張科科李宗耀胡海鷹朱振才楊根慶1,

(1上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海200050)(2上海微小衛(wèi)星工程中心,上海201203) (3中國科學(xué)院大學(xué),北京100039)

基于天基光學(xué)探測圖像初析南大西洋異常區(qū)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(tǒng)與信息技術(shù)研究所,上海200050)(2上海微小衛(wèi)星工程中心,上海201203) (3中國科學(xué)院大學(xué),北京100039)

文章針對目前在軌運(yùn)行的高靈敏度探測類可見光遙感器經(jīng)過南大西洋異常區(qū)(South Atlantic Anomaly,SAA)時(shí)出現(xiàn)的探測能力降低、目標(biāo)無法識別等現(xiàn)象,通過衛(wèi)星在軌獲取的SAA天基探測圖像研究圖像中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象機(jī)理;提出了基于CCD探測器固有暗像元區(qū)的圖像特征變化開展SAA影響評估的方法,根據(jù)在軌圖像暗像元區(qū)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差、圖像區(qū)的熱像素及活像元等特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析,判斷經(jīng)過SAA過程中連續(xù)獲取的圖像中出現(xiàn)顯著影響時(shí)的拐點(diǎn),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(jìn)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(wèi)星SAA區(qū)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(jié)果和認(rèn)識,給出了高靈敏度探測類衛(wèi)星避免或消除SAA影響的改進(jìn)措施和建議。文章采用的數(shù)據(jù)分析和評估方法為提升SAA對天基探測影響的認(rèn)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(qū);高能粒子;暗像元;熱像素;活像元;天基探測;衛(wèi)星

1 引言

南大西洋異常區(qū)(South Atlantic Anomaly,SAA)是指地球上一片地磁最弱的區(qū)域,其中心約位于西經(jīng)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(qū)為負(fù)磁異常區(qū),使得內(nèi)輻射帶在該區(qū)域的高度明顯降低,三維結(jié)構(gòu)像一個(gè)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(qū)(SAA)。SAA是引起低軌道航天器輻射損傷嚴(yán)重的區(qū)域,也是帶電粒子誘發(fā)航天器異?；蚬收系母甙l(fā)區(qū),常規(guī)的低軌衛(wèi)星均會經(jīng)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(jì)輻射劑量超過承受要求時(shí)引起CCD器件的損壞[4-6]。同時(shí),對于衛(wèi)星的電子學(xué)部分也容易引起發(fā)生單粒子事件。目前在軌天基探測衛(wèi)星(如哈勃望遠(yuǎn)鏡、美國“中段空間試驗(yàn)”衛(wèi)星天基可見光相機(jī)(MSX-SBV)、加拿大微小衛(wèi)星“藍(lán)寶石”(Sapphire)和“近地物體監(jiān)視衛(wèi)星”(NEOSSat)等)已探測并獲取相關(guān)受SAA影響的圖像數(shù)據(jù)它們主要以統(tǒng)計(jì)圖像中出現(xiàn)的活像元、熱像素、CCD轉(zhuǎn)移效率等情況來表征SAA的影響程度,常以關(guān)閉鏡頭保護(hù)蓋、載荷關(guān)機(jī)不工作、SAA數(shù)據(jù)處理、算法修正、退火處理等為手段,來規(guī)避和減輕SAA的影響[7-9]。2013年7月,中國發(fā)射了天基空間碎片探測技術(shù)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星,軌道高度670km,軌道傾角97°,軌道周期98 min,運(yùn)行在晨昏太陽同步軌道。星上裝載有空間碎片探測相機(jī),采用高靈敏度CCD探測器,雙通道輸出(主要性能參數(shù)如表1所示),首次獲取了衛(wèi)星通過SAA區(qū)域的天基光學(xué)探測圖像,彌補(bǔ)了以往基于模型的地面分析仿真的不足。文章基于衛(wèi)星獲取的天基光學(xué)探測圖像,通過衛(wèi)星在軌獲取的SAA天基探測圖像,對圖像中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象機(jī)理及評估SAA影響程度的方法開展研究。

