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成像GEO卫星的光学干涉技术

2016-12-07 09:22
路过的码农
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  如何有能够力分辨地球同步卫星的问题正在引起空间态势感知领域的广泛兴趣。然而,即使最大型的单台地基望远镜也只能分辨体积庞大的静地卫星。要分辨细节,诸如:伸出卫星主体的天线或仪器,就需要光学干涉这样的其他技术。

  美国海军精密光学干涉仪(The Navy Precision Optical Interferometer,NPOI)是首台,这么远地,从地面成功探测静地卫星的干涉仪。在2008年3月的“闪烁”(glint)季——最常见的可看到卫星反射回太阳光的二分点期间,我们观测了DirecTV-9S,2009年我们又就进行了后续观测。我们发现, NPOI只有16m的最短基线,那时这对于观测静地轨道卫星来说太长了,这些卫星的尺度仅仅几米。

  NPOI观测波段是λ=556~845nm,分辨率为35-50 nanoradians(θres∽λ/ B),相当于地球同步高度1.3-2m的尺度。该尺度的结构会产生条纹对比度——最大和最小反射率的比——V∽0.2,只有大20%结构不会有条纹对比度。结构尺度再大时,条纹对比度又会恢复,只是很弱。

  缺乏较短基线必然显露两个缺点。第一,使实时探测和跟踪条纹和调整干涉仪的内部光路变得困难。这是因为大气湍流迫使我们每隔20ms就得探测条纹和重新调整光路。其次,长基线数据无法描述目标的大尺度结构特征。较好地数学表示较大尺度卫星主体需要用到短基线数据,或者以干涉来说,采样较小的u-v间隙,其中u和v是朝着目标由东向西、朝着基线部件由北向南采样的空间频率BEW/λ和BNS/λ。

  条纹功率是每一个调制周期扫描频率条纹的函数,数据是2015年3月6日通过光谱仪2获得的数据DirecTV-7S数据。每一帧对应一个光谱通道,波长从845nm(通道1)-604nm(通道2)。该光谱仪仅仅通过W4–AC基线进行了观测,条纹扫描频率k=1。黑色曲线表示相干(on-fringe)扫描获得的功率谱。红色曲线是非相干(off-fringe)扫描获得的功率谱偏差,尺度标定根据相干和非相干扫描是通量比。绿色曲线表示校正偏差后的功率谱。

  2009年以来,NPOI启用几个新阵列站,使较短基线得以实现。特别值得一提的是,现在W4-AC之间有8.8m基线,可获得同步轨道高度2.3-3.5m的分辨率;还有AC-E3之间的9.8m基线。这两个短基线共享阵列单元AC,使将它们结合起来形成第三条基线——18.6m的W4-E3成为可能。最终的目标是借助较长基线探测条纹,以获得较精细的细节,但是信噪比很差。如果通过两个较短基线探测和跟踪条纹、第三基线就可被正确共相并且能实时采集不含可探测条纹的数据,这是Roddier最初提出的概念。使用三台或者更多阵列单元也可以获得闭合相位,这是围绕三角形基线的条纹相位的总和。因为基线相位的大气扰动在总和中抵消,所以这些闭合相位表示目标图像的一些相位信息。特别之处是,可以用它们更好地确定卫星组件的相对位置。

  我们在2015年3月通过W4–AC基线获得了DirecTV-7S的条纹。但是因为组合器软件正在搜寻第二个基线,该数据没有被记录下来。第二天晚上,由于天气条件不好,条纹探测被迫中断,但是在27s的时间内我们能够探测和记录条纹,期间我们通过W4–AC基线跟踪条纹大约4s的时间,通过AC–E3基线跟踪条纹不到4s。由于“闪烁”季最后几天发生的情况使我们的观测复杂化,意味着“闪烁”越短,该季最佳时刻的目标越不那么明亮。

  图2是条纹功率谱数据,12个光谱通道,2015年3月6日由W4–AC基线的光谱仪2获得。该观测结果使用每一个调制周期的两个条纹扫描频率。偏差提取条纹功率谱(绿色曲线)说明845nm通道(通道1)信号很强,随着波长变短条纹功率下降。

  这篇文章论述了早期研究工作的一次更新,有关早期工作的论文在很多地方发表过。NPOI的下一步工作是试运行三台1m望远镜、提高仪器的灵敏度,使其在非“闪烁”季节也能执行观测。目前,我们的工作还处在设计更新系统的初始阶段。

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