CN105095608B - 一种卫星杂散光的测试方法 - Google Patents

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Abstract

一种卫星杂散光的测试方法，包括：获取卫星观测点太阳光照变化范围；选取大气辐射传输模型；获取卫星在轨各观测方向辐亮度全年变化；使卫星受模拟光源照射情况能够覆盖卫星在轨辐亮度全年变化的情况；载荷背景成像测试获取暗室造成的杂散辐射；进行太阳直射抑制能力测试；进行星体表面的杂散辐射测量；计算每个像元的抑制比PST，验证载荷在轨杂散光抑制能力、识别出星体关键表面。本发明提供的方法，能够切实可行的用于卫星杂散光抑制分析验证的整星级杂散光测试。

Description

一种卫星杂散光的测试方法
技术领域
本发明涉及杂散光测试方法技术领域，特别涉及一种卫星杂散光的测试方法，对卫星布局及光学载荷杂散光抑制措施具有重要的指导意义；可以对在研型号进行杂散光分析、验证。
背景技术
光学载荷的杂散光问题与整星布局、轨道设计密切相关。对于一般的光学卫星，杂散光抑制性能的提高主要依赖载荷研制单位对光学载荷的设计，一般包括载荷遮光罩设计和内部光路设计。而对于配置高灵敏光学载荷的卫星，除载荷内部必要的消光设计外，还需从整星角度采取抑制和验证措施。
目前检测杂光的常用方法有点源法和面源法，都是基于光学***的杂散光测试方法，无法获取卫星在轨光照条件下星体表面导致的杂散辐射对载荷造成的杂散光。因此有必要提出一种适用于整星层面的杂散光测试和分析方法，进行验证测试。
发明内容
为了满足光学卫星及光学载荷杂散光抑制措施的验证需求，本发明的目的在于提供一种切实可行的用于卫星杂散光抑制分析验证的整星级杂散光测试方法。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
一种卫星杂散光的测试方法，包括如下步骤：
步骤S1，根据星上载荷在轨观测方案建立卫星观测模型，进行卫星轨道仿真，获取卫星观测点太阳光照角变化范围；
步骤S2，选择大气辐射传输模型，将步骤S1中卫星观测点太阳光照角仿真数据带入模型，并进行其他大气模型参数设定；
步骤S3，进行大气辐射传输运算，获取载荷在轨各观测方向辐亮度全年变化数据；
步骤S4，建立卫星与太阳模拟光源在测试暗室内的相互位置关系，所述太阳模拟光源光斑面积、辐照度以及到卫星的入射光线方向需可调，以实现卫星在轨各观测方向上辐亮度全年变化情况的模拟；
步骤S5，进行背景成像测试，所述背景成像测试时光源不直射卫星对地面，载荷对暗室内消光器成像，测得暗室造成的杂散辐射；
步骤S6，进行太阳直射抑制能力测试，所述太阳直射抑制能力测试时，需按卫星在轨状态，太阳模拟光线从不同角度直射卫星对地面，载荷对暗室内消光器成像，测得由太阳直射星体表面导致的杂散辐射及每个像元对太阳光线的抑制比PST；
步骤S7，进行星体关键表面测试，所述星体关键表面测试时，太阳模拟光源对每个预设表面进行多个角度的照射，载荷对暗室内消光器成像，测得由预设表面引起的杂散辐射及每个像元的抑制比PST；
步骤S8，完成测试，验证载荷在轨杂散光抑制能力，识别出星体关键表面。
优选地，所述步骤S2中的其他大气模型参数设定需结合卫星特点及其在轨观测区域内实际情况进行。
优选地，所述步骤S4中的卫星在轨光照条件建立，卫星的布局、星表热控状态等需与在轨情况一致。
优选地，所述步骤S5中的暗室造成的杂散辐射测量值，通过取各像元多组灰度数值的平均值后转换为辐亮度值得到，每个像元有一个对应的辐亮度值。
优选地，所述步骤S6中的太阳模拟光线从不同角度直射对地面时，需保证每个角度下都实现对卫星对地面全覆盖。
优选地，所述步骤S6中的太阳直射星体表面导致的杂散辐射值，通过将载荷图像各像元灰度值转换为辐亮度值后，减去所述步骤S5中测得的暗室对各像元造成的杂散辐射值获得：
其中，用于表示入射光线的方向，根据卫星本体坐标系OCXbYbZb定义，θ1和θ′是入射光线与Xb轴夹角的余角，表示光线的俯仰方向；和是入射光线在YbOCZb平面内的投影与Yb轴的夹角，表示光线的方位方向；i表示载荷遥感图像中第i个像元；为步骤S6中太阳模拟光线从方向直射卫星对地面时，太阳直射星体表面导致的像元i上的杂散辐射亮度；为步骤S5中太阳模拟光线从方向照射时，暗室本身造成的像元i上的杂散辐射亮度。
