Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами (1095912), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Обобщенная функциональная схема системы ориентации.1 - участок небесной сферы; 2 - оптическая система ОЭП ориентации; 3- фотоприемная матрица ПЗС; 4 - бортовой компьютер; 5 - управляющиеустройства.Для того чтобы разработать методику оптимизации параметров ОЭПсистемы ориентации, необходимо построить математические модели блоков,входящих в систему ориентации, выявить их взаимосвязь между собой и наэтой основе сделать выводы о выборе той или иной методики оптимизации.4.2. Разработка модели произвольного участка небесной сферыСолнце.К основным характеристикам Солнца как излучателя относятся егоугловые размеры, энергетические и спектральные характеристики и степеньих изменения по поверхности.
В зависимости от характера излучаемойэнергии у Солнца различают фотосферу, обращающий слой, хромосферу икорону. Фотосфера является основным источником солнечного излучения cнепрерывным спектром. В ней с увеличением глубины растет температура,что обусловливает потемнение диска к краю. Обращающий слой ихромосфера образуют атмосферу Солнца. Они состоят из светящихся газов,яркость которых в сотни раз меньше яркости фотосферы. Коронапредставляет собой внешнюю часть солнечной атмосферы и не имеет четкойнаружной границы, ее яркость в миллион раз меньше яркости фотосферы.НахарактеристикиизлученияСолнцавлияютсолнечныепятна,периодичность появления которых равна 11 годам, взрывы и протуберанцы,появлениекоторыхапериодично, ипостоянныенеравномерностивфотосфере [41].Таккаквнутренниеслоифотосферыокруженыдостаточнонепpозрачным газом - атмосферой, то наиболее излучающие слои Солнцанаходятся в состоянии, близком к тепловому (термодинамическому)равновесию.
Следовательно, Солнце с достаточной степенью точностиможно считать абсолютно черным телом. Энергетическая светимостьабсолютно черного тела может быть вычислена по формуле ПланкаСпектр излучения Солнца за пределами земной атмосферы примерносовпадает co спектром излучения абсолютно черного тела, имеющеготемпературу 6000ЭнергетическаяK.Энергетическаяосвещенность,светимостьсоздаваемая6,2Солнцем∙на107Вт/м2.площадке,перпендикулярной к направлению на Солнце, вне земной атмосферысоставляет 1360 Вт/м2. В видимой области спектра за пределами атмосферыосвещенность, создаваемая Солнцем, равна 1,37 ∙ 105 лк. Яркость солнечногодиска уменьшается от центра к краям.
Средняя яркость в видимом диапазоне2 ∙ 109 кд/м-2. Видимый блеск Солнца оценивается звездной величиной -26m,7.Математическая модель излучения Солнца основана на формулеПланка для абсолютно черного тела (4.1) с температурой 6000 K. Угловойразмер солнечного диска при наблюдении с Земли равен приблизительно 32',следоватeльно, Солнце не является точечным источником света. Поэтому дляполучения математической модели спектральной светимости Солнцанеобходимо воспользоваться формулойгде Dс - диаметр Солнца; lс - расстояние от поверхности Солнца дооколоземного космического пространства [40].Земля.При наблюдении из космоса можно рассматривать две составляющиеизлучения:отраженныйпотокисобственноеизлучение.Значениякоэффициента отражения (альбедо) могут составлять 0,1...0,8.
Такой разбрособъясняется различными метеоусловиями на отдельных участках земнойповерхности и различными условиями освещения Солнцем. По мереудаления от Земли ее альбедо становится все более интегральным, т.е.усредняется для всего диска планеты, и принимает значение 0,39.Собственное излучение Земли соответствует излучению абсолютно черноготела с температурой 300 К и становится сравнимым по значению сотраженным солнечным излyчением на длинах воли больше 3...4 мкм.
Онодостигает своего максимума на длине волны около 10 мкм.Луна.Значение коэффициента отражения солнечного излучения от луннойповерхности равно в среднем 0,07 и меняется по ее поверхности от 0,054 до0,176.Из-заотсутствиядостаточногослояатмосферыэффективнаятемпература поверхности Луны изменяется от 400 К на освещенной сторонедо 120 К на неосвещенной, т.е.
максимyмы собственного излучения Луныприходятся на длины воли 7 и 24 мкм. Визуальная звездная величина Луны всреднюю оппозицию равна -12m, 6.Планеты.Основная доля собственного излучения планет приходится на ИКобласть.Параметрыотраженногосолнечногоизлучениязависятотположения терминатора планеты, ее альбедо и характeра атмосферы.Основная доля отраженного излучения планет приходится на видимую иближнюю ИК-область (до 2 мкм). В табл.
