夜氣輝對天基光學碎片探測的影響分析

邢必達，王后茂，魏 聰，鄭昌文

(1. 中國科學院軟件研究所，北京 100190；2. 北京電子工程總體研究所，北京 100854；3. 中國科學院國家空間科學中心空間環境探測室，北京 100190)

0 引 言

隨著空間活動的日益頻繁和空間碎片數量的增加，對空間碎片的探測與編目愈發重要。空間碎片探測可通過地基和天基等平臺，利用雷達、紅外及可見光等多種手段，其中天基光學探測手段以其不受地球大氣影響、觀測范圍大、觀測時效性強、能源消耗低、探測精度高等優勢，在國內外的空間碎片探測中被廣泛地應用[1-4]。天基光學探測器在設計中大多考慮了雜光抑制的手段[2,5-7]，但在觀測中仍然可能受到雜光的影響。在觀測任務規劃中考慮較多的雜光有太陽光、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輻射背景中重要的自然發光現象，主要由太陽紫外輻射直接或間接激發大氣分子、原子而產生。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光照射的大氣產生的共振和熒光過程。夜間大氣輝光輻射(簡稱夜氣輝)主要是被太陽光白天照射破壞的高層大氣中的分子在溫度降低重新復合或多種粒子相互碰撞時而產生的輻射[13]。

可見光近紅外夜氣輝主要分布在80～500 km高度，輻射較強的主要有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域。在輻射強度上，最強的氧氣(0-0)輻射亮度約1000 R[14]。

目前，國內外對天基空間碎片探測與移除的研究[2-4,15-16]、氣輝光譜的探測與研究[10-11,17]、大氣密度反演相關[18]研究較多，但對夜氣輝對天基碎片探測影響的相關試驗和分析的報道較少。本文基于天基空間碎片探測技術科學試驗衛星(簡稱觀測星)設計觀測試驗，利用其空間碎片探測相機(簡稱探測相機)，獲取包含夜氣輝背景的天基觀測數據，通過對數據的處理與分析，研究夜氣輝的輻射特性及其對天基碎片探測的影響。

1 觀測試驗方案和數據

1.1 試驗方案

觀測星運行在晨昏太陽同步軌道，其光學探測相機采用高靈敏度CCD探測器，負法向安裝，順陽觀測，主要性能參數[4]如表1所示。

表1 觀測星及探測相機主要參數表Table 1 Main parameters of the observed satellite and the detection camera

考慮觀測星與夜氣輝的相對關系，設計試驗方式為：調整觀測星姿態(衛星Z軸始終指向地心，Y軸指向軌道面負法向，沿X軸做一定角度姿態機動)，以臨邊探測(探測相機光軸近似指向某一高度臨邊大氣)的方式，采用1600 ms的曝光時間，對高度為52 km～500 km的夜氣輝進行觀測，其原理如圖1所示。

由于探測相機視場角度限制，不能一次覆蓋整個高度范圍，所以需要分多次觀測，觀測試驗設計如表2所示。另外，由于觀測星軌道與晨昏圈不嚴格重合導致星下點有一半時間處于光照區內，且受到試驗時間、南大西洋異常區(SAA區)、探測相機連續工作時間等其他試驗資源的限制，所以只能獲取有限經緯度下的夜氣輝數據。

序號沿X軸姿態調整/(°)視場下邊沿臨邊切點高度/km視場上邊沿臨邊切點高度/km臨邊切點緯度范圍/(°)123521727.71N～58.39S220.751602697.53N～61.03S318.52593566.53N～59.92S416.253474333.09N～65.66S5144254997.63N～59.45S

1.2 試驗數據

通過試驗獲取了大量含有夜氣輝背景的觀測數據，圖2給出了不同緯度和不同臨邊切點高度的觀測圖像。從圖2可以看出，不同高度和緯度的氣輝輻射強度也不同。

2 數據處理與分析

首先對圖像進行儀器效應校正，去除本底噪聲和熱點噪聲，然后通過對數據進一步處理分析，獲得夜氣輝的輻射分布，以及對恒星和碎片提取的影響。

2.1 夜氣輝輻射分布

1)數據處理方法

對于夜氣輝，星光輻射是主要的噪聲來源，在分析氣輝輻射特性時需要去除星點。根據圖像特點，考慮到52～172 km輝光背景在相機視場中分布的不均勻性，對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兩部分進行處理，對其余高度的試驗圖像采用全局閾值法，上述圖像均采用自適應閾值法[17]進行分割閾值的選取。

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

對于氣輝強度反演，本文建立CCD成像信號與輻射強度間的關系式：

(1)

式中：GCCD為CCD灰度值，σ為量子效率，A為望遠鏡接收面積，t為積分時間，θ為儀器視場角，n為譜線數量，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度，Ti為透過率，Qbi為量子效率，Isum為總強度，Rai表示各氣輝強度占總強度的比例，由氣輝輻射模型AURIC計算得到。式1表示氣輝譜線綜合強度經過儀器光學系統到達CCD探測器的信號，即正演模型。

