基于天基光学探测图像初析南大西洋异常区影响

张科科李宗耀胡海鹰朱振才杨根庆1,

(1上海微系统与信息技术研究所,上海200050)(2上海微小卫星工程中心,上海201203) (3中国科学院大学,北京100039)

基于天基光学探测图像初析南大西洋异常区影响

张科科1,2,3李宗耀2胡海鹰2朱振才2杨根庆1,2

(1上海微系统与信息技术研究所,上海200050)(2上海微小卫星工程中心,上海201203) (3中国科学院大学,北京100039)

文章针对目前在轨运行的高灵敏度探测类可见光遥感器经过南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly,SAA)时出现的探测能力降低、目标无法识别等现象,通过卫星在轨获取的SAA天基探测图像研究图像中出现的异常现象机理;提出了基于CCD探测器固有暗像元区的图像特征变化开展SAA影响评估的方法,根据在轨图像暗像元区的均值和标准差、图像区的热像素及活像元等特征参数的统计分析,判断经过SAA过程中连续获取的图像中出现显著影响时的拐点,通过曲线拟合估算出该轨道高度的SAA空间分布特征和边界,依此进一步提出利用在轨天基探测图像给出测量影响该轨道高度卫星SAA区域边界的简单方法;最后,基于SAA对天基探测器件的影响分析结果和认识,给出了高灵敏度探测类卫星避免或消除SAA影响的改进措施和建议。文章采用的数据分析和评估方法为提升SAA对天基探测影响的认识,以及下一步有效开展空间碎片探测工作提供参考。

南大西洋异常区;高能粒子;暗像元;热像素;活像元;天基探测;卫星

1 引言

南大西洋异常区(South Atlantic Anomaly,SAA)是指地球上一片地磁最弱的区域,其中心约位于西经45°,南纬30°,覆盖范围遍及南美洲南部及南大西洋海域,如图1所示。

图1 SAA在670 km高度的空间分布Fig.1 Spatial distribution of SAA region at 670 km altitude

由于南大西洋磁异常区为负磁异常区,使得内辐射带在该区域的高度明显降低,三维结构像一个漏斗,其最低高度可降至200～300 km左右[1-3],形成辐射带的南大西洋异常区(SAA)。SAA是引起低轨道航天器辐射损伤严重的区域,也是带电粒子诱发航天器异常或故障的高发区,常规的低轨卫星均会经过SAA且受其影响,特别是对高灵敏度的探测类可见光遥感器,高能粒子会造成CCD器件噪声异常增加,灵敏度和探测性能下降,甚至在累计辐射剂量超过承受要求时引起CCD器件的损坏[4-6]。同时,对于卫星的电子学部分也容易引起发生单粒子事件。目前在轨天基探测卫星(如哈勃望远镜、美国“中段空间试验”卫星天基可见光相机(MSX-SBV)、加拿大微小卫星“蓝宝石”(Sapphire)和“近地物体监视卫星”(NEOSSat)等)已探测并获取相关受SAA影响的图像数据它们主要以统计图像中出现的活像元、热像素、CCD转移效率等情况来表征SAA的影响程度,常以关闭镜头保护盖、载荷关机不工作、SAA数据处理、算法修正、退火处理等为手段,来规避和减轻SAA的影响[7-9]。2013年7月,中国发射了天基空间碎片探测技术科学试验卫星,轨道高度670km,轨道倾角97°,轨道周期98 min,运行在晨昏太阳同步轨道。星上装载有空间碎片探测相机,采用高灵敏度CCD探测器,双通道输出(主要性能参数如表1所示),首次获取了卫星通过SAA区域的天基光学探测图像,弥补了以往基于模型的地面分析仿真的不足。文章基于卫星获取的天基光学探测图像,通过卫星在轨获取的SAA天基探测图像,对图像中出现的异常现象机理及评估SAA影响程度的方法开展研究。

