系统仿真学报白天空间目标可见光探测仿真研究Word文件下载.docx
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BasedontheSTK/XtechnologyandtheIntegrationofanatmosphericcalculationprogram（MONTRAN）,a
simulationplatformforvisiblelightdetectionofspaceobjectsindaytimewasproposedtoresearchtherelatedtechnologyby
simulationinvisiblelightdetectionofspaceobjects.Theestablishmentandrealizationoftheobjectbrightnessmodel,obitmodel,atmospheremodelandtheGround-baseddetectionsystemmodelwerecompleted.AdetectionsimulationexampleofaspaceobjectpassingbyChangshaarea,Chinaestimatedtheground-baseddetectionsystem’sabilitywhichmustbe
attainedofsuppressingstraylightatanangle.Simulationresultswhicharebasicallyconsistentwiththeactualsituationshowtheeffectivenessofsimulationsystem.Astheestablishmentofthesimulationplatform,morehelpofresearchonthe
visiblelightdetectionofspaceobjectsindeepisprovided,andtherelatedindicatorsforthedesignofdetectionsystem
provideatheoreticalbasis.
Keywords:
spaceobject;
detection;
magnitude;
STK;
simulation
以研究探测系统有效探测时间为例，进一步验证了平台的可引言行性。
随着地球外层空间资源不断开发,空间目标探测技术研1空间目标可见光探测仿真系统设计究越来越受到各国关注。
在大气层内对空间目标进行探测，
地面探测系统对空间目标探测过程如图1，主要考虑的往往因太阳辐射和大气散射等影响，使得探测只能在夜间深
是空间目标，大气，太阳对地面探测系统作用的过程。
要仿空背景下或晨昏大气散射较弱的情况下进行，为了提高对空
真这个过程主要完成地面探测系统，空间目标，大气辐射，间目标探测效率，获取更多的有效数据，增强对目标探测的
太阳辐射四个部分的建模。
灵活性，研究白天空间目标可见光探测技术有着十分重要的
意义。
SunTarget为了降低风险和试验成本，验证关键技术，仿真研究成
为有效手段之一。
空间目标可见光探测系统是一个复杂的，
Atmosphere多任务的大系统，为了仿真其对目标探测的全过程需要对多
个对象建模。
同时为了加快仿真应用系统的开发效率，在仿
真运行集成环境中，三维场景采用了美国AGI公司的DetectorSTK8.1版本的三维图形环境，通过该公司提供的STK/X工
Earth具包，实现了STK与仿真应用程序的有效结合。
在系统大
气有关模型的建立中，设计了基于MONTRAN的多线程结图1白天空间目标探测过程图构，把MONTRAN在大气计算方面的优势有效的整合到仿
1.1系统总体结构真系统中，提高了仿真系统大气计算方面的精度。
本文最后
在对参考图1中各相互作用对象功能分析的基础上，本收稿日期:
2008-12-19修回日期:
2009-06-02作者简介:
刘磊（1981-）,男,江西万年,工程师,研究方向为作战模拟与文设计并实现了白天空间目标可见光探测仿真系统。
按照层仿真;
罗成（1973-）,男,江西九江,工程师,研究方向为作战模拟与仿次化、模块化的设计思想，整个系统主要划分为动态显示、真;
华卫红（1968-）,女,浙江宁波,教授,研究方向为作战模拟与仿真。
第23卷第1期Vol.23No.12011年1月系统仿真学报Jan.,2011
数据管理、仿真计算、仿真驱动，数据库五个部分（如图2）。
2.1.1空间目标亮度模型
空间目标本身不发光，主要通过反射太阳辐射在探测系DatabaseTargetmanager统上产生亮度信息。
DynamicdisplayDatamanager空间目标形状非常复杂，要精确模拟其亮度大小很困Simulationresults
难。
通常将其抽象描述为平面、球面、柱面和锥面等组合，Moduleofsimulation[1]:
