邢必達(dá)，王后茂，魏 聰，鄭昌文

(1. 中國(guó)科學(xué)院軟件研究所，北京 100190；2. 北京電子工程總體研究所，北京 100854；3. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間環(huán)境探測(cè)室，北京 100190)

0 引 言

隨著空間活動(dòng)的日益頻繁和空間碎片數(shù)量的增加，對(duì)空間碎片的探測(cè)與編目愈發(fā)重要?？臻g碎片探測(cè)可通過(guò)地基和天基等平臺(tái)，利用雷達(dá)、紅外及可見(jiàn)光等多種手段，其中天基光學(xué)探測(cè)手段以其不受地球大氣影響、觀測(cè)范圍大、觀測(cè)時(shí)效性強(qiáng)、能源消耗低、探測(cè)精度高等優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外的空間碎片探測(cè)中被廣泛地應(yīng)用[1-4]。天基光學(xué)探測(cè)器在設(shè)計(jì)中大多考慮了雜光抑制的手段[2,5-7]，但在觀測(cè)中仍然可能受到雜光的影響。在觀測(cè)任務(wù)規(guī)劃中考慮較多的雜光有太陽(yáng)光、月光、地氣雜光[8-12]，而大氣輝光尤其是夜間輝光往往容易被忽略。

大氣輝光是空間光學(xué)輻射背景中重要的自然發(fā)光現(xiàn)象，主要由太陽(yáng)紫外輻射直接或間接激發(fā)大氣分子、原子而產(chǎn)生。大氣輝光輻射分為白晝輝光輻射、曙暮輝光輻射和夜間輝光輻射[9-11]。白晝輝光輻射和曙暮輝光輻射主要是被太陽(yáng)光照射的大氣產(chǎn)生的共振和熒光過(guò)程。夜間大氣輝光輻射(簡(jiǎn)稱(chēng)夜氣輝)主要是被太陽(yáng)光白天照射破壞的高層大氣中的分子在溫度降低重新復(fù)合或多種粒子相互碰撞時(shí)而產(chǎn)生的輻射[13]。

可見(jiàn)光近紅外夜氣輝主要分布在80～500 km高度，輻射較強(qiáng)的主要有557.7 nm,630.0 nm,777.4 nm, 844.6 nm和氧氣(0-0, 762 nm)等譜線。在高度上，557.7 nm和氧氣(0-0)氣輝主要分布在約100 km的高度，而630.0 nm,777.4 nm和844.6 nm輻射主要分布在200～400 km高度。在緯度上， 557.7 nm和氧氣(0-0)氣輝覆蓋了幾乎所有緯度，而630.0 nm, 777.4 nm和844.6 nm則主要分布在中低緯度區(qū)域。在輻射強(qiáng)度上，最強(qiáng)的氧氣(0-0)輻射亮度約1000 R[14]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)天基空間碎片探測(cè)與移除的研究[2-4,15-16]、氣輝光譜的探測(cè)與研究[10-11,17]、大氣密度反演相關(guān)[18]研究較多，但對(duì)夜氣輝對(duì)天基碎片探測(cè)影響的相關(guān)試驗(yàn)和分析的報(bào)道較少。本文基于天基空間碎片探測(cè)技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星(簡(jiǎn)稱(chēng)觀測(cè)星)設(shè)計(jì)觀測(cè)試驗(yàn)，利用其空間碎片探測(cè)相機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)探測(cè)相機(jī))，獲取包含夜氣輝背景的天基觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析，研究夜氣輝的輻射特性及其對(duì)天基碎片探測(cè)的影響。

1 觀測(cè)試驗(yàn)方案和數(shù)據(jù)

1.1 試驗(yàn)方案

觀測(cè)星運(yùn)行在晨昏太陽(yáng)同步軌道，其光學(xué)探測(cè)相機(jī)采用高靈敏度CCD探測(cè)器，負(fù)法向安裝，順陽(yáng)觀測(cè)，主要性能參數(shù)[4]如表1所示。

