白天CCD观星可探测极限星等值分析

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1、!第"#卷!第$期强激光与粒子束%&’("#，)&($!!$**+年$月,-.,/0123456235)7/538-942:25;6<=>(，$**+!文章编号：!"**"?@A$$（$**+）*$?*"B+?*C!白天!!"观星可探测极限星等值分析""$A魏合理，!陈秀红，!余!凯，!田永青（"#中国科学院安徽光学精密机械研究所大气光学中心，合肥$A**A"；$#北京自动化控制设备研究所，北京"***+@；!A#北京机电工程研究所，北京"***+@）!!摘!要：!介绍了白天天空背景下，在大气层内用997探测恒星可探测极限星等值的计算方法。根据恒星和白天大气

2、背景辐射的对比度，计算和分析了ADEAD视场下，可探测星等极限值随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化情况。结果表明：可探测星等极限值随观测高度和太阳天顶角的增加接近线性增加；对F和;类恒星，长波波段可探测星等极限值高。在$GHI高度、ADEAD视场、太阳视线$*D以外，可探测星等极限值可达到C(A等。!!关键词：!可探测星等极限值；!恒星；!天空背景；!997；!信噪比!!中图分类号：!/@$$；!/"$A!!!!文献标识码：!5［"］!!有些航天器需要用星光导航，星敏感器是目前各种姿态敏感器中姿态测量精度最高的敏感器之一，在［$?A］一些航天工

3、程中得到应用。要做到全天候使用，就要做到白天观测恒星。对恒星等天体目标的观测，一般都是在夜晚用目视或照相法进行，在白天由于受天空背景强辐射的影响，限制了目标的探测。因此，对全天候的观测来说其有效时间只能占@*JKG*J或更少，这样大大减小了观测效率及设备的使用率。此外，目视和照相法观测无法进行实时记录和处理，为了提高观测效率、数据获取率、提高探测灵敏度、记录及处理的实时性，需要设法在白天用997阵列探测器进行恒星观测。!!在大气层内白天观测星光必然受到散射太阳光的影响。星体辐射在到达观测点之前，由于大气层中的分子散射和气溶胶散射，导致透射光谱分布向红区移动，

4、色温降低。天空背景由于散射强度随波长增加显示出光谱分布蓝移，使得可见光短波部分的背景辐射增强。大气散射的结果使得恒星目标的目标背景对比度随波长［@?G］的减小而减小。因此，采用滤光片滤除短波辐射将会提高白天对恒星目标的探测能力。!!不同高度、不同太阳几何方位和观测几何方位的天空背景辐射不同，因此，所能探测星等极限值会因这些条件变化有很大差别。本文首先介绍用997加上光谱滤波片进行恒星探测所能探测到星等极限值的计算方法，然后计算分析各种天空背景辐射下的可探测星等极限值，为有关白天观星的工程提供参考。$%可探测星等极限值计算方法［@?C］!!用997探测星光时，

5、通常定义探测极限为当探测器探测到目标的信号大于或等于G倍的噪声，即探测系统的信噪比应大于或等于G。则在积分时间!内，到达探测器通光面积"上的目标信号的光子数和单位像素上的背景光子数分别为#*$!*"%*!&&L，!!#>$!>"%>!&"（"）式中：%*，%>分别表示探测器对目标和对天空背景光的量子效率；&表示探测器系统和光谱滤光片总的透过率；&L为星光到达探测器的大气透过率；"表示单位像素所占的立体角；!*表示星光的光子流密度，!>为单位立体角内背景光的光子流密度。!!根据量子效应’*’*$’>’>$!*$$，!!!>$$（$）(#()(#()式中：’*，

6、’>分别是信号强度和背景亮度；(表示普朗克常数；#为频率；)表示光速；$表示波长。!!从式（"）来看，因为星光是平行光，星光的信号强度不依赖于探测器视场，而背景光与系统的立体角（视场）!收稿日期：$**C?""?$@；!!修订日期：$**+?*"?""基金项目：中国科学院方向性创新项目资助课题；中国科学院合肥物质科学研究院院长基金资助课题作者简介：魏合理（"#CG—），男，博士，研究员，主要从事大气辐射传输和卷云的红外辐射传输研究；M’N=OPLO&QI(LR(RS。#FF强激光与粒子束第#H卷成正比。减小视场可以减小背景辐射，增大对比度和信噪比。但当视场减

7、小到星像的靶面尺寸到一个!!"像素大小时，再减小视场则星光的能量将在多个!!"像元间分配，单个像元的对比度和信噪比将不再随视场的减小而增加。所以，理论上当目标视角等于单位像素张角时，探测系统信噪比达到最大。但是当目标像所占像［$］素很少时，如目标像的大小刚好为#个像素，像的抖动、漂移将引起检测上的困难。万敏等人曾对此问题做过仔细的分析研究，结果表明：探测器系统视场的选取应保证目标像所占像素个数不小于%&%，同时视场的选取还应令!!"接近饱和并保证!!"不饱和，在这种情况下可以确定系统的探测极限。’’根据上述分析，恒星目标应成像在(个像素上。设!等星的光子流为

8、!!，目标信号分到了(个像素，每个像素的信号光子流为