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

2 SAA天基探測圖像現(xiàn)象和原因

2.1 受SAA影響的圖像現(xiàn)象

衛(wèi)星執(zhí)行空間碎片探測試驗(yàn)任務(wù)中,先后多次經(jīng)歷了SAA,有效載荷探測相機(jī)在此區(qū)域開機(jī)成像。圖2(a)和(b)是探測相機(jī)在同一軌中通過SAA區(qū)域時(shí)和通過后獲取的反色后圖像(原圖像中的白色亮點(diǎn)、亮斑和亮線呈黑點(diǎn)、黑斑、黑線狀),通過比較可以明顯看到,圖2(a)衛(wèi)星經(jīng)過SAA區(qū)域獲取的圖像受到了大量高能質(zhì)子的轟擊,由此引起的星點(diǎn)狀和條痕狀現(xiàn)象明顯,星點(diǎn)狀現(xiàn)象導(dǎo)致圖像中亮點(diǎn)大量增加,與恒星背景混雜在一起,目視無法有效區(qū)別;圖2(b)衛(wèi)星經(jīng)過SAA區(qū)域后獲取的圖像條痕狀和干擾星點(diǎn)狀現(xiàn)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(shù)據(jù)觀察和比對,可知在SAA區(qū)域圖像噪聲顯著增大,CCD左右暗區(qū)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(xiàn)噪點(diǎn)。主要的現(xiàn)象和特征如下:

1)白色亮點(diǎn):在圖像中位置固定,如圖3(a)和(b)中的小黑點(diǎn)所示。它們占據(jù)單個(gè)像元,一旦出現(xiàn)不會消失,隨著在軌運(yùn)行時(shí)間的累積,數(shù)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(jī)分布,如圖3(a)中的黑色斑點(diǎn)所示。每一幀圖像均不相同,大都占據(jù)多個(gè)像元,形成虛假信號,出現(xiàn)后會消失,會對目標(biāo)識別造成干擾。

3)白色亮線:在圖像中隨機(jī)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(guī)律,出現(xiàn)后會消失。

2.2 出現(xiàn)SAA現(xiàn)象的原因和影響

出現(xiàn)上述現(xiàn)象,主要是因?yàn)镾AA區(qū)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(zhì)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(shù)科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星有效載荷探測相機(jī)自降交點(diǎn)開始工作經(jīng)極區(qū)至升交點(diǎn)停止工作,相機(jī)通過極區(qū)、SAA,由于在極區(qū)等高能電子、重離子分布相對較多的地方未發(fā)現(xiàn)同樣現(xiàn)象,故推斷歷經(jīng)SAA獲取圖像中的異常噪聲現(xiàn)象主要來源于高能質(zhì)子。

粒子事件對CCD器件的性能影響分為短期和長期效應(yīng)兩類。長期效應(yīng)是指粒子事件隨著時(shí)間的累積會對單個(gè)像元或電子設(shè)備造成永久的損壞。可以通過三個(gè)定量的值來監(jiān)測:1)暗電流噪聲的增加;2)遙感器電子設(shè)備直流偏置的變化;3)CCD轉(zhuǎn)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(yīng)造成的小量損傷[3]。短期效應(yīng)發(fā)生在單幀圖像上,高能質(zhì)子打到CCD像面上引起像元信號的瞬時(shí)增加,由于質(zhì)子運(yùn)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(tǒng)的瞬時(shí)噪聲,從而導(dǎo)致探測相機(jī)區(qū)分空間目標(biāo)能力降低[6]。

因此,天基探測圖像中隨機(jī)出現(xiàn)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(yīng)現(xiàn)象,而出現(xiàn)在多幅圖像相同位置的白色亮點(diǎn),即熱像素則屬于長期效應(yīng)。產(chǎn)生的這些大量圓點(diǎn)狀亮點(diǎn)、亮斑,直接導(dǎo)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(biāo)相似,在進(jìn)行目標(biāo)識別提取等圖像處理時(shí)會增加目標(biāo)虛警率。后續(xù)需要通過改進(jìn)目標(biāo)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(dǎo)致的CCD性能衰退則可以通過采用升溫退火或進(jìn)一步降低工作溫度來進(jìn)行糾正和補(bǔ)救。尤其是升溫退火,可以有效降低熱像素水平,在“哈勃望遠(yuǎn)鏡”、MSX-SBV衛(wèi)星上均成功運(yùn)用過[7,9],NEOSSat微小衛(wèi)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(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

3.1 CCD像面暗像元區(qū)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(tǒng)計(jì)其均值和標(biāo)準(zhǔn)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(qū)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(shù)據(jù),通過統(tǒng)計(jì)圖像暗像元的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)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(wèi)星連續(xù)四軌進(jìn)入SAAFig.4 Space-based satellite passed through the SAA region in four continuous orbits

