基于天基光學探測圖像初析南大西洋異常區影響

張科科李宗耀胡海鷹朱振才楊根慶1,

(1上海微系統與信息技術研究所,上海200050)(2上海微小衛星工程中心,上海201203) (3中國科學院大學,北京100039)

基于天基光學探測圖像初析南大西洋異常區影響

張科科1,2,3李宗耀2胡海鷹2朱振才2楊根慶1,2

(1上海微系統與信息技術研究所,上海200050)(2上海微小衛星工程中心,上海201203) (3中國科學院大學,北京100039)

文章針對目前在軌運行的高靈敏度探測類可見光遙感器經過南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly,SAA)時出現的探測能力降低、目標無法識別等現象,通過衛星在軌獲取的SAA天基探測圖像研究圖像中出現的異常現象機理;提出了基于CCD探測器固有暗像元區的圖像特征變化開展SAA影響評估的方法,根據在軌圖像暗像元區的均值和標準差、圖像區的熱像素及活像元等特征參數的統計分析,判斷經過SAA過程中連續獲取的圖像中出現顯著影響時的拐點,通過曲線擬合估算出該軌道高度的SAA空間分布特征和邊界,依此進一步提出利用在軌天基探測圖像給出測量影響該軌道高度衛星SAA區域邊界的簡單方法;最后,基于SAA對天基探測器件的影響分析結果和認識,給出了高靈敏度探測類衛星避免或消除SAA影響的改進措施和建議。文章采用的數據分析和評估方法為提升SAA對天基探測影響的認識,以及下一步有效開展空間碎片探測工作提供參考。

南大西洋異常區;高能粒子;暗像元;熱像素;活像元;天基探測;衛星

1 引言

南大西洋異常區(South Atlantic Anomaly,SAA)是指地球上一片地磁最弱的區域,其中心約位于西經45°,南緯30°,覆蓋范圍遍及南美洲南部及南大西洋海域,如圖1所示。

圖1 SAA在670 km高度的空間分布Fig.1 Spatial distribution of SAA region at 670 km altitude

由于南大西洋磁異常區為負磁異常區,使得內輻射帶在該區域的高度明顯降低,三維結構像一個漏斗,其最低高度可降至200～300 km左右[1-3],形成輻射帶的南大西洋異常區(SAA)。SAA是引起低軌道航天器輻射損傷嚴重的區域,也是帶電粒子誘發航天器異常或故障的高發區,常規的低軌衛星均會經過SAA且受其影響,特別是對高靈敏度的探測類可見光遙感器,高能粒子會造成CCD器件噪聲異常增加,靈敏度和探測性能下降,甚至在累計輻射劑量超過承受要求時引起CCD器件的損壞[4-6]。同時,對于衛星的電子學部分也容易引起發生單粒子事件。目前在軌天基探測衛星(如哈勃望遠鏡、美國“中段空間試驗”衛星天基可見光相機(MSX-SBV)、加拿大微小衛星“藍寶石”(Sapphire)和“近地物體監視衛星”(NEOSSat)等)已探測并獲取相關受SAA影響的圖像數據它們主要以統計圖像中出現的活像元、熱像素、CCD轉移效率等情況來表征SAA的影響程度,常以關閉鏡頭保護蓋、載荷關機不工作、SAA數據處理、算法修正、退火處理等為手段,來規避和減輕SAA的影響[7-9]。2013年7月,中國發射了天基空間碎片探測技術科學試驗衛星,軌道高度670km,軌道傾角97°,軌道周期98 min,運行在晨昏太陽同步軌道。星上裝載有空間碎片探測相機,采用高靈敏度CCD探測器,雙通道輸出(主要性能參數如表1所示),首次獲取了衛星通過SAA區域的天基光學探測圖像,彌補了以往基于模型的地面分析仿真的不足。文章基于衛星獲取的天基光學探測圖像,通過衛星在軌獲取的SAA天基探測圖像,對圖像中出現的異常現象機理及評估SAA影響程度的方法開展研究。

表1 天基探測相機主要性能參數Tab.1 Main properties of space-based camera

2 SAA天基探測圖像現象和原因

2.1 受SAA影響的圖像現象

衛星執行空間碎片探測試驗任務中,先后多次經歷了SAA,有效載荷探測相機在此區域開機成像。圖2(a)和(b)是探測相機在同一軌中通過SAA區域時和通過后獲取的反色后圖像(原圖像中的白色亮點、亮斑和亮線呈黑點、黑斑、黑線狀),通過比較可以明顯看到,圖2(a)衛星經過SAA區域獲取的圖像受到了大量高能質子的轟擊,由此引起的星點狀和條痕狀現象明顯,星點狀現象導致圖像中亮點大量增加,與恒星背景混雜在一起,目視無法有效區別;圖2(b)衛星經過SAA區域后獲取的圖像條痕狀和干擾星點狀現象較少。

