短波红外近地空间全时偏振星敏器星图仿真方法

《Optics and Lasers in Engineering》：Simulation method for all-time polarization star sensor star maps in short-wave infrared near-Earth space

　　

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  提出了一种融合偏振的近地空间星图仿真架构。
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  建立了一种探测器噪声模型，考虑了偏振片集成中的误差。
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  提出了一种全天域光场向量快速计算方法。
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  构建了用于偏振星敏感器的星图数据集。

引言

星敏感器是一种天文导航仪器，通过观测恒星并计算星间角距来确定航天器的姿态[[1], [2], [3], [4], [5]]。针对近地空间大气层内全天候天文导航日益增长的需求，本团队于2025年提出了一种利用焦平面分割（DoFP）技术的新型全天候短波红外（SWIR）偏振星敏感器概念[6]。该概念保留了传统传感器核心的成像原理，同时充分利用了SWIR大气背景固有的优势——即低辐射亮度和稳定的偏振特性。通过集成光谱滤波和偏振滤波技术，在不改变光学系统结构的前提下，显著增强了强白天背景干扰条件下的恒星探测能力。通过在InGaAs探测器焦平面上直接制备与像素尺寸精确匹配的SWIR亚波长金属光栅偏振片阵列，DoFP技术[7]具有以下关键优势：成像操作简便、可完整获取光场偏振数据（偏振度DoP和偏振角AoP），以及免于累积对准误差的影响。偏振星敏感器的系统设计以及天体导航算法的测试需要大量的星图作为测试数据集。通过外场成像获取这些数据面临着巨大挑战，包括周期长、成本高、场景多样性有限以及无法控制单变量等问题。因此，星图仿真成为一种更优越的替代方案，已被确立为完成这些任务的首选的、科学的且实用的方法。

在星图仿真领域，Wei等人[8]开发了一种SWIR星敏感器的成像链路模型，并基于2MASS点源目录的J波段数据进行了星图仿真。Wu等人[9]提出了一种基于光线追迹的近红外星图仿真方法。随后，Wang等人[10]通过集成大气退化效应生成了0 km高度的模拟SWIR星图，Zhao等人[11]引入了考虑宇宙背景辐射的仿真与回放技术。然而，现有学者提出的星图仿真方法尚未纳入天空偏振信息，因此无法为偏振星敏感器的系统设计和算法测试提供有效指导。此外，传统的全天候仿真方法依赖于反复调用大气辐射传输软件（如MODTRAN或libRadtran）进行背景光场建模，存在一个显著缺陷：在生成同一观测场景的多视场或长序列星图时，计算量巨大，往往需要高性能硬件支持。

在全天域光场仿真领域，研究人员通过总结天空光场的分布特征，开发了具有显式表达式的经验解析模型。同时，在全天域亮度仿真方面，Hosek等人[12]提出了一种计算全天域亮度的多参数模型。该模型是Perez模型的扩展版本，纳入了波长、晕圈效应以及分子和气溶胶散射等关键因素。Wang等人[13]利用libRadtran数据拟合将Hosek模型扩展到SWIR波段。随后，在全天域偏振仿真方面，Liang等人[14]率先将地表反射率纳入偏振分布模型中，并复现了完整的偏振成像过程。同时，Pan等人[15]利用太阳天顶角修正天空偏振度，Antoine Moutenet等人[16]引入了OpenSky——一个用于天空偏振测量的模块化开源仿真器。然而，这些方法主要局限于可见光波段和地面平台，且缺乏针对星敏感器光电转换过程中成像退化效应及其固有噪声特征的专用建模。

为了解决上述研究中存在的局限性，准确模拟偏振星敏感器独特的成像特性，并快速生成用于系统设计和算法测试的充足数据集，本文提出了一种面向近地空间的全天候SWIR波段偏振星敏感器星图仿真方法。第2节建立了所提仿真方法的架构，包括坐标变换模块、能量转换模块、图像质量退化模块和星图数据集生成模块。第3节展示了仿真结果，包括基于所定义输入条件的模拟天空偏振光场、融合星像与天空背景图像以及计算的DoP星图。第4节通过将所提星图仿真方法与理论模型和实测实验数据进行对比，验证了其正确性和准确性。最后，第5节对本文所开展的工作进行了总结。

章节摘要

仿真方法架构

所提出的全天候SWIR近地空间偏振星敏感器星图仿真方法架构如图1所示。

仿真流程

近地空间全天候SWIR偏振星敏感器的仿真工作流程如图2所示。该过程首先根据观测时间、位置和传感器安装方式确定传感器的光轴方向及太阳位置。然后采用SWIR全天域亮度和偏振仿真算法生成天光场向量分布。根据视场和可探测极限星等进行恒星筛选。

评价指标

采用平均绝对误差（MAE）和均方根误差（RMSE）作为天空亮度分布模型的评价指标：$$MA{E}_{\text{rad}}=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n\left|L_i({\theta }_p,{\gamma }_p,h_p)?L_{\mathrm{R},i}\right|$$$$RMS{E}_{\text{rad}}=\sqrt{\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n{(L_i({\theta }_p,{\gamma }_p,h_p)?L_{\mathrm{R},i})}^2}$$其中$L_i({\theta }_p,{\gamma }_p,h_p)$表示第$i$个观测方向的模拟天空亮度值，$L_{\mathrm{R},i}$表示第$i$个观测方向对应的参考亮度值。

基于软件仿真的验证

通过组合不同的条件形成了九个不同的观测场景来进行模型验证。

结论

针对现有近地空间星图仿真方法未纳入天空偏振信息——从而无法为分析偏振星敏感器成像性能或训练星图像处理算法提供充足数据集的局限性，本文提出了一种面向近地空间的全天候SWIR波段偏振星敏感器星图仿真方法。本研究的主要结论可归纳如下：

• (1) 本

CRediT作者贡献声明

张云昭：撰写——初稿撰写、方法学、概念构思、形式化分析、验证。王泽宾：项目管理、数据管理。严志强：撰写——审阅与编辑、项目管理。宁千浩：验证、项目管理。廖震：验证。陆因曦：可视化。姚帅：调查研究。刘梓洋：可视化。赵云龙：数据管理。孔一鸣：可视化。王宏元：撰写——审阅与编辑、资源、项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究由空间目标意识国家重点实验室资助（STA2025JKW0202）。特别感谢康奈尔大学为本研究提供数据支持。

张云昭|王泽宾|严志强|宁千浩|廖震|陆因曦|姚帅|刘梓洋|赵云龙|孔一鸣|王宏元