空間目標光譜實測技術與表面材料分析研究

鄧詩宇， 劉承志， 譚 勇， 劉德龍， 姜春旭， 康 喆， 李振偉， 范存波，4， 成偉， 張 楠， 陳 龍， 牛炳力.2， 呂 眾

1. 中國科學院國家天文臺長春人造衛星觀測站， 吉林 長春 130117 2. 中國科學院大學， 北京 100049 3. 長春理工大學理學院， 吉林 長春 130022 4. 中國科學院空間目標與碎片觀測重點實驗室， 江蘇 南京 210008

引 言

目前， 用于空間目標的觀測和研究的主要手段是雷達和光學觀測。 雷達技術主要針對低軌道目標進行觀測， 其具有靈敏度高、 自動化程度高等優點。 與雷達技術相比， 光學觀測除可進行低軌道目標觀測外， 其觀測范圍可以覆蓋到高軌道目標(geostationary orbit, GEO)。 此外， 光學成像手段還可以提供更多的目標空間分辨信息。 然而， 對于中高軌道的暗弱目標， 光學觀測受限于衍射極限， 只能進行目標的軌道觀測。 空間目標的光譜觀測， 對于低軌道目標， 其顯示出目標可見相位面材料、 姿態分辨的應用潛力； 對于中高軌道目標， 光譜觀測提供光譜維度的信息， 實現目標的材料特征提取與歸納。 因此， 在保障空間目標安全， 以及正常運行， 對空間目標跟蹤探測是必要步驟， 對其觀測、 維護、 預警等方面研究， 進一步， 通過與空間目標軌道、 速度、 體積與質量等信息的比對， 可以提高研究者對在軌目標的認識并豐富對空間環境的了解， 對空間目標的探測具有重要的研究意義。

1 國內外研究現狀

2000年， Jorgensen等[1]運用遠程光譜方法完成了人造空間物體主要表面材料光譜分類， 主要分為三大類： 金屬、 塑料、 油漆。 在2001年—2009年， 團隊中兩個獨立小組分別完成了一些在控衛星及空間碎片在400～900 nm波長范圍的遠程光譜測量。 Jorgensen等[2]利用位于美國空軍毛伊島光學站點(AMOS)的1.6 m望遠鏡， 收集了各種廢棄火箭箭體以及在多種軌道上廢棄衛星的光譜測量結果。 通過一系列試驗， 得出結論： 不同規格的物體具有明顯不同的反射光譜， 通過光譜分析識別不同的材料類型是可行的。 此外， Jorgensen等指出[3-4]， 除了美國慣性面上級火箭箭體(SCN 19970)以外， 與實驗室測量相比， 所有收集的人造空間物體光譜均在波長范圍大于650 nm時顯示出反射率增加的特性。 作者同時提到， 目標的反射光譜與被觀測物體的在軌時間或軌道高度等信息并不相關。 Guyote[5]針對上述現象進行研究， 并利用紅化效應對其進行解釋， 但其內在物理過程至今未有定論。 Schildknecht[6]等在2008年11月—2009年5月期間運用歐洲太空總署空間碎片望遠鏡(ESASDT)， 對GEO及附近軌道的空間碎片進行可見波段的光譜測量。 實驗結果表明光譜測量值隨著照明和觀測幾何角度而變化， 但并沒有對這種變化進行深入分析。 文章指出， 空間目標的實測光譜與在實驗室中的材料樣品光譜差異顯著， 兩者的比較難以得出空間目標表面材料特征。 Seitzer等[7]觀測并分析了GEO軌道中空間碎片的光譜。 他們利用低色散測量光譜儀(LDSS3)， 在智利拉斯坎帕納斯天文臺使用6.5 m麥哲倫雙星望遠鏡觀測了兩個晚上共計6顆空間碎片物體。 將碎片光譜與NASA高級星載熱輻射和反射輻射計(ASTER)光譜庫[8]中包含的航天器材料的光譜進行比較。 最后， 收集的光譜與任何實驗室光譜都不匹配， 這使得作者無法確定觀察到的空間碎片物體的表面組成。

