成像空间碎片在高分辨率下跟踪危险空间垃圾

空间碎片物体低地球轨道

图像中显示的碎片字段是基于实际数据的艺术家的印象。但是,碎片物体以夸张的尺寸显示,以使它们以所示的比例可见。信用:esa

垃圾不仅是地球上的问题。根据美国宇航局,目前在地球表面上方200至2,000公里的海拔高度范围内有数百万个空间垃圾,称为低地轨道(LEO)。大多数垃圾由人类创建的物体组成,如旧航天器或废弃卫星。这个空间碎片可以达到每小时高达18,000英里的速度,对目前在Leo运行的2,612颗卫星构成了重大危险。如果没有用于跟踪空间碎片的有效工具,Leo的部分甚至可能对卫星变得太危险。

在2021年2月25日的一篇论文中,在暹罗杂志上的成像科学,Matan Leibovich(纽约大学),George Papanicolaou(斯坦福大学),以及Chrysoula Tsogka(加州大学,默塞德)介绍了一种新的方法,用于在空间中采取快速移动和旋转物体的高分辨率图像,例如卫星或狮子座的碎片。它们创建了一种成像过程,其首先利用一种新颖算法来估计空间中对象旋转的速度和角度,然后应用那些估计来开发目标的高分辨率图片。

Leibovich,Papanicolaou和Tsogka使用了一个空间成像系统的理论模型来构建和测试其成像过程。该模型描绘了一块快速移动的碎片,作为一种非常小的高度反射物体的簇,其代表轨道中的物品的强烈反射边缘,例如卫星上的太阳能电池板。反射器簇各自与相同的速度和方向一起移动并绕公共中心旋转。在该模型中,地球表面上的多种辐射源 - 例如通过目标空间碎片反射的全球导航卫星系统的地面控制站 - 辐射脉冲。然后,分布式的接收器集检测并记录从目标中反弹的信号。

该模型侧重于在X波段中产生辐射的源,或从8到12 Gigahertz的频率产生源。“众所周知,通过使用诸如X波段的更高频率,可以提高分辨率,”Tsogka说。然而,由于环境波动来自大气效应,“较高频率也导致图像的扭曲导致图像。”当从目标到接收器行驶时,信号被湍流空气扭曲,这可以使LEO中的物体成像非常具有挑战性。因此,作者的成像过程的第一步是将在不同接收器处所拍摄的数据相关,这有助于降低这些失真的效果。

考虑空间碎片在成像中的旋转

从左到右:空间碎片被建模为六个反射对象的集群,一个图像开发的碎片而不占对象的旋转,以及在考虑物体旋转后开发的图像。旋转的会计产生更清晰的图像。信用:图是Matan Leibovich,George Papanicolaou,Chrysoula Tsogka的图

由接收器所包含的区域的直径称为成像系统的物理孔径 - 在该模型中,这约为200公里。在正常的成像条件下,物理孔径的尺寸决定了所得图像的分辨率;一个较大的孔径率为更清晰的图片。然而,成像目标相对于接收器的快速移动可以创建一个逆合成孔径,其中在多个接收器处检测到的信号作为在整个视野中移动的目标被接收地被连贯地合成。这种配置可以有效地提高分辨率,好像成像系统具有比物理更宽的孔径。

Leo中的物体可以在时间尺度上旋转,这些时间为每隔几秒到每隔几秒钟的全旋转,这使得成像过程复杂化。因此,重要的是要知道 - 或者至少能够估计关于旋转之前的旋转的一些细节。因此,在从不同接收器中综合数据之前,所需的作者需要估计与对象旋转相关的参数。虽然只需检查所有可能的参数,但要查看哪些参数,仍然产生最敏锐的图像是技术上可行的,因此需要大量的计算能力。作者而不是采用这种蛮力方法,而是开发了一种新的算法,可以分析成像数据以估计物体的旋转速度和轴的方向。

在旋转旋转之后,作者的成像过程的下一步是分析数据,以开发有希望尽可能准确和解决方案的空间碎片的图片。研究人员经常用于这种快速移动物体的成像的一种方法是交叉相关的单点迁移。虽然大气波动通常不会显着损害这种技术,但它没有很高的分辨率。一种不同的常用的成像方法,称为Kirchhoff迁移可以实现高分辨率,因为它受益于逆合成孔径配置;但是,权衡是它因大气波动而退化。作者提出了一种创建对大气波动影响的成像方案,该成像计划不会影响大气波动,但仍然保持高分辨率,提出了第三种方法:算法,其结果调用秩1图像。“引入秩1的图像及其快速移动和旋转物体的分辨率分析是本研究中最具新颖的部分,”莱比维奇表示。

在空间中成像对象的不同方法

从左到右:使用互相关的单点迁移,等级-1图像和kirchhoff迁移,开发的图像。秩-1和kirchhoff迁移图像比单点迁移从图像更好地解决了。信用:图是Matan Leibovich,George Papanicolaou,Chrysoula Tsogka的图

为了比较三个成像方案的性能,作者将旋转对象的模拟数据在LEO中进行了模拟数据,并比较了它们产生的图像。令人兴奋的是,秩-1图像比单点迁移的结果更准确且分解得很好。它还对Kirchhoff迁移技术的输出也具有类似的品质。但是,鉴于问题的配置,此结果并不完全令人惊讶。“重要的是要注意排名 - 1图像从对象的旋转中受益,”Papanicolaou说。尽管旋转对象产生更复杂的数据,但是可以实际地将该附加信息纳入图像处理技术以提高其分辨率。在某些角度下旋转也可以增加合成孔径的尺寸,这显着提高了柯彻夫夫迁移和秩1图像的分辨率。

进一步的模拟显示,秩1图像在旋转参数估计的新算法中不容易被误差混淆。它对大气效应比Kirchhoff迁移图像更强大。如果接收器捕获对象的全旋转的数据,则秩-1图像甚至可以实现最佳的成像分辨率。由于其性能良好,这种新的成像方法可以改善准确性狮子座卫星和空间碎片成像。“整体而言,这项研究阐明了一种在空间中成像快速移动和旋转物体的新方法,”Tsogka说。“这对于确保狮子座乐队的安全性非常重要,这是全球遥感的骨干。”

由Matan Leibovich,George Papanicolaou,2021年2月25日,Matan Leibovich,George Papanicolaou和Chrysoula Tsogka,“旋转卫星的旋转卫星成像的相关成像。暹罗杂志上的成像科学
DOI:10.1137 / 20m1357469

1条评论论“高分辨率成像空间碎片以跟踪危险空间垃圾”

  1. 面对现实吧。我们是太阳系的猪圈。

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