選取連續(xù)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(gè)幀序列,從遠(yuǎn)離SAA至逐漸接近或進(jìn)入SAA,如圖4所示,可以清晰地看出, T0圈獲取的圖像樣本衛(wèi)星運(yùn)行軌跡未進(jìn)入SAA邊界區(qū)域內(nèi),T1和T3圈衛(wèi)星在試驗(yàn)?zāi)┒诉\(yùn)行軌跡進(jìn)入SAA邊界區(qū)域內(nèi),T2圈衛(wèi)星運(yùn)行軌跡末端則處于SAA中心區(qū)域附近。圖5給出了該連續(xù)四軌的各幀圖像暗像元區(qū)均值和標(biāo)準(zhǔn)差的散點(diǎn),可以看出T0圈衛(wèi)星在SAA外,暗像元區(qū)均值和標(biāo)準(zhǔn)差值分布集中,無明顯異常突出點(diǎn),暗像元區(qū)均值全部小于100,標(biāo)準(zhǔn)差小于135(接近圖像的底噪)。但T1～T3圈特別是T2圈,由于衛(wèi)星接近并靠近SAA區(qū)域中心,暗像元區(qū)均值和標(biāo)準(zhǔn)差異常突出點(diǎn)急劇增加,暗像元區(qū)均值出現(xiàn)100～300的值,甚至更高,標(biāo)準(zhǔn)差也出現(xiàn)135～145的值。該數(shù)據(jù)表征CCD器件受到了顯著的粒子轟擊并出現(xiàn)短期效應(yīng),使得噪聲明顯增大。表1列出了T0、T1、T2、T3圈四個(gè)幀序列圖像暗像元區(qū)左、右通道均值的均值和左、右通道標(biāo)準(zhǔn)差的均值。從表2中的數(shù)據(jù)也可以定量看出,T0圈暗像元區(qū)左、右通道均值最小;在受SAA影響最嚴(yán)重的T2圈,整軌的均值,特別是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)且均勻的。

圖5 連續(xù)四軌各幀圖像暗像元區(qū)標(biāo)準(zhǔn)差和均值的散點(diǎn)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Tab.2 Statistics of image data acquired in orbit T0,T1,T2 and T3

重點(diǎn)考察進(jìn)入SAA中心區(qū)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(wěn),但是一旦接近并進(jìn)入SAA中心區(qū)域,則波動呈明顯上升趨勢,T2圈根據(jù)多項(xiàng)式擬合的趨勢線的變化拐點(diǎn),確定拐點(diǎn)處圖像的獲取時(shí)間,從而可以得到對應(yīng)的衛(wèi)星運(yùn)行星下點(diǎn)緯度為-47.93°,經(jīng)度為-48.405°,說明衛(wèi)星運(yùn)行至該處時(shí)開始明顯受到SAA影響,圖像噪聲增大。通過此簡單方法,結(jié)合多圈次進(jìn)出SAA數(shù)據(jù),可以獲得多個(gè)經(jīng)緯度點(diǎn),確定衛(wèi)星明顯受到影響的SAA邊界,任務(wù)規(guī)劃的時(shí)候,可與仿真模型得到的數(shù)據(jù)相互印證,考慮適當(dāng)大小的區(qū)域規(guī)避。

圖6 第T2圈左右通道的均值、標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)計(jì)和分析

熱像素屬于脈沖噪聲點(diǎn),特點(diǎn)是灰度值大于背景值的孤立單像素點(diǎn),可采用圖像處理的方法統(tǒng)計(jì)計(jì)算每幅圖像里熱像素的個(gè)數(shù)。

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

圖7(b)為7月、8月、9月三個(gè)月相機(jī)均在700 ms積分時(shí)間下所形成的熱像素?cái)?shù)目變化?？芍?8月份比7月份的熱像素增長了376個(gè),9月份比8月份的熱像素增長了330個(gè),增長速度均勻,可見其變化是長期且穩(wěn)定的。至9月底,熱像素平均值為804個(gè),僅占整個(gè)1 024×1 024圖像像元總數(shù)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(biāo)檢測基本無影響。此外,8月份非SAA和SAA熱像素?cái)?shù)目基本在同一水平,也說明它是個(gè)長期效應(yīng)。