优选地，所述步骤S6中的每个像元对太阳光线的抑制比PST，通过下式计算得到：
其中，Es为按太阳光线发散角等效计算的模拟光源造成的星体表面辐照度等效光源亮度。
优选地，所述步骤S7中的星体预设表面为卫星对地面上凸出的部分和具有高反射率的部分。
优选地，所述步骤S7中的预设表面引起的杂散辐射值，通过将载荷图像各像元灰度值转换为辐亮度值后，减去所述步骤S5中测得的暗室对各像元造成的杂散辐射值获得：
其中，是某个预设表面测试时入射光线的俯仰角和方位角。
优选地，若所述步骤S7中的预设表面引起的像元i的杂散辐射计算值出现突变，表明该表面为实际的关键表面，且该关键表面对相应方向的光线敏感。对于所有光线入射方向，所有像元上预设表面引起的杂散辐射计算值都没有发生突变，则可判定该表面不是关键表面，则重新预设关键表面，重复所述步骤S7进行对重新预设的关键表面进行测试。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)提出了一种整星级的杂散光测试方法，填补了现有技术的空白；
(2)对卫星布局及光学载荷杂散光抑制措施具有重要的指导意义；
(3)可以对在研型号进行杂散光分析、验证。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为卫星杂散光测试方法流程图；
图2为杂散光测试原理图；
图中：1为卫星；2为消光器；3为太阳模拟光源；4为太阳模拟光源控制***；5为太阳模拟光源光束；6为光学载荷视场范围；7为暗室。
图3为模拟太阳直射光线入射方向对应的俯仰角θ和方位角定义图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的卫星杂散光的测试方法，包括如下步骤：
S1：根据星上载荷在轨观测方案建立卫星观测模型，进行卫星轨道仿真，获取卫星观测点太阳光照角变化范围；
S2：选择大气辐射传输模型，将步骤1中卫星观测点太阳光照角仿真数据带入模型，并进行其他大气模型参数设定；
S3：进行大气辐射传输运算，获取载荷在轨各观测方向辐亮度全年变化数据；
S4：建立卫星与太阳模拟光源在测试暗室内的相互位置关系，所述太阳模拟光源光斑面积、辐照度以及到卫星的入射光线方向需可调，以实现卫星在轨各观测方向上辐亮度全年变化情况的模拟；
S5：进行背景成像测试，所述背景成像测试时光源不直射卫星对地面，载荷对暗室内消光器成像，测得暗室造成的杂散辐射；
S6：进行太阳直射抑制能力测试，所述太阳直射抑制能力测试时，需按卫星在轨状态，太阳模拟光线从不同角度直射卫星对地面，载荷对暗室内消光器成像，测得由太阳直射星体表面导致的杂散辐射及每个像元对太阳光线的抑制比PST；
S7：进行星体关键表面测试，所述星体关键表面测试时，太阳模拟光源对每个预设表面进行多个角度的照射，载荷对暗室内消光器成像，测得由预设表面引起的杂散辐射及每个像元的抑制比PST；
S8：完成测试，验证载荷在轨杂散光抑制能力，识别出星体关键表面。
进一步地，步骤S2中的其他大气模型参数设定需结合卫星特点及其在轨观测区域内实际情况进行。
进一步地，步骤S4中的卫星在轨光照条件建立，卫星的布局、星表热控状态等需与在轨情况一致。
进一步地，步骤S5中的暗室造成的杂散辐射测量值，通过取各像元多组灰度数值的平均值后转换为辐亮度值得到，每个像元有一个对应的辐亮度值。
进一步地，步骤S6中的太阳模拟光线从不同角度直射对地面时，需保证每个角度下都实现对卫星对地面全覆盖。
进一步地，步骤S6中的太阳直射星体表面导致的杂散辐射值，通过将载荷图像各像元灰度值转换为辐亮度值后，减去所述步骤S5中测得的暗室对各像元造成的杂散辐射值获得：
其中，用于表示入射光线的方向，根据卫星本体坐标系OCXbYbZb定义，θ1和θ′是入射光线与Xb轴夹角的余角，表示光线的俯仰方向；和是入射光线在YbOCZb平面内的投影与Yb轴的夹角，表示光线的方位方向；i表示载荷遥感图像中第i个像元；为步骤S6中太阳模拟光线从方向直射卫星对地面时，太阳直射星体表面导致的像元i上的杂散辐射亮度；为步骤S5中太阳模拟光线从方向照射时，暗室本身造成的像元i上的杂散辐射亮度。