目标地面照度近似表示为Atmosphericmodel，Detectormodel
（1）SpaceobjectsmodelEE,obji,Solarradiationmodeli
式中为平面、球面等。
iSimulationdriventhreadE取太阳为参考星，其在大气层外可见光范围内照度为,0
E,atmosobj为大气透过率，于是在地面照度为的目标亮度为:
图2仿真系统结构图
Eobj
（2）,,,26.742.5lg（）Mobj1.2系统各模块功能,E0atmos
仿真系统中动态显示模块主要完成功能:
二维、三维场空间目标反射太阳光主要包括:
太阳能电池板和目标本景显示，系统各对象显示，系统对象运行状态显示和仿真数体两个部分的反射。
下面分别对这两个部分进行分析。
据实时显示。
（1）太阳能电池板光度特性分析
数据管理模块负责完成各模型初始化参数输入，仿真数太阳能电池板在其受光照全过程假设太阳光为平行光，
据结果输出，相关数据报告生成，仿真场景记录等功能。
保持最佳受晒状态，电池板对太阳光的反射为漫反射，不考
在仿真计算模块中，空间目标模块主要完成目标轨道参虑电池板镜面反射影响，可得太阳能电池板在探测器形成的数生成，目标亮度信息计算;
大气模型参数完成大气传输透辐照度为:
21,过率计算，大气散射计算和太阳辐射计算;
探测器模型通过ElAE,（）coscos,,,,,opppatmossp（3）目标亮度信息和背景亮度信息实时给出自身探测目标能力式中l为目标距离，A为太阳能电池板面积，为电,pp的参数大小。
E池板漫反射率，为太阳在目标处照度，为太阳入射方,sp仿真驱动模块控制了整个仿真的运行，通过消息驱动的,向与太阳能电池板法线方向夹角，为太阳能电池板法线方式使系统各个模块按照一定时序运行。
方向与目标-探测系统夹角。
系统的数据库分目标管理和仿真数据管理两个部分。
目
（2）目标本体光度特性分析标管理主要完成需探测目标的形状，轨道等相关信息的管目标本体对太阳光反射，近似认为是漫反射。
根据具体外理，通过这个数据库达到快速生成仿真想定，提高系统仿真型，将其分解为球体、圆柱体、锥体等抽象形体的组合，参考效率的目的。
仿真数据管理部分存储了仿真的过程数据，以E[1]文中给出的算法，可以得出其在地面的近似总辐照度。
sa用于事后分析和仿真过程回放。
最后可以得出空间目标反射太阳光在地面的总辐照度为:
1.3系统软硬件环境（4）EEE,，satsaop
在开发此仿真系统时所用的操作系统是WindowsXP,开2.1.2可见光探测系统模型
发环境是VisualC++6.0,采用STK8.1版本实现空间目标模空间目标可见光探测器探测任务属于点目标探测，主要块开发,大气计算模型选用了MODTRAN3.7大气传输计算利用空间目标的太阳反射光进行探测。
对探测器探测能力的程序。
采用Oracle8i数据库实现仿真数据的存储。
分析是开展探测器建模的关键。
探测能力大小（即极限探测系统运行硬件环境，CPU:
IntelPIII800或更高;
内存:
星等）主要以探测器的信噪比来衡量。
大于1G;
硬盘空间:
20G以上;
显示卡:
标准VGA256色显一般信噪比被定义为:
示模式以上。
Ndetector（5）SNR,Nnoise2空间目标可见光探测仿真系统实现
NN式中:
为目标信号电子数;
为噪声源的噪声detectornoise2.1系统主要数学模型电子数。
仿真系统中主要用到了目标轨道预报模型，目标亮度计探测器在接收测量目标光谱信息同时也接收和测量噪
[2]算模型，大气散射计算模型，大气传输计算模型，地面可见声信号。
这些噪声信号包括探测器噪声、探测背景噪声、光探测系统模型。
参考相关资料并结合仿真运行实际，本文目标辐射光子噪声、驱动电路、温度环境噪声、目标与探测重点对空间目标亮度模型和地面可见光探测系统模型进行器间介质闪烁噪声等。
这里考虑主要噪声为探测器噪声、探了简化、提取与实现。
测背景噪声和目标辐射光子噪声。
第23卷第1期Vol.23No.1
2011年1月刘磊,等:
白天空间目标可见光探测仿真研究Jan.,2011
[3]探测器噪声包括转移噪声、产生复合噪声、暗电流噪由星等计算公式与参考文献，最终得到地基可见光探测
[4]:
声、量化噪声、电子读出噪声、模式噪声等，这里仅讨论主系统极限探测星等为
Mhc要贡献项探测器暗电流噪声。
它由载流子的热运动而产生,,,21.0252.5lg（mmin,,,,tAaatmos0的，是一种白噪声，其噪声均值表示为:
，为N,,Nddd22，，，4（）SNRSNRSNRNNdb（13）minminmin暗电流电子数。
探测背景噪声均值表示为:
，为N,,Nbbb）2背景辐射产生电子数。
目标辐射光子噪声均值表示为:
2.2系统实现关键技术，为目标辐射产生电子数。
总的等效噪声电子N,,Neee[4-5]2.2.1STK/X技术数为:
222目前对于结合STK开发的大型仿真应用系统，用户希（6）NNNN,，，,，，,,,noisedbedbe