表1 天基探测相机主要性能参数Tab.1 Main properties of space-based camera

2 SAA天基探测图像现象和原因

2.1 受SAA影响的图像现象

卫星执行空间碎片探测试验任务中,先后多次经历了SAA,有效载荷探测相机在此区域开机成像。图2(a)和(b)是探测相机在同一轨中通过SAA区域时和通过后获取的反色后图像(原图像中的白色亮点、亮斑和亮线呈黑点、黑斑、黑线状),通过比较可以明显看到,图2(a)卫星经过SAA区域获取的图像受到了大量高能质子的轰击,由此引起的星点状和条痕状现象明显,星点状现象导致图像中亮点大量增加,与恒星背景混杂在一起,目视无法有效区别;图2(b)卫星经过SAA区域后获取的图像条痕状和干扰星点状现象较少。

图2 获取的天基探测图像Fig.2 Acquired spaced-based visible detection images

图3 图像中的热像素(局部放大)Fig.3 Hot pixel in the image(partial image enlargement)

通过对获取的SAA探测图像数据观察和比对,可知在SAA区域图像噪声显著增大,CCD左右暗区域(左右各占16列像元,如图2、图3中黑色虚线框所示,其作用可等同于暗帧)中同样会出现噪点。主要的现象和特征如下:

1)白色亮点:在图像中位置固定,如图3(a)和(b)中的小黑点所示。它们占据单个像元,一旦出现不会消失,随着在轨运行时间的累积,数量不断增加,一般称之为热像素。

2)白色亮斑:在图像中位置随机分布,如图3(a)中的黑色斑点所示。每一帧图像均不相同,大都占据多个像元,形成虚假信号,出现后会消失,会对目标识别造成干扰。

3)白色亮线:在图像中随机分布,如图2(a)中黑色线条所示。它们呈粒子入射的直线径迹,径迹长度、宽度和方向无规律,出现后会消失。

2.2 出现SAA现象的原因和影响

出现上述现象,主要是因为SAA区域中驻留有大量的高能粒子轰击了CCD像面,常称为粒子事件。高能粒子主要包括高能质子、高能电子和少量的高能量宇宙射线粒子等[10-14]。天基空间碎片探测技术科学试验卫星有效载荷探测相机自降交点开始工作经极区至升交点停止工作,相机通过极区、SAA,由于在极区等高能电子、重离子分布相对较多的地方未发现同样现象,故推断历经SAA获取图像中的异常噪声现象主要来源于高能质子。

粒子事件对CCD器件的性能影响分为短期和长期效应两类。长期效应是指粒子事件随着时间的累积会对单个像元或电子设备造成永久的损坏。可以通过三个定量的值来监测:1)暗电流噪声的增加;2)遥感器电子设备直流偏置的变化;3)CCD转移效率的衰减。美国MSX-SBV在入轨约两年后测量到了CCD焦面因受长期效应造成的小量损伤[3]。短期效应发生在单帧图像上,高能质子打到CCD像面上引起像元信号的瞬时增加,由于质子运动非常快,信号只存在于单帧图像,并且常形成条痕。其主要影响是明显增加系统的瞬时噪声,从而导致探测相机区分空间目标能力降低[6]。

因此,天基探测图像中随机出现在单幅图像中的白色亮斑和亮线属于高能粒子轰击带来的短期效应现象,而出现在多幅图像相同位置的白色亮点,即热像素则属于长期效应。产生的这些大量圆点状亮点、亮斑,直接导致平均暗电流噪声增加,并且由于其与恒星背景和空间碎片目标相似,在进行目标识别提取等图像处理时会增加目标虚警率。后续需要通过改进目标检测处理算法以自动剔除其影响,确保精确的天文定位探测。热像素导致的CCD性能衰退则可以通过采用升温退火或进一步降低工作温度来进行纠正和补救。尤其是升温退火,可以有效降低热像素水平,在“哈勃望远镜”、MSX-SBV卫星上均成功运用过[7,9],NEOSSat微小卫星也建议周期性采取升温退火措施[8]。