进一步地，所述步骤S6中的每个像元对太阳光线的抑制比PST，通过下式计算得到：
其中，Es为按太阳光线发散角等效计算的模拟光源造成的星体表面辐照度等效光源亮度。
进一步地，所述步骤S7中的星体预设表面为卫星对地面上凸出的部分和具有高反射率的部分。
进一步地，所述步骤S7中的预设表面引起的杂散辐射值，通过将载荷图像各像元灰度值转换为辐亮度值后，减去所述步骤S5中测得的暗室对各像元造成的杂散辐射值获得：
其中，是某个预设表面测试时入射光线的俯仰角和方位角。
进一步地，若所述步骤S7中的预设表面引起的像元i的杂散辐射计算值出现突变，表明该表面为实际的关键表面，且该关键表面对相应方向的光线敏感。对于所有光线入射方向，所有像元上预设表面引起的杂散辐射计算值都没有发生突变，则可判定该表面不是关键表面，则重新预设关键表面，重复所述步骤S7进行对重新预设的关键表面进行测试。
结合图1～图3所示，对本发明一实施例进行描述，本实施例满足了配置高灵敏度光学载荷的卫星在轨杂散光抑制措施分析、验证的要求。
卫星杂散光测试的前提是对载荷在轨各观测方向辐亮度全年变化数据的正确模拟。根据载荷成像方案，在STK中建立卫星观测模型，进行轨道仿真，得到辐亮度仿真计算的观测几何参数。
将观测几何参数带入SCIATRAN大气辐射传输模型，按照卫星在轨观测区域的特点，同时设置大气辐射传输模型中地面反照率、云层类型、大气层厚度等参数，进行载荷每个观测方向对应的全年辐亮度变化情况模拟。
建立卫星与太阳模拟光源坐标关系，使卫星受模拟光源照射情况能够覆盖卫星在轨辐亮度全年变化的情况，卫星的布局、星表热控多层等状态应与在轨情况一致。
卫星杂散光测试原理图见图2，测试在暗室7内进行，太阳模拟光源3通过太阳模拟光源控制***4由暗室外控制终端进行控制，实现对卫星1的入射光线方向的调整。图2中，5为太阳模拟光源光束；6为光学载荷视场范围。入射光线方向定义见图3，依据卫星本体坐标系OCXbYbZb定义，θ和分别表示入射光线的俯仰角和方位角。模拟光源从方向斜射到地面、从方向直射卫星对地面，或从方向照射星体预设关键表面上，载荷对准消光器2成像。消光器2需能完全遮住载荷视场，载荷成像的遥感数据通过暗室外测试终端接收。
为获取星体关键表面信息，星体关键表面测试时，模拟光源光线入射方向的取值范围结合卫星在轨状态适当增大，且取值密度合适。每个预设关键表面区域光束的扫描方式为从特定俯仰方向θ2入射，方位方向在取值范围内进行连续扫描，然后θ2以5°等间隔改变依次扫描。
基于载荷对暗室背景、太阳直射卫星对地面及星体关键表面成像测试数据，分别进行灰度值到辐亮度值的转换，从而计算出太阳直射星体表面导致的杂散辐射值和预设关键表面引起的杂散辐射值。以太阳直射抑制能力测试为例，表达式如下：
其中，i表示载荷遥感图像中第i个像元；为步骤S6中太阳模拟光线从方向直射卫星对地面时，太阳直射星体表面导致的像元i上的杂散辐射亮度；为步骤S5中太阳模拟光线从方向照射时，暗室本身造成的像元i上的杂散辐射亮度。
若某像元预设关键表面引起的杂散辐射值计算值出现突变，则认为该表面为实际的关键表面，且该表面对其对应的方向光线敏感。
像元抑制比PST的计算基于杂散辐射值进行，以太阳直射抑制能力测试为例，表达式如下：
其中，Es为按太阳光线发散角等效计算的模拟光源造成的星体表面辐照度等效光源亮度。
根据PST测试结果，分析光学载荷在装星条件下杂散光的抑制能力，验证杂散光抑制措施的有效性。
本实施例取得了如下的有益效果：
(1)提出了一种整星级的杂散光测试方法，填补了现有技术的空白；
(2)对卫星布局及光学载荷杂散光抑制措施具有重要的指导意义；
(3)可以对在研型号进行杂散光分析、验证。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种卫星杂散光的测试方法，其特征在于，包括如下：
步骤S1，根据星上载荷在轨观测预定方案建立卫星观测模型，进行卫星轨道仿真，获取卫星观测点太阳光照角变化范围；
步骤S2，选择大气辐射传输模型，将步骤S1中卫星观测点太阳光照角仿真数据带入模型，并进行其他大气模型参数设定；
步骤S3，进行大气辐射传输运算，获取载荷在轨各观测方向辐亮度全年变化数据；