圖2 獲取的天基探測圖像Fig.2 Acquired spaced-based visible detection images

圖3 圖像中的熱像素(局部放大)Fig.3 Hot pixel in the image(partial image enlargement)

通過對獲取的SAA探測圖像數據觀察和比對,可知在SAA區域圖像噪聲顯著增大,CCD左右暗區域(左右各占16列像元,如圖2、圖3中黑色虛線框所示,其作用可等同于暗幀)中同樣會出現噪點。主要的現象和特征如下:

1)白色亮點:在圖像中位置固定,如圖3(a)和(b)中的小黑點所示。它們占據單個像元,一旦出現不會消失,隨著在軌運行時間的累積,數量不斷增加,一般稱之為熱像素。

2)白色亮斑:在圖像中位置隨機分布,如圖3(a)中的黑色斑點所示。每一幀圖像均不相同,大都占據多個像元,形成虛假信號,出現后會消失,會對目標識別造成干擾。

3)白色亮線:在圖像中隨機分布,如圖2(a)中黑色線條所示。它們呈粒子入射的直線徑跡,徑跡長度、寬度和方向無規律,出現后會消失。

2.2 出現SAA現象的原因和影響

出現上述現象,主要是因為SAA區域中駐留有大量的高能粒子轟擊了CCD像面,常稱為粒子事件。高能粒子主要包括高能質子、高能電子和少量的高能量宇宙射線粒子等[10-14]。天基空間碎片探測技術科學試驗衛星有效載荷探測相機自降交點開始工作經極區至升交點停止工作,相機通過極區、SAA,由于在極區等高能電子、重離子分布相對較多的地方未發現同樣現象,故推斷歷經SAA獲取圖像中的異常噪聲現象主要來源于高能質子。

粒子事件對CCD器件的性能影響分為短期和長期效應兩類。長期效應是指粒子事件隨著時間的累積會對單個像元或電子設備造成永久的損壞?？梢酝ㄟ^三個定量的值來監測:1)暗電流噪聲的增加;2)遙感器電子設備直流偏置的變化;3)CCD轉移效率的衰減。美國MSX-SBV在入軌約兩年后測量到了CCD焦面因受長期效應造成的小量損傷[3]。短期效應發生在單幀圖像上,高能質子打到CCD像面上引起像元信號的瞬時增加,由于質子運動非?？?信號只存在于單幀圖像,并且常形成條痕。其主要影響是明顯增加系統的瞬時噪聲,從而導致探測相機區分空間目標能力降低[6]。

因此,天基探測圖像中隨機出現在單幅圖像中的白色亮斑和亮線屬于高能粒子轟擊帶來的短期效應現象,而出現在多幅圖像相同位置的白色亮點,即熱像素則屬于長期效應。產生的這些大量圓點狀亮點、亮斑,直接導致平均暗電流噪聲增加,并且由于其與恒星背景和空間碎片目標相似,在進行目標識別提取等圖像處理時會增加目標虛警率。后續需要通過改進目標檢測處理算法以自動剔除其影響,確保精確的天文定位探測。熱像素導致的CCD性能衰退則可以通過采用升溫退火或進一步降低工作溫度來進行糾正和補救。尤其是升溫退火,可以有效降低熱像素水平,在“哈勃望遠鏡”、MSX-SBV衛星上均成功運用過[7,9],NEOSSat微小衛星也建議周期性采取升溫退火措施[8]。

3 基于天基探測圖像的數據統計和分析

3.1 CCD像面暗像元區數據統計和分析

一般可以通過獲取表征本底噪聲的暗幀圖像(或零曝光圖像),統計其均值和標準差的變化來評估SAA的影響。本文利用CCD器件固有的暗像元區域,替代整幅暗幀圖像,可以充分利用在軌的大量正常圖像數據,通過統計圖像暗像元的均值和標準差進行比較和評估SAA的影響,同樣客觀反映了SAA影響的程度和趨勢。

圖4 天基衛星連續四軌進入SAAFig.4 Space-based satellite passed through the SAA region in four continuous orbits