3 基于天基探测图像的数据统计和分析

3.1 CCD像面暗像元区数据统计和分析

一般可以通过获取表征本底噪声的暗帧图像(或零曝光图像),统计其均值和标准差的变化来评估SAA的影响。本文利用CCD器件固有的暗像元区域,替代整幅暗帧图像,可以充分利用在轨的大量正常图像数据,通过统计图像暗像元的均值和标准差进行比较和评估SAA的影响,同样客观反映了SAA影响的程度和趋势。

图4 天基卫星连续四轨进入SAAFig.4 Space-based satellite passed through the SAA region in four continuous orbits

选取连续四轨分别记为T0圈、T1圈、T2圈、T3圈,每圈样本取500帧图像,组成一个帧序列,从远离SAA至逐渐接近或进入SAA,如图4所示,可以清晰地看出, T0圈获取的图像样本卫星运行轨迹未进入SAA边界区域内,T1和T3圈卫星在试验末端运行轨迹进入SAA边界区域内,T2圈卫星运行轨迹末端则处于SAA中心区域附近。图5给出了该连续四轨的各帧图像暗像元区均值和标准差的散点,可以看出T0圈卫星在SAA外,暗像元区均值和标准差值分布集中,无明显异常突出点,暗像元区均值全部小于100,标准差小于135(接近图像的底噪)。但T1～T3圈特别是T2圈,由于卫星接近并靠近SAA区域中心,暗像元区均值和标准差异常突出点急剧增加,暗像元区均值出现100～300的值,甚至更高,标准差也出现135～145的值。该数据表征CCD器件受到了显著的粒子轰击并出现短期效应,使得噪声明显增大。表1列出了T0、T1、T2、T3圈四个帧序列图像暗像元区左、右通道均值的均值和左、右通道标准差的均值。从表2中的数据也可以定量看出,T0圈暗像元区左、右通道均值最小;在受SAA影响最严重的T2圈,整轨的均值,特别是标准差均值明显比T0、T1、T3要大,说明受影响的总体波动比较剧烈;此外,单轨SAA对图像左右通道的影响基本一致,说明SAA粒子对CCD像面的轰击是随机且均匀的。

图5 连续四轨各帧图像暗像元区标准差和均值的散点Fig.5 Mean and standard deviation of dark pixel area in four continuous orbits images

表2 T0圈、T1圈、T2圈、T3圈图像的统计数据Tab.2 Statistics of image data acquired in orbit T0,T1,T2 and T3

重点考察进入SAA中心区域的T2圈,由图6可以看出,在SAA外虽然也会受到粒子的轰击影响,但是整体波动相对平稳,但是一旦接近并进入SAA中心区域,则波动呈明显上升趋势,T2圈根据多项式拟合的趋势线的变化拐点,确定拐点处图像的获取时间,从而可以得到对应的卫星运行星下点纬度为-47.93°,经度为-48.405°,说明卫星运行至该处时开始明显受到SAA影响,图像噪声增大。通过此简单方法,结合多圈次进出SAA数据,可以获得多个经纬度点,确定卫星明显受到影响的SAA边界,任务规划的时候,可与仿真模型得到的数据相互印证,考虑适当大小的区域规避。

图6 第T2圈左右通道的均值、标准差Fig.6 Mean,standard deviation and trend curve of left and right channels in Orbit T2

3.2 热像素变化统计和分析

热像素属于脉冲噪声点,特点是灰度值大于背景值的孤立单像素点,可采用图像处理的方法统计计算每幅图像里热像素的个数。

图7(a)显示了热像素数目随着积分时间的增加呈近似线性增加,可见其与积分时间长短有关。不同月份,整体热像素数目在各个积分时间条件下均呈明显上升趋势,特别是1 600 ms积分时间下,一个月热像素数目增长近6倍多,可见其长期效应凸显。

图7(b)为7月、8月、9月三个月相机均在700 ms积分时间下所形成的热像素数目变化。可知,8月份比7月份的热像素增长了376个,9月份比8月份的热像素增长了330个,增长速度均匀,可见其变化是长期且稳定的。至9月底,热像素平均值为804个,仅占整个1 024×1 024图像像元总数0.074 4%,可见其目前对图像整体影响不大,对探测性能和GEO目标检测基本无影响。此外,8月份非SAA和SAA热像素数目基本在同一水平,也说明它是个长期效应。