望拥有其自身的界面和许多无须STK参与的功能，其对STK
（1）目标信号电子数计算
图形平台和数据分析模型的利用只是程序的一个部分,利用探测器光学系统外的目标光辐照度为，假设照度Eobject当前使用最多的STK/Connect接口方式进行二次开发已经均匀，在曝光时间光通量不变，则每个探测器像元接收目标
越来越突显其局限性。
为满足用户需求，AGI公司自STK6.0辐射能量为:
版本以后提供的用于该软件二次开发的工具包STK/X，该工（7）QtAE,,object0
具包使用了4DX嵌入技术生成的STK整合模块，此模块可式中:
为CCD探测器曝光时间，为有效通光面积，为,At0以将STK的功能嵌入到第三方软件中，而无需在运行第三光学系统和滤光片透过率。
方软件的同时打开STK软件。
采用该工具包开发的应用系[4]总目标信号电子数近似为:
统能够集成STK当中许多成熟的功能模块，具有良好直观（8）NtAEhcM,,,,（/）/eobjecta0
的可视化效果。
同时通过它可以大大降低定制软件开发难,式中为探测波段内平均波长，为探测器量子效率，,Ma度、提高开发效率、缩短开发周期。
自STK8.1版本以后，为目标成像所占像元个数。
STK/X由GlobeControl、MapControl、GraphicsAnalysis
（2）背景辐射计算
Control和Application四个部分，组成了STK/X对象模型。
对空间目标探测时，探测器可能接收到的背景辐射（如
在仿真系统中，通过VC，使用自动化技术生成一个客图1）主要有:
太阳直接辐射，空间目标辐射，大气的散射
户端，STK/X中的组件是一个自动化服务器，自动化客户经和自身辐射等。
大气辐射由于其有效温度在200-300K内，
过IDispatch接口完成与自动化服务器间的通信。
在小于4um的波长范围内辐射量很小，这部分可以忽略。
仿真系统利用STK/X实现接口过程如图3:
对于大气散射产生电子数可近似表示为:
tAhcS,,,,（/）0atmosadetectorComponentinitialization（9）,NLscatB2f
式中，是由大气散射引起的天空辐射亮度，是探测LSRegisterdocumenttemplateBdetector
器像元面积大小。
Create2Dand3Dview对于太阳直接辐射，为太阳在地球上的光谱照度。
Esun
在探测器视场外，太阳辐射主要对探测系统产生杂散光的影
Createtheeventsink响，一般用点源透过率来描述探测系统消除杂光的能力，当
探测系统光轴与探测器-目标连线的夹角为时，得探测系Sendlinkcommand统点源透过率:
E（）,d图3STK接口实现过程图（10）,PST（）,Ecos,sun在STK/X中的组件完成初始化后，示例语句如下:
为太阳光进入光学系统后在探测器上的辐照度，E（）,dCAgSTKXApplicationm_STKApplication;
0/2,,,,,,,/2，当，当探测系统背光工作，。
E（）0,,dm_STKApplication.ExecuteCommand（"
New/Scenario"
+m太阳直接辐射在探测器探测单元产生电子数近似为:
_strScenarioName）;
//新建场景（11）NtSPSTEhc,（）cos（/）,,,,sundetectorsuna
2.2.2大气传输计算程序合成技术NNN,，可得背景辐射电子数为:
bscatsun
（3）极限星等探测能力计算对于大气传输透过率和大气散射的计算，目前已有的方
[6]SNR假设探测系统最小可探测信噪比为，则:
法中最常用的是辐射传输模型法，它是利用电磁波在大气min
22中的辐射传输原理建立起来的，应用比较广泛的就有6S、SNRSNRSNRNN，，，4（）dbminminmin（12）N,e2MODTRAN、LOWTRAN和ATOCOR模型。
在本系统中，
2011年1月系统仿真学报Jan.,2011
合成了MODTRAN3.7大气传输计算程序，通过调用该程序
完成大气传输透过率计算、大气散射计算和太阳辐射计算
（如图4）。
CalculationprocessInputandoutputbyMONTRANfiles
Callwriteread
Simulationprocess
图4大气传输计算程序调用图
2.3仿真系统运行流程
图7目标模型初始化界面图仿真主线程的运行流程如图5:
下面我们使用仿真系统分析白天探测空间目标，太阳直Start
射对目标探测的影响。
Parameterinitialization设某空间目标呈圆柱体，底面直径D=2m，高度h=8m，
Create带一对太阳能电池板，尺寸为2m×
6m;
旋转对称轴的定位thread方向在轨道半径方向上;
轨道高度为440km×
470km，偏心
Timestep-59.4×
10;
轨道倾角97.2?
