检测［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2517 - 2526 . doi: 10.37188/OPE.20202811.2517 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2517

DENG H ， ZHENG W ， LI M T ， et al . Dim moving target detection based on fluctuation analysis ［J］. Opt. Precision Eng.. ， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2517 - 2526 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202811.2517 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2517

杨其利，周炳红，郑伟，等 . 注意力卷积长短时记忆网络的弱小目标轨迹检测［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2535 - 2548 . doi: 10.37188/OPE.20202811.2535 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2535

YANG Q L ， ZHOU B H ， ZHENG W ， et al . Trajectory detection of small targets based on convolutional long short-term memory with attention mechanisms ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 11 ）： 2535 - 2548 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20202811.2535 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20202811.2535

鞠默然，罗海波，刘广琦，等 . 采用空间注意力机制的红外弱小目标检测网络［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 4 ）： 843 - 853 . doi: 10.37188/OPE.20212904.0843 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212904.0843

JU M R ， LUO H B ， LIU G Q ， et al . Infrared dim and small target detection network based on spatial attention mechanism ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 4 ）： 843 - 853 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212904.0843 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212904.0843

浏览量

553

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

小行星天基光学监测信噪比分析

高精度点源透过率杂光测试系统

热管理技术在紫外成像光谱仪热控制中的应用

空间摄像机热控系统设计

空间相机大功率CCD器件的热设计与热试验