图7 图像中热像素数目统计Fig.7 Statistics of hot pixel number in images

3.3 活像元数目统计和分析

短期效应产生的白色亮斑和亮线随机分布且会消失,因此受其影响的像元也可称为活像元,即经过高能粒子辐射轰击后,CCD像元并没有造成持久性损伤。

SAA区域粒子事件中以白色亮斑或者亮线占据4个像元数为最小判断阈值对活像元数据统计,如图8所示,可见从远离至接近SAA过程中活像元数目比较平稳,单幅图像中数目基本不大于100个;而在进入SAA中心时活像元急剧增多,特别是T2圈,单幅图像中数目最多达965个,是T1、T3圈的4倍左右,是T0圈的7倍左右。

根据图9统计,占据8个像元以内的亮斑占大多数,约为82%。以单个亮斑平均占据6个像元计算,非SAA活像元数目约100个,则污染的像元占整个1024×1024图像像元总数约为0.057 2%;而接近SAA中心后,活像元数目约1 000个,则污染的像元占整个1 024×1 024图像像元总数达到0.572%,增加一个数量级,在不进行相关图像处理的情况下会对目标的提取和识别带来影响。

图8 连续四轨活像元数目统计Fig.8 Statistics of living pixel number in four continuous orbits image

图9 单幅图像中活像元个数和单个活像元所占像元数Fig.9 Living pixel numbers and single living pixel size in an image

4 措施和建议

SAA对天基观测的影响属于空间环境因素,对卫星执行空间科学探测、空间碎片监测等任务具有非常显著影响。在利用CCD探测器固有的暗像元区的图像特征变化统计开展SAA影响评估的基础上,首次提出基于连续多轨过SAA的天基探测图像反演影响该轨道高度卫星SAA区域边界的简单方法,很好地确认了该轨道高度上会对相机探测性能产生明显影响,导致图像处理时目标提取失效的SAA区域范围;在AP-9模型的SAA仿真数据上进一步缩小范围,有效部署后续在轨任务规划,既规避SAA的影响,又权衡在轨连续工作的观测效能。

通过受SAA影响的图像分析,进一步认为在天基探测类卫星方案设计时就应考虑避免或消除SAA的影响。主要改进措施和建议如下:

1)在满足任务需求的条件下,对SAA的影响进行详细仿真分析,权衡设定CCD器件承受高能粒子的通量阈值,合理选划SAA空间边界;

2)结合发射约束,优选卫星采用的轨道高度和倾角,缩短通过SAA的时间;

3)规划观测策略,设置卫星工作模式和相机开关机时间,可对SAA进行合理规避,或通过姿态机动弥补探测效率和观测区域的损失;

4)对遥感器系统和CCD焦面采取一定的屏蔽和防护加固措施,减少SAA影响程度;

5)卫星具备遥感器工作温度调节和升温退火功能,使得系统在低温条件下运行工作,并通过周期性的升温退火,对SAA造成的影响尽可能缓减和恢复;

6)通过地面模拟试验和在轨实测数据,评估CCD器件抗辐射性能,预计参数退化规律,开发软件算法进行修正;

7)开发针对SAA影响的图像处理软件模块,利用卡尔曼滤波等方法减轻或消除SAA对天基探测的影响。

综上所述,SAA对天基探测任务的影响不可忽视,但分布有界、可控可防。下一步将通过结合在轨试验继续对数据进行挖掘、验证和评估,规划出效率和风险兼顾的合理规避区域和观测策略,开展SAA空间辐照环境、高能粒子对CCD损伤机理及在轨图像实时修正处理技术等方面的研究,进一步提高对天基探测类相机影响的认识,为中国空间环境的科学研究和天基探测类卫星的设计加强技术储备。

[1] LU J T,ZHANG X X,LIN R L,et al.Dynamic distribution features of energetic proton in south Atlantic anomaly based on the observation of SAMPEX[J].Chin.J.Space Sci.,2015,35(2):192-202.