表1 觀測(cè)星及探測(cè)相機(jī)主要參數(shù)表Table 1 Main parameters of the observed satellite and the detection camera

考慮觀測(cè)星與夜氣輝的相對(duì)關(guān)系，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方式為：調(diào)整觀測(cè)星姿態(tài)(衛(wèi)星Z軸始終指向地心，Y軸指向軌道面負(fù)法向，沿X軸做一定角度姿態(tài)機(jī)動(dòng))，以臨邊探測(cè)(探測(cè)相機(jī)光軸近似指向某一高度臨邊大氣)的方式，采用1600 ms的曝光時(shí)間，對(duì)高度為52 km～500 km的夜氣輝進(jìn)行觀測(cè)，其原理如圖1所示。

由于探測(cè)相機(jī)視場(chǎng)角度限制，不能一次覆蓋整個(gè)高度范圍，所以需要分多次觀測(cè)，觀測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。另外，由于觀測(cè)星軌道與晨昏圈不嚴(yán)格重合導(dǎo)致星下點(diǎn)有一半時(shí)間處于光照區(qū)內(nèi)，且受到試驗(yàn)時(shí)間、南大西洋異常區(qū)(SAA區(qū))、探測(cè)相機(jī)連續(xù)工作時(shí)間等其他試驗(yàn)資源的限制，所以只能獲取有限經(jīng)緯度下的夜氣輝數(shù)據(jù)。

序號(hào)沿X軸姿態(tài)調(diào)整/(°)視場(chǎng)下邊沿臨邊切點(diǎn)高度/km視場(chǎng)上邊沿臨邊切點(diǎn)高度/km臨邊切點(diǎn)緯度范圍/(°)123521727.71N～58.39S220.751602697.53N～61.03S318.52593566.53N～59.92S416.253474333.09N～65.66S5144254997.63N～59.45S

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)獲取了大量含有夜氣輝背景的觀測(cè)數(shù)據(jù)，圖2給出了不同緯度和不同臨邊切點(diǎn)高度的觀測(cè)圖像。從圖2可以看出，不同高度和緯度的氣輝輻射強(qiáng)度也不同。

2 數(shù)據(jù)處理與分析

首先對(duì)圖像進(jìn)行儀器效應(yīng)校正，去除本底噪聲和熱點(diǎn)噪聲，然后通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析，獲得夜氣輝的輻射分布，以及對(duì)恒星和碎片提取的影響。

2.1 夜氣輝輻射分布

1)數(shù)據(jù)處理方法

對(duì)于夜氣輝，星光輻射是主要的噪聲來(lái)源，在分析氣輝輻射特性時(shí)需要去除星點(diǎn)。根據(jù)圖像特點(diǎn)，考慮到52～172 km輝光背景在相機(jī)視場(chǎng)中分布的不均勻性，對(duì)此高度的圖像采用局部閾值法，將圖像分為52～110 km及110～172 km兩部分進(jìn)行處理，對(duì)其余高度的試驗(yàn)圖像采用全局閾值法，上述圖像均采用自適應(yīng)閾值法[17]進(jìn)行分割閾值的選取。

另外，黃道光也屬于背景輻射，在研究夜氣輝的輻射特性時(shí)需將其去除，本文借助CADS可見(jiàn)光黃道光模型[20]進(jìn)行黃道光去除。

對(duì)于氣輝強(qiáng)度反演，本文建立CCD成像信號(hào)與輻射強(qiáng)度間的關(guān)系式：

(1)

式中：GCCD為CCD灰度值，σ為量子效率，A為望遠(yuǎn)鏡接收面積，t為積分時(shí)間，θ為儀器視場(chǎng)角，n為譜線數(shù)量，不同高度的氣輝反演取不同的值，Ii為各譜線的氣輝輻射強(qiáng)度，Ti為透過(guò)率，Qbi為量子效率，Isum為總強(qiáng)度，Rai表示各氣輝強(qiáng)度占總強(qiáng)度的比例，由氣輝輻射模型AURIC計(jì)算得到。式1表示氣輝譜線綜合強(qiáng)度經(jīng)過(guò)儀器光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)CCD探測(cè)器的信號(hào)，即正演模型。