圖7 圖像中熱像素?cái)?shù)目統(tǒng)計(jì)Fig.7 Statistics of hot pixel number in images

3.3 活像元數(shù)目統(tǒng)計(jì)和分析

短期效應(yīng)產(chǎn)生的白色亮斑和亮線隨機(jī)分布且會消失,因此受其影響的像元也可稱為活像元,即經(jīng)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(qū)域粒子事件中以白色亮斑或者亮線占據(jù)4個(gè)像元數(shù)為最小判斷閾值對活像元數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),如圖8所示,可見從遠(yuǎn)離至接近SAA過程中活像元數(shù)目比較平穩(wěn),單幅圖像中數(shù)目基本不大于100個(gè);而在進(jìn)入SAA中心時(shí)活像元急劇增多,特別是T2圈,單幅圖像中數(shù)目最多達(dá)965個(gè),是T1、T3圈的4倍左右,是T0圈的7倍左右。

根據(jù)圖9統(tǒng)計(jì),占據(jù)8個(gè)像元以內(nèi)的亮斑占大多數(shù),約為82%。以單個(gè)亮斑平均占據(jù)6個(gè)像元計(jì)算,非SAA活像元數(shù)目約100個(gè),則污染的像元占整個(gè)1024×1024圖像像元總數(shù)約為0.057 2%;而接近SAA中心后,活像元數(shù)目約1 000個(gè),則污染的像元占整個(gè)1 024×1 024圖像像元總數(shù)達(dá)到0.572%,增加一個(gè)數(shù)量級,在不進(jìn)行相關(guān)圖像處理的情況下會對目標(biāo)的提取和識別帶來影響。

圖8 連續(xù)四軌活像元數(shù)目統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics of living pixel number in four continuous orbits image

圖9 單幅圖像中活像元個(gè)數(shù)和單個(gè)活像元所占像元數(shù)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(huán)境因素,對衛(wèi)星執(zhí)行空間科學(xué)探測、空間碎片監(jiān)測等任務(wù)具有非常顯著影響。在利用CCD探測器固有的暗像元區(qū)的圖像特征變化統(tǒng)計(jì)開展SAA影響評估的基礎(chǔ)上,首次提出基于連續(xù)多軌過SAA的天基探測圖像反演影響該軌道高度衛(wèi)星SAA區(qū)域邊界的簡單方法,很好地確認(rèn)了該軌道高度上會對相機(jī)探測性能產(chǎn)生明顯影響,導(dǎo)致圖像處理時(shí)目標(biāo)提取失效的SAA區(qū)域范圍;在AP-9模型的SAA仿真數(shù)據(jù)上進(jìn)一步縮小范圍,有效部署后續(xù)在軌任務(wù)規(guī)劃,既規(guī)避SAA的影響,又權(quán)衡在軌連續(xù)工作的觀測效能。

通過受SAA影響的圖像分析,進(jìn)一步認(rèn)為在天基探測類衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮避免或消除SAA的影響。主要改進(jìn)措施和建議如下:

1)在滿足任務(wù)需求的條件下,對SAA的影響進(jìn)行詳細(xì)仿真分析,權(quán)衡設(shè)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(jié)合發(fā)射約束,優(yōu)選衛(wèi)星采用的軌道高度和傾角,縮短通過SAA的時(shí)間;

3)規(guī)劃觀測策略,設(shè)置衛(wèi)星工作模式和相機(jī)開關(guān)機(jī)時(shí)間,可對SAA進(jìn)行合理規(guī)避,或通過姿態(tài)機(jī)動彌補(bǔ)探測效率和觀測區(qū)域的損失;

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

5)衛(wèi)星具備遙感器工作溫度調(diào)節(jié)和升溫退火功能,使得系統(tǒng)在低溫條件下運(yùn)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(fù);

6)通過地面模擬試驗(yàn)和在軌實(shí)測數(shù)據(jù),評估CCD器件抗輻射性能,預(yù)計(jì)參數(shù)退化規(guī)律,開發(fā)軟件算法進(jìn)行修正;

7)開發(fā)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(wù)的影響不可忽視,但分布有界、可控可防。下一步將通過結(jié)合在軌試驗(yàn)繼續(xù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、驗(yàn)證和評估,規(guī)劃出效率和風(fēng)險(xiǎn)兼顧的合理規(guī)避區(qū)域和觀測策略,開展SAA空間輻照環(huán)境、高能粒子對CCD損傷機(jī)理及在軌圖像實(shí)時(shí)修正處理技術(shù)等方面的研究,進(jìn)一步提高對天基探測類相機(jī)影響的認(rèn)識,為中國空間環(huán)境的科學(xué)研究和天基探測類衛(wèi)星的設(shè)計(jì)加強(qiáng)技術(shù)儲備。

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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(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位,副研究員。研究方向?yàn)槲⑿⌒l(wèi)星總體設(shè)計(jì)。