[2] LI B Q,ZHU G W,WANG SH J,et al.Space particle compositon detector on board FY-1C satelliteand the analysis of particle radiation in the south Atlantic anomaly region[J].Chin.J.Geophys.,2004, 47(6):1074-1078.

[3] 黄聪,李嘉巍,余涛,等.风云三号A/B星空间环境监测器对空间天气事件监测能力评估及其应用研究[J].气象科技进展,2013,3(4):126-135.

HUANG CONG,LI JIAWEI,YU TAO,et al.The capabilities and applications of Feng Yun-3A/B SEM on monitoring space weather events[J].Advances in Meteorological Science and Technology,2013, 3(4):126-135.

[4] 文林,李豫东,郭旗,等.质子辐照导致科学级电荷耦合器件电离效应和位移效应分析 [J].物理学报, 2015,64(2):024220-1.

WEN LIN,LI YUDONG,GUO QI,et al.Analysis of ionizing and department damage mechanism in proton-irradiation-induced scientific charge-coupled device[J].Acta Physica Sinica,2015,64(2):024220-1.

[5] JIN J,WANG X Q,LIN S,et al.Effect of radiation-induced mean wavelength shift in optical fibers on the scale factor of interferometric fiber optic gyroscope at a wavelength of 1300 nm[J].Chinese Physics B,2012,21(9):094220.

[6] LIU C M,LI X J,GENG H B,et al.Incident particle range dependence of radiation damage in a power bipolar junction transistor[J].Chinese Physics B,2012,21(10):0104211.

[7] STOKES G,VON BRAUN C,SRIDHARAM R.The space based visible program[J].MIT Lincoln Laboratory Journal,1998,11(2):206-238.

[8] SCOTT R,WALLACE B,SALE M,et al.Toward microsatellite based space situational awareness[C]. AMOS Technologies Conference,2013.

[9] BOFFI F.Hubble Space Telescope primer for cycle 18[J].Baltimore:STScI,2010.

[10] 汪波,李豫东,郭旗,等.质子辐射下互补金属氧化物半导体有源像素传感器暗信号退化机理研究 [J].物理学报,2015,64(8):084209.

WANG BO,LI YUDONG,GUO QI,et al.Dark signal degradation in proton-irradiated complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor[J].Acta Physica Sinica,2015,64(8):084209.

[11] 汪波,李豫东,郭旗,等.60Co-γ射线辐照CMOS有源像素传感器诱发暗信号退化的机理研究[J].物理学报,2014,63(5):56102-056102.

WANG BO,LI YUDONG,GUO QI,et al.Research on dark signal degradation in 60 Coγ-ray-irradiated CMOS active pixel sensor[J].Acta Physica Sinica,2014,63(5):56102-056102.

[12] 张孝富,李豫东,郭旗,等.60Co-γ射线对高铝组分Al0.5 Ga0.5N基p-i-n日盲型光探测器理想因子的影响[J].物理学报,2013,62(7):76106-076106.

ZHANG XIAOFU,LI YUDONG,GUO QI,et al.60Coγ-radiation effects on the ideality factor of AlxGa1-x N p-i-n solar-blind detector with high content of aluminum[J].Acta Physica Sinica,2013,62(7): 76106-076106.

[13] HEIRTZLER J R.The future of the South Atlantic anomaly and implications for radiation damage in space[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics,2002,64(16):1701-1708.

[14] LEE T P,RAJESH P K,CHEN C Y,et al.Abnormal signatures recorded by FORMOSAT-2 and FORMOSAT-3 over south Atlantic anomaly and polar region[J].Terrestrial,Atmospheric and Oceanic Sciences,2014,25(4):573-580.

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

(编辑:车晓玲)

2015-01-30。收修改稿日期:2015-07-14

张科科 1980年生,2005年获中国空间技术研究院飞行器设计专业硕士学位,副研究员。研究方向为微小卫星总体设计。