隨著我國對航空航天領域科學研究的大力支持， 空間探索與其表面材料分析方面有了一定的發展。 浙江工業大學的唐軼峻等[9]于2013年選取日本測量衛星AJISAI， 中國長征系列火箭箭體及其碎片三種不同類型的高面質比空間碎片作為研究對象。 實驗中該團隊對所選取的空間碎片圖像做還原處理以修正大氣消光和望遠鏡光學系統的影響， 抽取碎片光譜曲線， 將實測光譜曲線與樣本材料進行比對， 分析兩者光譜曲線特性。 研究中低分辨率色散光譜數據表明： 該方法對于單一表面材料為主的衛星和火箭箭體等高面質比空間碎片具有較高的準確性， 其相關系數大于0.9。 上海天文臺的趙曉芬等[10]利用中國科學院國家天文臺興隆觀測站的施密特望遠鏡， 對CCD圖像中的地球靜止軌道(GEO)衛星進行了多色測光觀測， 并對結果進行了分析。 比較所選擇的4顆目標衛星的觀測結果， 得出結論： 不同類型的對象強度曲線和顏色指標存在顯著差異。 單個物體的曲線在不同觀測夜具有較強的相似性。

本文基于1.2 m空間目標光電望遠鏡與光譜終端獲取光譜數據， 將獲取的6個空間目標光譜數據分別進行反演， 通過6種常用航空材料的反演結果顯示所有目標均可解析出至少2種材料， 其共同反演出現金色保溫膜， 它是空間目標表面一定含有的材料之一， 其所占表面積比例也較高， 結果分別約為0.75， 0.78， 0.78， 0.59， 0.71和0.45。 其中， 4個目標反演出現碳纖維板， 結果分別約為0.19， 0.22， 0.07和0.24； 3個目標反演出現砷化鎵， 結果分別約為0.07， 0.15和0.17； 2個目標反演出現Si， 結果分別約為0.29和0.55。 并且置信度分別約為84.7%， 80.4%， 84.1%， 82.8%， 82.6%和79.6%。 實驗結果表明數據更接近外太空空間目標真實情況， 說明觀測方法可信性更高， 可以在觀測技術、 獲取數據、 研究分析等空間目標領域進行開展。 該方法可為精密跟蹤型空間目標觀測拓展研究領域， 不僅具有切實的國防應用前景也具有目標所在空間環境分析的科學意義。

2 空間目標探測方案

空間目標觀測部分主要由三個步驟組成： 第一， 望遠鏡端與終端設備聯合調試； 第二， 控制跟蹤空間目標； 第三， 獲取光譜圖像。 觀測地點位于中國吉林省， 觀測時間為2019年10月至11月。 望遠鏡端由1.2 m大口徑空間目標光電望遠鏡、 望遠鏡電控伺服系統、 望遠鏡導星鏡系統組成； 圖1為望遠鏡端示意圖， 表1為望遠鏡參數； 終端由液晶可調濾 光器(liquid crystal tunable filter, LCTF)、 sCMOS相機、 自制恒溫陶瓷加熱片組成， 圖2為終端盒照片， 表2為終端設備參數。 實驗中首先將LCTF放置sCMOS相機前， 同時接入自制恒溫陶瓷加熱片(保證LCTF工作溫度處于15 ℃以上)。 以上裝置依次連接后， LCTF、 陶瓷加熱片及sCMOS相機分別通過USB協議連接至望遠鏡控制室。

圖1 望遠鏡端整體示意圖

圖2 終端盒照片

實驗利用1.2 m望遠鏡的卡塞格林焦點， 結合導星鏡方便目標的尋找和實時監測。 望遠鏡跟蹤目標的軌道數據均來自Space-Track。 觀測中根據目標亮度選擇終端相機合理的曝光時間和波長間隔(LCTF限制最小為1 nm)， 并記錄觀測環境數據。

表1 1.2 m大口徑空間目標光學望遠鏡參數

表2 終端設備參數

3 空間目標光譜數據

3.1 空間目標實測數據提取

數據處理計算機采用ThinkStation P320， 通過天文學測光軟件IRAF2.7， SAOImageDS9， XQuartz在Anaconda環境下， 實現半自動化光譜數據的提取。