;
升交点赤经44.987?
近地点辐角
noOrbitcalculation,82.18?
平均角速度15.399;
平近点角82.18?
目标圆柱体Targetspotted表面漫反射率0.1;
太阳能电池板漫反射率为0.01。
yesAtmospheric设探测站的地理经度112.968?
，纬度28.198?
，海拔高Showparameterstransmissioncalculation度H=100m;
探测时刻t=2008.11.26.11:
32:
00-11:
38:
00;
光学LimitedmagnitudeMagnitudecalculationcalculation设备探测条件为:
目标受晒且处于地平线18?
角之上。
探测
器口径0.4m，焦距1.5m，光学系统透过率0.7，量子效率noMagnitudegreaterthanlimitedmagnitude0.28，积分时间100ms，暗电流噪声电子数100，探测信噪
yes比为6，像元尺寸13um×
13um，像元数量1024×
1024，目标Showorbitalparameters成像所占像元数4。
Showtargetmagnitude设太阳能电池板始终处于最佳受晒状态，即太阳能电池
no板法向矢量始终与太阳-目标连线保持所能达到的最小夹End
yes角。
Outputresults大气选择中纬度冬季，乡村能见度23km，可见光范围
图5仿真系统运行流程图内（0.38-0.76um）
由以上条件仿真条件，假设探测全过程探测器没有太阳3仿真系统应用与分析
直射对其影响，只受到大气对太阳光散射的影响得到数据如如图6、图7分别为系统运行初始化界面和目标模型初图8。
始化界面截图。
Thetargetmagnitude10Limitedmagnitudeofthedetector
9
8
7
6Magnitude5
4
311:
33:
1811:
34:
3811:
35:
5811:
37:
18Time（hh:
mm:
ss）
图8极限探测星等与目标星等变化图6仿真系统界面图
由图8，当目标星等值大于极限探测星等值时，就可以需要考虑在与太阳视轴夹角一定范围内，探测系统点源透过判定探测器在这个时间将无法对目标完成探测。
率要达到多少才能探测目标。
在实际探测中，由于太阳直射亮度过大，往往造成探测由仿真计算可得，目标过境时间内太阳高角大约为40
2器饱和，只有当探测器背光工作时才能忽略太阳直射对其造。
由式（10）（11），当目标度，在地面的辐照度为369.48W/m成的影响。
视轴与探测器-太阳轴夹角为50度时，探测系统点源透过率
-7在11:
22时刻后目标视轴与探测器-太阳连线的夹角要小于10。
小于90度（如图9）,考虑探测器受到的太阳直射影响（假天空目标几何形状比较复杂，本文的数学模型只能近似设探测系统点源透过率为1）,得到仿真数据如图10。
的给出其星等的变化范围，对于低轨道目标，线性大小在米
量级，目标表面漫反射系数在0.1量级，在典型的太阳角情Thetargetelevation130Inclinationbetweensightaxisoftarget况下其星等变化在4-9之间，较大目标（如空间站）星等大anddetectortosunaxis110小能到2以上，这一分析结果与实际情况基本一致（文献[10]
中给出了部分天体的亮度数据在4-9之间）。
90
4结论70
Angle/deg本文结合有关数值模型，基于STK/X等相关技术提出50
了白天对空间目标可见光探测模拟系统的设计与实现过程，30通过这些技术在仿真系统中整合了目前通用的目标轨道计
10算平台STK与大气传输计算平台MODTRAN。
同时系统结11:
ss）合各平台的优势完成了白天对空间目标探测全过程的三维模拟显示，相关数据参数计算等。
目前仿真系统功能已经基图9目标过境角度变化
本实现，通过该系统能够分析包括目标过境的有效探测时LimitedmagnitudeofthedetectorThetargetmagnitude10间，目标亮度大小，以及要达到某探测目的地面系统需要的
设计指标等，为理论研究与实际探测工作提供了参考。
9
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