4.1 приведены значения альбедо ивизуальной звездной величины некоторых планет.В связи с тем что в приборах ориентации используются матрицы ПЗСна кремниевой основе, значение собственного излучения Земли, Луны идругих планет Солнечной системы не влияет на результаты измерений.Следовательно, их можно не включать в исследуемую модель. Такимобразом, математическая модель отраженного излучения небесных телСолнечной системы будет определяться следующей зависимостью:где А - альбедо небесного тела.Таблица 4.1. Значения альбедо и визуальная звездная величина планетСолнечной системынетаПлаВизуальноеальбедоМеркурийераситерВенМарЮп0,060,760,160,73сферическоеВизуальнаявеличиназвездная- 0m, 2- 4m, 1- 1m, 9- 2m, 4Звезды.Общее число звезд, составляющих нашу галактическую систему, равнопримерно 100 млрд.
Однако звезд, обладающих достаточно большимвидимым блеском, сравнительно немного. Например, из всех звездневооруженным глазом видны около 5000 [46]. К их числу относятся всезвезды, у которых звездная величина m < 6. Звездная величина m,определяющаямерувидимогоблесканебесноготела,связанасосвещенностью Е, создаваемой небесным телом, зависимостьюm = - 2.5lgE + c ,(4.4)где с - постоянная величина, равная такой звездной величине mо, прикоторой небесное тело создает на площадке освещенность в 1 лк.Цветовую характеристику звезд оценивают, распределяя их нанесколько спектральных классов, каждый из которых по виду спектраизлучения соответствует излучению абсолютно черного тела с определеннойтемпературой, вычисленному по формуле Планка (4.1). В Гарвардскойклассификации спектральные типы (классы) обозначены буквами латинскогоалфавита: W, O, В, А, F, G, К, M.
В табл. 4.2 показана зависимость междуспектральными классами и температурой звезд.Внутри каждого спектрального класса можно установить плавнуюпоследовательность подклассов, переходящих из одного в другой. Каждыйкласс делится на 10 подклассов, обозначаемых цифрами от 0 до 9, которыеставятся после обозначения спектрального класса, например В8, А0, G5.Таким образом, математическая модель излучения звезд может бытьполучена из формулы Планка для соответствующих температур.Светящиеся частицы космической пыли.В литературе отмечено несколько случаев ложного захвата иотслеживания звездным датчиком КЛА Mariner [136] освещенных Солнцемчастиц пыли.
При диффузном отражении с коэффициентом 0,4 частицыразмером 25 мкм при пролете на расстоянии 66 см от входного окна датчикаимели яркость, равную яркости навигационной звезды Канопус (-0m, 9).Таблица4.2.Зависимостьмеждуспектральнымиклассами,температурой звезд и их видимым цветомклассСпектральныйТемпература, КЦветW100 000ГолубойO25 000...50 000ГолубоватыйB15 000...25 000БелыйоттенкомсголубоватымA11 000БелыйF7500Желтовато-белыйG6000ЖелтыйK5000ОранжевыйM2000...30Красный00В связи с этим необходимо рассмотреть природу образованиясветящихся частиц и использовать математическую модель их излучения[57].Сразу же после вывода космического корабля на орбиту основнымисточником пылевого окружения является последняя ступень ракетыносителя. При отделении КЛА от ракеты-носителя появляются тысячичастиц, размеры которых достигают 1...2 см.
В результате слива остатковтоплива из последней ступени ракеты-носителя образуется большое облакосветящихсячастицразличногоразмера.Количествочастиц,ихраспределение по размерам, форма и размеры облака зависят как от типа имассы слитых остатков топлива, так и от условий космического полета. Присливе топлива образуются жидкие частицы, принимающие в состоянииневесомости сферическую форму. Затем вследствие интенсивного испаренияв условиях космического вакуума температура частиц топлива быстропонижаетсядотемпературызатвердевания.Приэтомобразуютсясферические частицы в твердой фазе.Облако светящихся частиц, образующихся при сливе остатков топливапоследней ступени рaкеты-носителя, постепенно рассеивается и отстает откосмического корабля. Происходит это главным образом вследствиегазодинамического сопротивления атмосферы Земли.
Мелкие частицыотстают быстрее крупных, потому что у них меньше нагрузка на мидель(отношение массы к сечению), но больше сила газодинамическогосопротивления на единицу массы частицы. С течением времени облаковытягивается по орбите, образуя постепенно рассеивающийся в пространствепылевой след небольшой плотности. В случае необходимости космическийкорабль может выйти из пылевого облака за счет маневра, осуществляемого спомощью корректирующих двигателей. Торможение пылевого окруженияобратно пропорционально высоте полета орбитальной станции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
