紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度在軌數(shù)據(jù)分析*

李一冰，楊 穎，吳 雷

(北京控制工程研究所，北京 100190)

O 引言

紅外地球敏感器［1］(IES，infrared earth sensor)是一種目前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星姿態(tài)敏感器.輻射強(qiáng)度(RI，radiant intensity)則是用于監(jiān)測(cè)IES對(duì)地球紅外輻射特性靈敏程度的遙測(cè)參數(shù)，可作為評(píng)估IES性能的參數(shù)使用.此外，輻射強(qiáng)度的波動(dòng)還會(huì)引起IES的測(cè)量誤差［2］，所以研究輻射強(qiáng)度的在軌變化規(guī)律是很有意義的.為了能夠及時(shí)有效對(duì)該參數(shù)進(jìn)行判讀，需要明確其在軌變化規(guī)律.對(duì)該參數(shù)長(zhǎng)期在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并給出其變化規(guī)律，可以為IES在軌性能評(píng)估提供有效依據(jù).目前罕有相關(guān)研究，由于缺少在軌數(shù)據(jù)的分析，相關(guān)研究主要以數(shù)學(xué)仿真為主.

本文以某衛(wèi)星紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度(IESRI，infrared earth sensor radiant intensity)在軌數(shù)據(jù)為樣本進(jìn)行分析.該衛(wèi)星為太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，至今已在軌正常工作8年多.通過(guò)對(duì)其IES在軌輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出輻射強(qiáng)度在軌變化規(guī)律，并分析影響紅外輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

1 IES工作原理

IES由紅外光學(xué)頭部和信息處理電路組成［3］.紅外光學(xué)頭部的功能是對(duì)地球大氣圈進(jìn)行紅外探測(cè)，獲取衛(wèi)星姿態(tài)信息;信息處理電路的功能則是將紅外光學(xué)頭部輸出的模擬信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào).IES工作機(jī)理為:首先IES的視場(chǎng)相對(duì)于地球作掃描運(yùn)動(dòng)，當(dāng)視場(chǎng)穿越地平線時(shí)，即掃到地球和空間交界時(shí)，IES接收到紅外輻射能量的躍變，經(jīng)過(guò)熱敏元件探測(cè)器把這種輻射能量的躍變轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，形成地球方波，然后通過(guò)放大和處理電路，把它轉(zhuǎn)換成前沿脈沖和后沿脈沖;最后通過(guò)局部通信單元把前后沿脈沖與姿態(tài)基準(zhǔn)脈沖進(jìn)行比較得到姿態(tài)信息.其中探測(cè)器是IES的核心器件，用來(lái)敏感紅外輻射能量的躍變.輻射強(qiáng)度則是表征地球方波幅值大小的物理量，可以直接監(jiān)測(cè)探測(cè)器對(duì)紅外輻射能量靈敏度的變化.

輻射強(qiáng)度為地球紅外波段14～16.25 μm的輻射亮度經(jīng)過(guò)電路處理后得到的遙測(cè)量，一般用電壓表示.輻射強(qiáng)度與地球輻射亮度間的關(guān)系可由下式表示［1］:

式中:V為輻射強(qiáng)度;LE1Δλ為Δλ波段地球輻射亮度;A為光學(xué)系統(tǒng)入瞳面積;Ω為光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角所對(duì)應(yīng)的立體角;R為紅外探測(cè)器響應(yīng)率;η為光學(xué)系統(tǒng)效率.

2 分析方法

由紅外地球敏感器工作原理可以知道，輻射強(qiáng)度是由探測(cè)器進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)，能夠反映地球與空間背景間紅外輻射能量的差異，其中空間背景的紅外輻射能量可以認(rèn)為基本恒定，則輻射強(qiáng)度的變化主要與地球紅外輻射特性有關(guān).文獻(xiàn)［4］對(duì)地球紅外輻射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明地球紅外輻射特性主要與太陽(yáng)輻射和地表地貌有關(guān).針對(duì)本文所研究衛(wèi)星，由于其為太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，軌道面與太陽(yáng)矢量夾角基本固定，且衛(wèi)星在軌運(yùn)行姿態(tài)穩(wěn)定，所以其敏感地球紅外輻射主要與衛(wèi)星的星下點(diǎn)地理位置和季節(jié)相關(guān).