采用全天巡天星表USNO B1.0[21]進行星等定標，結果是：

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

(2)

式中：M0為定標的星等零點，a為點源的亮度的凈計數，t為曝光時間。

2)處理結果及分析

由于425～499 km高度的氣輝輻射強度很弱，對于本文使用的探測器來說無法與噪聲區分，故未進行該高度范圍的夜氣輝輻射強度的反演。圖3～圖6給出了52～433 km內不同高度、不同地理緯度下夜氣輝的輻射強度的反演結果。

各高度及緯度的夜氣輝輻射強度及背景亮度處理結果如表3所示。在緯度方面，夜氣輝輻射在中高緯地區最小，中低緯地區達到最大，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的輻射規律一致且明顯：在80～110 km處輻射達到最大，然后隨著高度的增大而迅速減小。夜氣輝在160～269 km高度范圍內沒有明顯的輻射強度分布規律：在中低緯度地區時約230 km處最大，在低緯和中高緯地區時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的輻射規律一致：隨著高度的增加輻射強度逐漸減弱。整體來說，夜氣輝在約90 km處輻射最大，平均為105R量級，然后隨著高度增加迅速減小，在約350 km處，平均輻射強度為103R量級。為了更加直觀，繪制南半球中低緯度夜氣輝輻射強度隨高度的變化曲線(見圖7)，可以明顯看出夜氣輝輻射強度整體上隨高度的變化規律。

計算夜氣輝及黃道光背景亮度發現，背景在約90 km處的亮度可達單位積分時間每平方角秒近15星等，在約250 km處可達近19星等，在300 km及以上大于20星等。對于本文的探測器，在約90 km處單位積分時間內一個像元的亮度近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(見圖8)，可以明顯看出單位積分時間每平方角秒內夜氣輝及黃道光背景亮度隨高度的變化規律。

需要說明的是，由于試驗條件限制，獲取觀測數據的地理經度不同，且氣輝的輻射強度隨緯度和經度是變化的，所以圖7和圖8的四段曲線并不能完全連續。

表3 夜氣輝輻射強度及背景亮度處理結果Table 3 The processing results of airglow radiative intensity and background brightness

2.2 夜氣輝對恒星和碎片提取的影響

由上述分析可知，夜氣輝對恒星和碎片的影響主要體現在暗的恒星和碎片可能被淹沒在氣輝中無法識別。本文選取氣輝強度最大的52～172 km高度的試驗圖像，在去除氣輝及黃道光背景后進行恒星提取，并使用完備度接近100%的USNO B1.0星表為對照標準，進而統計恒星的提取概率受氣輝的影響結果。

首先利用觀測圖像氣輝的相對不變性和恒星的運動特性，將多幅圖像疊加再做平均處理，得到氣輝及黃道光背景(見圖9)，然后將觀測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]完成星點的提取，提取效果如圖10所示。

統計13等恒星(亮于探測極限)的平均提取概率為40.5%(在此試驗弧段中，探測相機視場中13等星理論的平均數量為476，實際提取出的13等星的平均數量為193)。可見，氣輝對恒星提取有嚴重影響。

在本文的觀測中，碎片與恒星的光學特征類似，均在幀序列圖像中有相對運動并產生“拖尾”，故本文未對碎片作特別分析。

3 結 論

本文基于天基空間碎片探測技術科學試驗衛星的探測相機，設計并完成了52 km～500 km的不同地理緯度的夜氣輝觀測試驗，通過對數據的處理與分析，得出如下結論：

1)夜氣輝輻射隨緯度和高度呈現一定的分布規律。中高緯地區最小，中低緯地區達到最大，在赤道附近稍微減小；在約90 km處，氣輝輻射最大，平均為105R量級，隨著高度增加迅速減小，在約350 km處，平均輻射強度為103R量級。觀測結果與模型模擬輻射強度及普遍趨勢規律一致。

2)夜氣輝背景對恒星和碎片的提取有嚴重影響。基于光學探測器的試驗結果表明，夜氣輝背景(含黃道光)在約90 km處的亮度可達到單位積分時間每平方角秒近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，觀測時亮度小于對應值的恒星和碎片將被淹沒在氣輝背景中。對試驗中氣輝輻射最強的幀序列圖像進行恒星提取，13等星的提取概率只有40.5%。

3)在天基光學暗弱碎片探測時，為了提高恒星和碎片的檢測、提取成功率與定位精度，避免受到夜氣輝的影響，在設計觀測試驗時應盡量使相機下邊沿的臨邊切點高度大于300 km。

本文在構建氣輝及黃道光背景數據時，根據背景及恒星的不同運動特性，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據對于每幅圖像來說均有一定誤差，若后期進行碎片定位及定軌計算，需采用精度更高的去除背景的方法。另外，由于試驗條件限制，本文只獲取了有限經緯度下的觀測數據，得到了初步的分析結論，后續仍需補充試驗數據，增強結論的完整性和全面性。