步骤S4，建立卫星与太阳模拟光源在测试暗室内的相互位置关系，太阳模拟光源光斑面积、辐照度以及到卫星的入射光线方向需可调，以实现卫星在轨各观测方向上辐亮度全年变化情况的模拟；
步骤S5，进行背景成像测试，所述背景成像测试时光源不直射卫星对地面，载荷对暗室内消光器成像，测得暗室造成的杂散辐射；
步骤S6，进行太阳直射抑制能力测试，太阳直射抑制能力测试时，需按卫星在轨状态，太阳模拟光线从不同角度直射卫星对地面，载荷对暗室内消光器成像，测得由太阳直射星体表面导致的杂散辐射及每个像元对太阳光线的抑制比PST；
步骤S7，进行星体关键表面测试，星体关键表面测试时，太阳模拟光源对每个预设表面进行多个角度的照射，载荷对暗室内消光器成像，测得由预设表面引起的杂散辐射及每个像元的抑制比PST；
步骤S8，完成测试，验证载荷在轨杂散光抑制能力，识别出星体关键表面。
2.根据权利要求1所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，其他大气模型参数设定结合卫星特点及其在轨观测区域内的实际情况进行。
3.根据权利要求1所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S4中，卫星在轨光照条件建立，卫星的布局、星表热控状态与在轨情况一致。
4.根据权利要求1所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S5中，暗室造成的杂散辐射测量值，通过取各像元多组灰度数值的平均值后转换为辐亮度值得到，每个像元有一个对应的辐亮度值。
5.根据权利要求1所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S6中，太阳模拟光线从不同角度直射对地面时，在每个角度下都能实现卫星对地面全覆盖。
6.根据权利要求1所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S6中，太阳直射星体表面导致的杂散辐射值，通过将载荷图像各像元灰度值转换为辐亮度值后，减去步骤S5中测得的暗室对各像元造成的杂散辐射值获得：
其中，θ和分别表示入射光线的俯仰角和方位角，根据卫星本体坐标系OCXbYbZb定义，θ1和θ′是入射光线与Xb轴夹角的余角，表示光线的俯仰方向；和是入射光线在YbOCZb平面内的投影与Yb轴的夹角，表示光线的方位方向；i表示载荷遥感图像中第i个像元；为步骤S6中太阳模拟光线从方向直射卫星对地面时，太阳直射星体表面导致的像元i上的杂散辐射亮度；为步骤S5中太阳模拟光线从方向照射时，暗室本身造成的像元i上的杂散辐射亮度。
7.根据权利要求6所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S6中,每个像元对太阳光线的抑制比PST，通过下式计算得到：
其中，Es为按太阳光线发散角等效计算的模拟光源造成的星体表面辐照度等效光源亮度，为太阳模拟光线从方向直射卫星对地面时，太阳直射星体表面导致的像元i上的杂散辐射亮度。
8.根据权利要求1所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S7中,星体预设表面包括卫星对地面上凸出的部分和具有高反射率的部分。
9.根据权利要求6所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，所述步骤S7中，预设表面引起的杂散辐射值，通过将载荷图像各像元灰度值转换为辐亮度值后，减去所述步骤S5中测得的暗室对各像元造成的杂散辐射值获得：
其中，θ2、是预设表面测试时入射光线的俯仰角和方位角，为太阳模拟光线从方向直射卫星对地面时，太阳直射星体表面导致的像元i上的杂散辐射亮度。
10.根据权利要求9所述的卫星杂散光的测试方法，其特征在于，若步骤S7中，预设表面引起的像元i的杂散辐射计算值出现突变，表明该表面为实际的关键表面，且该关键表面对相应方向的光线敏感；对于所有光线入射方向，所有像元上预设表面引起的杂散辐射计算值都没有发生突变，则判定该表面不是关键表面，需重新预设关键表面，重复步骤S7进行对重新预设的关键表面进行测试。
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