為了更好地對(duì)在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先對(duì)其進(jìn)行剔野.文獻(xiàn)［5］對(duì)太陽(yáng)、月亮如何影響IES工作及紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行了分析，這種影響具體表現(xiàn)為輻射強(qiáng)度數(shù)值的跳變，并結(jié)合IES見(jiàn)太陽(yáng)標(biāo)志和見(jiàn)月亮標(biāo)志(大多IES沒(méi)有此標(biāo)志，可結(jié)合衛(wèi)星所處位置分析得出是否見(jiàn)月亮)作為剔野依據(jù)，在此基礎(chǔ)上將遙測(cè)數(shù)據(jù)中因紅外敏感器受太陽(yáng)和月亮干擾造成的異常數(shù)據(jù)剔除.在分析輻射強(qiáng)度變化規(guī)律時(shí)，結(jié)合在軌數(shù)據(jù)常用分析方法，從在軌運(yùn)行時(shí)間的角度將輻射強(qiáng)度變化規(guī)律分為短期、中期和長(zhǎng)期3個(gè)方面.在研究中、長(zhǎng)期變化規(guī)律時(shí)，為了排除地理位置的影響，通過(guò)采用星下點(diǎn)地理經(jīng)度和緯度基本一致的數(shù)據(jù)，以此分析紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度隨在軌時(shí)間的變化規(guī)律.統(tǒng)計(jì)分析方法如下:

1)短期輻射強(qiáng)度變化規(guī)律:通過(guò)對(duì)一個(gè)軌道周期內(nèi)輻射強(qiáng)度的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

2)中期輻射強(qiáng)度變化規(guī)律:通過(guò)對(duì)一年中春分、夏至、秋分和冬至附近的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

3)長(zhǎng)期輻射強(qiáng)度變化規(guī)律:通過(guò)對(duì)幾年中相同地理位置和月份的在軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，給出輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素.

3 分析過(guò)程

3.1 輻射強(qiáng)度短期變化規(guī)律

對(duì)在軌多個(gè)軌道周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知紅外輻射強(qiáng)度的變化具有明顯周期特性，其在連續(xù)3個(gè)軌道圈次內(nèi)的變化規(guī)律如圖1所示.

圖1 輻射強(qiáng)度短期變化規(guī)律Fig.1 Short-term changing law of IESRI

由于本文所研究衛(wèi)星為低軌太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，一個(gè)軌道周期約為5200 s，此短時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射對(duì)地球紅外輻射特性影響變化較小，可以忽略，所以短期影響紅外輻射強(qiáng)度的主要因素為衛(wèi)星所處地理位置.

通過(guò)對(duì)連續(xù)幾天內(nèi)紅外輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選取相近緯度(10°以內(nèi))不同經(jīng)度和相近經(jīng)度(10°以內(nèi))不同緯度的輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明輻射強(qiáng)度在相近緯度內(nèi)的變化幅度為0.25 V，在相近經(jīng)度內(nèi)的變化幅度為1.26 V，顯然輻射強(qiáng)度主要受星下點(diǎn)地理緯度的影響.

紅外輻射強(qiáng)度與星下點(diǎn)地理緯度的關(guān)系如圖2所示.

圖2 6月份輻射強(qiáng)度與地理緯度關(guān)系Fig.2 Relationship between IESRI and latitude in Jun

由于所選取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為6月份數(shù)據(jù)，此時(shí)太陽(yáng)星下點(diǎn)在北半球，所以在北半球的輻射強(qiáng)度明顯高于南半球，且在接近兩極處達(dá)到峰值，峰峰值之比為2.42.再考察12月份數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 12月份輻射強(qiáng)度與地理緯度關(guān)系Fig.3 Relationship between IESRI and latitude in Dec

從圖3中可以看出，此時(shí)輻射強(qiáng)度相對(duì)地理緯度也呈周期變化，只是變化趨勢(shì)與6月情況相反，南半球數(shù)據(jù)要高于北半球.可見(jiàn)，輻射強(qiáng)度短期內(nèi)的變化規(guī)律主要與衛(wèi)星星下點(diǎn)緯度相關(guān)，中長(zhǎng)期則需要考慮季節(jié)的變化.

3.2 輻射強(qiáng)度中期變化規(guī)律

由前面分析結(jié)果可知輻射強(qiáng)度隨地理位置不同會(huì)有較大變化，且主要與緯度相關(guān)，所以在對(duì)中長(zhǎng)期數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)需選擇相近地理緯度處的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).圖4給出2006年度北緯50°附近IESRI的變化規(guī)律.