選取連續四軌分別記為T0圈、T1圈、T2圈、T3圈,每圈樣本取500幀圖像,組成一個幀序列,從遠離SAA至逐漸接近或進入SAA,如圖4所示,可以清晰地看出, T0圈獲取的圖像樣本衛星運行軌跡未進入SAA邊界區域內,T1和T3圈衛星在試驗末端運行軌跡進入SAA邊界區域內,T2圈衛星運行軌跡末端則處于SAA中心區域附近。圖5給出了該連續四軌的各幀圖像暗像元區均值和標準差的散點,可以看出T0圈衛星在SAA外,暗像元區均值和標準差值分布集中,無明顯異常突出點,暗像元區均值全部小于100,標準差小于135(接近圖像的底噪)。但T1～T3圈特別是T2圈,由于衛星接近并靠近SAA區域中心,暗像元區均值和標準差異常突出點急劇增加,暗像元區均值出現100～300的值,甚至更高,標準差也出現135～145的值。該數據表征CCD器件受到了顯著的粒子轟擊并出現短期效應,使得噪聲明顯增大。表1列出了T0、T1、T2、T3圈四個幀序列圖像暗像元區左、右通道均值的均值和左、右通道標準差的均值。從表2中的數據也可以定量看出,T0圈暗像元區左、右通道均值最小;在受SAA影響最嚴重的T2圈,整軌的均值,特別是標準差均值明顯比T0、T1、T3要大,說明受影響的總體波動比較劇烈;此外,單軌SAA對圖像左右通道的影響基本一致,說明SAA粒子對CCD像面的轟擊是隨機且均勻的。

圖5 連續四軌各幀圖像暗像元區標準差和均值的散點Fig.5 Mean and standard deviation of dark pixel area in four continuous orbits images

表2 T0圈、T1圈、T2圈、T3圈圖像的統計數據Tab.2 Statistics of image data acquired in orbit T0,T1,T2 and T3

重點考察進入SAA中心區域的T2圈,由圖6可以看出,在SAA外雖然也會受到粒子的轟擊影響,但是整體波動相對平穩,但是一旦接近并進入SAA中心區域,則波動呈明顯上升趨勢,T2圈根據多項式擬合的趨勢線的變化拐點,確定拐點處圖像的獲取時間,從而可以得到對應的衛星運行星下點緯度為-47.93°,經度為-48.405°,說明衛星運行至該處時開始明顯受到SAA影響,圖像噪聲增大。通過此簡單方法,結合多圈次進出SAA數據,可以獲得多個經緯度點,確定衛星明顯受到影響的SAA邊界,任務規劃的時候,可與仿真模型得到的數據相互印證,考慮適當大小的區域規避。

圖6 第T2圈左右通道的均值、標準差Fig.6 Mean,standard deviation and trend curve of left and right channels in Orbit T2

3.2 熱像素變化統計和分析

熱像素屬于脈沖噪聲點,特點是灰度值大于背景值的孤立單像素點,可采用圖像處理的方法統計計算每幅圖像里熱像素的個數。

圖7(a)顯示了熱像素數目隨著積分時間的增加呈近似線性增加,可見其與積分時間長短有關。不同月份,整體熱像素數目在各個積分時間條件下均呈明顯上升趨勢,特別是1 600 ms積分時間下,一個月熱像素數目增長近6倍多,可見其長期效應凸顯。

圖7(b)為7月、8月、9月三個月相機均在700 ms積分時間下所形成的熱像素數目變化。可知,8月份比7月份的熱像素增長了376個,9月份比8月份的熱像素增長了330個,增長速度均勻,可見其變化是長期且穩定的。至9月底,熱像素平均值為804個,僅占整個1 024×1 024圖像像元總數0.074 4%,可見其目前對圖像整體影響不大,對探測性能和GEO目標檢測基本無影響。此外,8月份非SAA和SAA熱像素數目基本在同一水平,也說明它是個長期效應。

圖7 圖像中熱像素數目統計Fig.7 Statistics of hot pixel number in images

3.3 活像元數目統計和分析

短期效應產生的白色亮斑和亮線隨機分布且會消失,因此受其影響的像元也可稱為活像元,即經過高能粒子輻射轟擊后,CCD像元并沒有造成持久性損傷。

SAA區域粒子事件中以白色亮斑或者亮線占據4個像元數為最小判斷閾值對活像元數據統計,如圖8所示,可見從遠離至接近SAA過程中活像元數目比較平穩,單幅圖像中數目基本不大于100個;而在進入SAA中心時活像元急劇增多,特別是T2圈,單幅圖像中數目最多達965個,是T1、T3圈的4倍左右,是T0圈的7倍左右。