采用全天巡天星表USNO B1.0[21]進(jìn)行星等定標(biāo)，結(jié)果是：

M=M0-2.5lg(a)+2.5lg(t)

(2)

式中：M0為定標(biāo)的星等零點(diǎn)，a為點(diǎn)源的亮度的凈計(jì)數(shù)，t為曝光時(shí)間。

2)處理結(jié)果及分析

由于425～499 km高度的氣輝輻射強(qiáng)度很弱，對(duì)于本文使用的探測(cè)器來(lái)說(shuō)無(wú)法與噪聲區(qū)分，故未進(jìn)行該高度范圍的夜氣輝輻射強(qiáng)度的反演。圖3～圖6給出了52～433 km內(nèi)不同高度、不同地理緯度下夜氣輝的輻射強(qiáng)度的反演結(jié)果。

各高度及緯度的夜氣輝輻射強(qiáng)度及背景亮度處理結(jié)果如表3所示。在緯度方面，夜氣輝輻射在中高緯地區(qū)最小，中低緯地區(qū)達(dá)到最大，在赤道附近稍微減小。在高度方面，夜氣輝在52～172 km高度范圍在不同緯度處呈現(xiàn)的輻射規(guī)律一致且明顯：在80～110 km處輻射達(dá)到最大，然后隨著高度的增大而迅速減小。夜氣輝在160～269 km高度范圍內(nèi)沒(méi)有明顯的輻射強(qiáng)度分布規(guī)律：在中低緯度地區(qū)時(shí)約230 km處最大，在低緯和中高緯地區(qū)時(shí)200 km以下較大。夜氣輝在259～356 km及347～433 km高度范圍在不同緯度處呈現(xiàn)的輻射規(guī)律一致：隨著高度的增加輻射強(qiáng)度逐漸減弱。整體來(lái)說(shuō)，夜氣輝在約90 km處輻射最大，平均為105R量級(jí)，然后隨著高度增加迅速減小，在約350 km處，平均輻射強(qiáng)度為103R量級(jí)。為了更加直觀，繪制南半球中低緯度夜氣輝輻射強(qiáng)度隨高度的變化曲線(見(jiàn)圖7)，可以明顯看出夜氣輝輻射強(qiáng)度整體上隨高度的變化規(guī)律。

計(jì)算夜氣輝及黃道光背景亮度發(fā)現(xiàn)，背景在約90 km處的亮度可達(dá)單位積分時(shí)間每平方角秒近15星等，在約250 km處可達(dá)近19星等，在300 km及以上大于20星等。對(duì)于本文的探測(cè)器，在約90 km處單位積分時(shí)間內(nèi)一個(gè)像元的亮度近10星等，在約250 km處近14星等，在300 km及以上為15～17星等。為了更加直觀，繪制南半球中低緯度夜氣輝及黃道光背景亮度隨高度的變曲線(見(jiàn)圖8)，可以明顯看出單位積分時(shí)間每平方角秒內(nèi)夜氣輝及黃道光背景亮度隨高度的變化規(guī)律。

需要說(shuō)明的是，由于試驗(yàn)條件限制，獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的地理經(jīng)度不同，且氣輝的輻射強(qiáng)度隨緯度和經(jīng)度是變化的，所以圖7和圖8的四段曲線并不能完全連續(xù)。

表3 夜氣輝輻射強(qiáng)度及背景亮度處理結(jié)果Table 3 The processing results of airglow radiative intensity and background brightness