為了更全面分析IESRI的中期變化規(guī)律，選取北半球、赤道和南半球相近緯度處一年內(nèi)春分、夏至、秋分和冬至所在月份輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示.

圖4 北緯50°處IESRI年變化規(guī)律Fig.4 Changing law of IESRI at 50°N

表1 中期輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.1 Statistical results of medium-term IESRI data V

表1中第1、2、3組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分別代表北半球北緯50°、赤道和南半球南緯50°處的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

從圖4中可以看出，在一年內(nèi)相近緯度處的輻射強(qiáng)度隨季節(jié)有明顯變化，北半球輻射強(qiáng)度在夏季達(dá)到最大值，冬季最小.參照表1可知，南半球也有相同結(jié)果.赤道處輻射強(qiáng)度基本相當(dāng)，在夏、冬兩季略有減小.

上述結(jié)果均符合地球紅外輻射特性，即與太陽(yáng)輻射相關(guān).隨著季節(jié)不同，太陽(yáng)星下點(diǎn)在南北回歸線間移動(dòng)，造成相同地理位置處紅外輻射特性呈與季節(jié)相關(guān)的周期變化.

3.3 輻射強(qiáng)度長(zhǎng)期變化規(guī)律

選取2006年、2008年、2010年和2012年相同地理位置、相同月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為了便于觀察輻射強(qiáng)度變化趨勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示.

從表2中可以看出，輻射強(qiáng)度呈逐漸衰減的趨勢(shì)，且后期衰減程度明顯大于初期.由于通過(guò)選取特定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，排除了地理位置和季節(jié)因素對(duì)輻射強(qiáng)度的影響.此外，再考察太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)輻射強(qiáng)度長(zhǎng)期變化是否會(huì)產(chǎn)生影響.文獻(xiàn)［6］中數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)對(duì)地球總輻射變化規(guī)律約為每年0.03%遞減，而1%的變化大約引起地球溫度發(fā)生1 K的變化.太陽(yáng)黑子的大規(guī)模爆發(fā)也會(huì)造成短期內(nèi)總輻射發(fā)生較大衰減，最大約為0.22%.而1 K的溫差對(duì)輻射強(qiáng)度引起的變化可以忽略不計(jì)，可見(jiàn)太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)于輻射強(qiáng)度的影響可以忽略.所以引起輻射強(qiáng)度衰減的主要因素為紅外地球敏感器自身性能的變化.

表2 長(zhǎng)期輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 Statistical results of long-term IESRI data

由式(1)可知，通過(guò)選取特定數(shù)據(jù)使得LE1Δλ基本不變，A、Ω可以認(rèn)定為常值，則輻射強(qiáng)度主要與紅外探測(cè)器響應(yīng)率R和光學(xué)系統(tǒng)效率η有關(guān).通過(guò)IES工作原理可以知道，輻射強(qiáng)度由光學(xué)頭部和處理電路產(chǎn)生.光學(xué)鏡片長(zhǎng)期在軌會(huì)受到空間輻照作用導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)敏感地球紅外輻射的能力下降.此外，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的探測(cè)器熱敏電阻、各級(jí)放大和處理電路中的元器件長(zhǎng)期工作后都會(huì)在允許范圍內(nèi)出現(xiàn)性能衰退，可見(jiàn)輻射強(qiáng)度長(zhǎng)期變化規(guī)律表現(xiàn)出的緩慢衰減現(xiàn)象是與紅外地球敏感器自身相關(guān)的正?，F(xiàn)象.

4 結(jié)論

本文以某太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)為樣本，對(duì)紅外地球敏感器輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析短期、中期和長(zhǎng)期輻射強(qiáng)度的變化規(guī)律和影響輻射強(qiáng)度變化的主要因素，結(jié)果表明:

1)短期影響輻射強(qiáng)度的主要因素為地理緯度，且呈周期變化.

2)中期影響輻射強(qiáng)度的主要因素為季節(jié)變化，且呈周期變化.

3)長(zhǎng)期影響輻射強(qiáng)度的主要因素為紅外地球敏感器自身性能變化，為緩慢變化過(guò)程.

本文所采用數(shù)據(jù)為一特定類型紅外地球敏感器數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)本身不具有普遍意義，但通過(guò)分析給出的輻射強(qiáng)度變化規(guī)律是具有普遍意義的，可以為在軌其他衛(wèi)星的紅外輻射強(qiáng)度參數(shù)判讀提供有效依據(jù).

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