對數據提取實驗步驟： 第一步， 圖像預處理： (1) 篩選圖像， 去除差圖像； (2) 計算CCD讀出噪聲和增益。 第二步， 圖像改正： (1) 本底合并； (2) 去本底后的平場合并； (3) 觀測圖像的平場、 本底改正。 第三步， 繪制提取的一維光譜數據。 圖3為某目標在400， 435， 475， 515， 555， 595， 635， 675和720 nm波長處測光圖像。 圖4為圖3所示目標的一維光譜數據。

圖3 目標在不同波長處采集圖像

圖4 目標處于不同波長處亮度隨波長變化

數據處理步驟：

第一步， 去除太陽光譜： 確定太陽光譜數據與實驗數據的波長分辨率相同， 用實驗數據除以太陽光譜數據， 暴露目標特征譜。 如式(1)所示。

(1)

式(1)中，O(λ)為測量數據， Sun(λ)為太陽光譜數據，O′(λ)為去除太陽光譜后的目標特征譜。

第二步， 去除大氣光譜： 本實驗采用大氣光譜透過率計算軟件擬合得到大氣光譜透過率， 再經過傳遞過程進行依次修正， 確定大氣光譜透過率與實驗數據的波長分辨率相同， 用實驗數據除以對應角度的大氣光譜透過率數據， 去除大氣光譜透過率的影響。 如式(2)所示。

(2)

式(2)中，O′(λ)為去除太陽光譜后的數據，T(λ)為大氣光譜透過率數據，F(λ)為去除大氣光譜透過率后的數據。

第三步， 去除光譜儀傳函： 空間目標散射光譜數據， 受到測量儀器傳遞函數的影響， 包括望遠鏡中透射鏡片、 反射鏡片、 薄膜等光譜透過率的影響以及光譜相機中液晶可調諧濾波器的效率、 準直聚焦鏡的光譜透/反射率， 探測器的光譜響應等。 通過標準連續光源獲得望遠鏡的光譜透過率、 液晶可調諧濾波器的光譜透過率， 最終獲得測量系統總的光譜透過率函數， 即儀器傳遞函數。 確定儀器傳函數據與實驗數據的波長分辨率相同， 用實驗數據除以儀器傳函數據， 實現去除測量儀器傳函的目的。 如式(3)所示。

(3)

式(3)中，F(λ)為達到望遠鏡鏡面的數據，H(λ)為儀器傳函數據，M(λ)為去除儀器傳函后的目標本征譜。

經過上面所示三個步驟[11]， 得到反映空間目標本征譜。 最后將其進行歸一化處理， 以便后續分析。 目標光譜數據經過去除太陽光譜、 大氣光譜透過率、 測量儀器傳函影響， 圖5為6個空間目標原始觀測數據。

圖5 六個目標的原始觀測數據

3.2 空間目標表面材料反射光譜數據含義

空間目標表面材料分析主要通過觀測得到的反射光譜數據與實驗室獲取的較為常用的單一材料反射光譜數據進行比較分析， 從而判斷是否含有某種材料以及所含比例[12]。 由于材料的表面物理特性不同， 所呈現出的譜型也不同， 如形態、 特殊波段特征值等[13]。 當前階段國內外己經有多家科研機構建立了常見空間目標材料的反射光譜數據庫[14]， 但是大多不對外開放， 少部分需經過申請后， 方可使用[15]， 極大地限制了基于材料光譜特性的研究工作的開展。

3.3 實測數據與表面材料反射光譜數據匹配與分析

對多自變量的回歸建模， 特別當各變量內部高度線性相關時， 用偏最小二乘回歸法(partial least squares regression， PLS)[16]能夠更有效對光譜數據進行分析， 其是基于主成分分析與回歸的多元數據分析方法， 基本思想為求解優化問題， 如式(4)所示。

max{Cov(t1,u1)}=max[E0w1,F0c1]

(4)

求出w1和c1是利用拉格朗日乘數法， 需滿足如式(5)所示。

(5)