根據圖9統計,占據8個像元以內的亮斑占大多數,約為82%。以單個亮斑平均占據6個像元計算,非SAA活像元數目約100個,則污染的像元占整個1024×1024圖像像元總數約為0.057 2%;而接近SAA中心后,活像元數目約1 000個,則污染的像元占整個1 024×1 024圖像像元總數達到0.572%,增加一個數量級,在不進行相關圖像處理的情況下會對目標的提取和識別帶來影響。

圖8 連續四軌活像元數目統計Fig.8 Statistics of living pixel number in four continuous orbits image

圖9 單幅圖像中活像元個數和單個活像元所占像元數Fig.9 Living pixel numbers and single living pixel size in an image

4 措施和建議

SAA對天基觀測的影響屬于空間環境因素,對衛星執行空間科學探測、空間碎片監測等任務具有非常顯著影響。在利用CCD探測器固有的暗像元區的圖像特征變化統計開展SAA影響評估的基礎上,首次提出基于連續多軌過SAA的天基探測圖像反演影響該軌道高度衛星SAA區域邊界的簡單方法,很好地確認了該軌道高度上會對相機探測性能產生明顯影響,導致圖像處理時目標提取失效的SAA區域范圍;在AP-9模型的SAA仿真數據上進一步縮小范圍,有效部署后續在軌任務規劃,既規避SAA的影響,又權衡在軌連續工作的觀測效能。

通過受SAA影響的圖像分析,進一步認為在天基探測類衛星方案設計時就應考慮避免或消除SAA的影響。主要改進措施和建議如下:

1)在滿足任務需求的條件下,對SAA的影響進行詳細仿真分析,權衡設定CCD器件承受高能粒子的通量閾值,合理選劃SAA空間邊界;

2)結合發射約束,優選衛星采用的軌道高度和傾角,縮短通過SAA的時間;

3)規劃觀測策略,設置衛星工作模式和相機開關機時間,可對SAA進行合理規避,或通過姿態機動彌補探測效率和觀測區域的損失;

4)對遙感器系統和CCD焦面采取一定的屏蔽和防護加固措施,減少SAA影響程度;

5)衛星具備遙感器工作溫度調節和升溫退火功能,使得系統在低溫條件下運行工作,并通過周期性的升溫退火,對SAA造成的影響盡可能緩減和恢復;

6)通過地面模擬試驗和在軌實測數據,評估CCD器件抗輻射性能,預計參數退化規律,開發軟件算法進行修正;

7)開發針對SAA影響的圖像處理軟件模塊,利用卡爾曼濾波等方法減輕或消除SAA對天基探測的影響。

綜上所述,SAA對天基探測任務的影響不可忽視,但分布有界、可控可防。下一步將通過結合在軌試驗繼續對數據進行挖掘、驗證和評估,規劃出效率和風險兼顧的合理規避區域和觀測策略,開展SAA空間輻照環境、高能粒子對CCD損傷機理及在軌圖像實時修正處理技術等方面的研究,進一步提高對天基探測類相機影響的認識,為中國空間環境的科學研究和天基探測類衛星的設計加強技術儲備。

[1] LU J T,ZHANG X X,LIN R L,et al.Dynamic distribution features of energetic proton in south Atlantic anomaly based on the observation of SAMPEX[J].Chin.J.Space Sci.,2015,35(2):192-202.

[2] LI B Q,ZHU G W,WANG SH J,et al.Space particle compositon detector on board FY-1C satelliteand the analysis of particle radiation in the south Atlantic anomaly region[J].Chin.J.Geophys.,2004, 47(6):1074-1078.

[3] 黃聰,李嘉巍,余濤,等.風云三號A/B星空間環境監測器對空間天氣事件監測能力評估及其應用研究[J].氣象科技進展,2013,3(4):126-135.

HUANG CONG,LI JIAWEI,YU TAO,et al.The capabilities and applications of Feng Yun-3A/B SEM on monitoring space weather events[J].Advances in Meteorological Science and Technology,2013, 3(4):126-135.

[4] 文林,李豫東,郭旗,等.質子輻照導致科學級電荷耦合器件電離效應和位移效應分析 [J].物理學報, 2015,64(2):024220-1.