2.2 夜氣輝對(duì)恒星和碎片提取的影響

由上述分析可知，夜氣輝對(duì)恒星和碎片的影響主要體現(xiàn)在暗的恒星和碎片可能被淹沒(méi)在氣輝中無(wú)法識(shí)別。本文選取氣輝強(qiáng)度最大的52～172 km高度的試驗(yàn)圖像，在去除氣輝及黃道光背景后進(jìn)行恒星提取，并使用完備度接近100%的USNO B1.0星表為對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)恒星的提取概率受氣輝的影響結(jié)果。

首先利用觀測(cè)圖像氣輝的相對(duì)不變性和恒星的運(yùn)動(dòng)特性，將多幅圖像疊加再做平均處理，得到氣輝及黃道光背景(見(jiàn)圖9)，然后將觀測(cè)圖像與上述背景相減，得到去除氣輝和黃道光背景的圖像。進(jìn)而以信噪比3為閾值，采用天文快速處理軟件SExtractor[22]完成星點(diǎn)的提取，提取效果如圖10所示。

統(tǒng)計(jì)13等恒星(亮于探測(cè)極限)的平均提取概率為40.5%(在此試驗(yàn)弧段中，探測(cè)相機(jī)視場(chǎng)中13等星理論的平均數(shù)量為476，實(shí)際提取出的13等星的平均數(shù)量為193)?？梢?jiàn)，氣輝對(duì)恒星提取有嚴(yán)重影響。

在本文的觀測(cè)中，碎片與恒星的光學(xué)特征類(lèi)似，均在幀序列圖像中有相對(duì)運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生“拖尾”，故本文未對(duì)碎片作特別分析。

3 結(jié) 論

本文基于天基空間碎片探測(cè)技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星的探測(cè)相機(jī)，設(shè)計(jì)并完成了52 km～500 km的不同地理緯度的夜氣輝觀測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的處理與分析，得出如下結(jié)論：

1)夜氣輝輻射隨緯度和高度呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律。中高緯地區(qū)最小，中低緯地區(qū)達(dá)到最大，在赤道附近稍微減??；在約90 km處，氣輝輻射最大，平均為105R量級(jí)，隨著高度增加迅速減小，在約350 km處，平均輻射強(qiáng)度為103R量級(jí)。觀測(cè)結(jié)果與模型模擬輻射強(qiáng)度及普遍趨勢(shì)規(guī)律一致。

2)夜氣輝背景對(duì)恒星和碎片的提取有嚴(yán)重影響?；诠鈱W(xué)探測(cè)器的試驗(yàn)結(jié)果表明，夜氣輝背景(含黃道光)在約90 km處的亮度可達(dá)到單位積分時(shí)間每平方角秒近15星等，在約250 km處最大為近19星等，在約300 km及以上大于20星等，觀測(cè)時(shí)亮度小于對(duì)應(yīng)值的恒星和碎片將被淹沒(méi)在氣輝背景中。對(duì)試驗(yàn)中氣輝輻射最強(qiáng)的幀序列圖像進(jìn)行恒星提取，13等星的提取概率只有40.5%。

3)在天基光學(xué)暗弱碎片探測(cè)時(shí)，為了提高恒星和碎片的檢測(cè)、提取成功率與定位精度，避免受到夜氣輝的影響，在設(shè)計(jì)觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)盡量使相機(jī)下邊沿的臨邊切點(diǎn)高度大于300 km。

本文在構(gòu)建氣輝及黃道光背景數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)背景及恒星的不同運(yùn)動(dòng)特性，采用了多幅圖像疊加求平均的方法，由于氣輝隨緯度分布有一定的變化，此種方法得到的背景數(shù)據(jù)對(duì)于每幅圖像來(lái)說(shuō)均有一定誤差，若后期進(jìn)行碎片定位及定軌計(jì)算，需采用精度更高的去除背景的方法。另外，由于試驗(yàn)條件限制，本文只獲取了有限經(jīng)緯度下的觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到了初步的分析結(jié)論，后續(xù)仍需補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)結(jié)論的完整性和全面性。