求出w1和c1可得第一個主成分t1和u1， 然后求出E0和F0對t1的回歸方程

用殘差矩陣E1和F1代替E0和F0， 求出w2和c2和第二個主成分t2和u2有t2=E1w2和u2=F1c2， 構建回歸方程

以此計算方可得到

上述公式根據其性質主要適用于解決共同具有以下兩種問題的情況： (1)擁有共同線性特征的變量， 甚至擁有數量較多的自變量， 由于其自變量數量大于待觀測列； (2)用于建立預測估計的回歸方程。 利用偏最小二乘法， 設定PLS components為1， 以保證各權重為單位量； 將樣品光譜矩陣乘以對應權重值加和， 與反演光譜進行對比； 得到反演權重中包含了反射率信息， 反射率比是將不同光譜譜線減去基底后進行曲線積分， 用積分值作比； 反演面積比就是權重與反射率比相除， 得到的比值即為反演面積比， 同時可以用置信度來衡量面積比的可信度， 設目標X的分布中含有一個未知參數θ，X1,X2, …,Xn是來自目標X的樣本。 如果對于給定的概率1-α(0<α<1)， 存在兩個統計量θ1=θ1(X1,X2, …,Xn)和θ2=θ2(X1,X2, …,Xn)， 使得P{θ1<θ<θ2}=1-α， 則把1-α視為置信度[17]。

4 結果與討論

研究所使用的6種常見航空材料分別為硅板、 白漆、 多層銀色膜、 金色膜、 砷化鎵板和碳纖維板。 反射光譜來自長春理工大學并錄入靶標材質數據庫。 目標材質特性分析軟件的核心算法為偏最小二乘法的空間目標反演模型， 經過和靶標材質數據庫中的譜線比對， 得出不同組分的面積比、 置信率以及殘差曲線。 該方法簡單、 高效、 可靠。 下面分別給出6個空間目標表明材料結果與分析。

經過光譜數據反演， 目標1可觀測相位面主要含有砷化鎵、 金色保溫膜和碳纖維板三種材料， 其面積比例為0.069 6∶0.744 6∶0.185 7， 反演置信度達84.669 2%； 目標2可觀測相位面主要含有金色保溫膜和碳纖維板兩種材質， 其面積比例為0.783 9∶0.216 1， 反演置信度達80.436 8%； 目標3可觀測相位面主要含有砷化鎵、 金色保溫膜和碳纖維板三種材質， 其面積比例為0.151 9∶0.779 4∶0.068 7， 反演置信度達84.097 5%； 目標4可觀測相位面主要含有砷化鎵、 金色保溫膜和碳纖維板三種材質， 其面積比例為0.169 9∶0.590 2∶0.239 9， 反演置信度達82.818 8%； 目標5可觀測相位面主要含有Si和金色保溫膜兩種材質， 其面積比例為0.293 6∶0.706 4， 反演置信度達82.579 9%； 目標6可觀測相位面主要含有Si和金色保溫膜兩種材質， 其面積比例為0.550 9∶0.449 1， 反演置信度達79.590 9%。 圖6為目標1—6的反演結果。

圖6 反演結果

表3為6個空間目標結果統計信息。 其中， 金色保溫膜在6個空間目標反演結果中都出現， 說明其為空間目標可不缺少的表面材料之一， 并且所占表面比例較大， 由實驗模型可知， 空間目標實際組成與此相同； 碳纖維板、 砷化鎵、 Si反演結果比金色保溫膜數量小且占比也少。 反演置信度為79.5%～84.7%之間， 顯示出更接近真實狀態。 通過上面實驗過程與結果分析可知， 本研究方法可行性高、 反演結果可信度好。

表3 六個空間目標反演結果統計

5 結 論

空間目標表面材料實測光譜數據反演是識別目標信息的前提， 本文通過對6個空間目標表面材料占比、 置信度進行反演， 反演結果至少出現兩種材料卻置信度在80%左右。 結果表明通過簡單光學設備聯調獲取高光譜圖像以及天文學方法提取一維光譜， 再通過偏最小二乘估計方法進行反演， 是完整的一套探測技術方法。 本方法技術實施性與人物力成本性價比較高， 同時有較好的可持續性， 對后續空間目標研究提供可行性參考。