WEN LIN,LI YUDONG,GUO QI,et al.Analysis of ionizing and department damage mechanism in proton-irradiation-induced scientific charge-coupled device[J].Acta Physica Sinica,2015,64(2):024220-1.

[5] JIN J,WANG X Q,LIN S,et al.Effect of radiation-induced mean wavelength shift in optical fibers on the scale factor of interferometric fiber optic gyroscope at a wavelength of 1300 nm[J].Chinese Physics B,2012,21(9):094220.

[6] LIU C M,LI X J,GENG H B,et al.Incident particle range dependence of radiation damage in a power bipolar junction transistor[J].Chinese Physics B,2012,21(10):0104211.

[7] STOKES G,VON BRAUN C,SRIDHARAM R.The space based visible program[J].MIT Lincoln Laboratory Journal,1998,11(2):206-238.

[8] SCOTT R,WALLACE B,SALE M,et al.Toward microsatellite based space situational awareness[C]. AMOS Technologies Conference,2013.

[9] BOFFI F.Hubble Space Telescope primer for cycle 18[J].Baltimore:STScI,2010.

[10] 汪波,李豫東,郭旗,等.質子輻射下互補金屬氧化物半導體有源像素傳感器暗信號退化機理研究 [J].物理學報,2015,64(8):084209.

WANG BO,LI YUDONG,GUO QI,et al.Dark signal degradation in proton-irradiated complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor[J].Acta Physica Sinica,2015,64(8):084209.

[11] 汪波,李豫東,郭旗,等.60Co-γ射線輻照CMOS有源像素傳感器誘發暗信號退化的機理研究[J].物理學報,2014,63(5):56102-056102.

WANG BO,LI YUDONG,GUO QI,et al.Research on dark signal degradation in 60 Coγ-ray-irradiated CMOS active pixel sensor[J].Acta Physica Sinica,2014,63(5):56102-056102.

[12] 張孝富,李豫東,郭旗,等.60Co-γ射線對高鋁組分Al0.5 Ga0.5N基p-i-n日盲型光探測器理想因子的影響[J].物理學報,2013,62(7):76106-076106.

ZHANG XIAOFU,LI YUDONG,GUO QI,et al.60Coγ-radiation effects on the ideality factor of AlxGa1-x N p-i-n solar-blind detector with high content of aluminum[J].Acta Physica Sinica,2013,62(7): 76106-076106.

[13] HEIRTZLER J R.The future of the South Atlantic anomaly and implications for radiation damage in space[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2002,64(16):1701-1708.

[14] LEE T P,RAJESH P K,CHEN C Y,et al.Abnormal signatures recorded by FORMOSAT-2 and FORMOSAT-3 over south Atlantic anomaly and polar region[J].Terrestrial,Atmospheric and Oceanic Sciences,2014,25(4):573-580.

Analysis of Influence of South Atlantic Anomaly Based on Space-based Visible Detection Images

ZHANG Keke1,2,3LI Zongyao2HU Haiying2ZHU Zhencai2YANG Gengqing1,2
(1 Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,Shanghai 200050)
(2 Shanghai Engineering Center for Microsatellite,Shanghai 201203)
(3 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039)

When the in-orbit high sensitivity detection visible sensor passes through the south Atlantic anomaly(SAA)region,its detection capability is weaken and unable to identify the target. Based on the space-based visible detection images collected by the satellites in SAA,the principle of anomalies was analyzed.And a evaluation method of SAA area influence was developed,based on the image character change of CCD detector in dark pixel areas.According to the statistics and analysis of the dark pixel areas image character parameters,such as mean,standard deviation,hot pixel and living pixel number,et al.The inflexion of continuous images occurring significant influence was estimated.The multiplication curve fitting was used to compute the spatial distribution and border of SAA area.Then a simple method was proposed to measure the SAA border,which has a significant influence on the operating satellites in this orbit altitude.Finally,to avoid the SAA area influence on high sensitivity detection satellite,the improvement measures and recommendations were given according to the analysis results.The data analysis and evaluation method will provide the foundation for future work on space debris detection.

South Atlantic anomaly;Energetic particle;Dark pixel;Hot pixel;Living pixel;Space-based detection;Satellite

10.3780/j.issn.1000-758X.2015.05.005

(編輯:車曉玲)

2015-01-30。收修改稿日期:2015-07-14

張科科 1980年生,2005年獲中國空間技術研究院飛行器設計專業碩士學位,副研究員。研究方向為微小衛星總體設計。