地基光学探测技术的优化

基于望远镜等光学探测设备的观测是对空间碎片进行地基探测的另一种方法。光电望远镜探测设备是望远镜和光电探测器的集成设备，是一种电子增强的望远镜，它能收集空间物体反射的光谱，观测作用距离较远，能够对静止轨道高度的空间物体成像，从而有能力实现对中高轨道上的大尺寸空间碎片的探测。光学观测具有较高的灵敏度，但光学设备的使用受到光照等其他条件的限制。云、雾、阴雨天气、大气污染、城市背景灯光及满月时的辉光，都可能降低光学探测器的观测能力，甚至使之不能进行观测。

在空间碎片探测工作中，光学测量可以弥补雷达受作用距离限制的局限性，实现对中高轨道上的空间碎片的测量，同时还可以提供空间碎片的高精度测量数据，因而在空间碎片的探测中占有重要地位，是空间碎片轨道确定的重要手段之一。例如，ESA 1 m口径的地面望远镜和美国61 cm口径的MODEST望远镜^[7]属于目前比较先进的地基光电测量设备，主要用于监视和跟踪高轨空间碎片。这类望远镜能够探测到地球静止轨道上尺寸约为30 cm、亮度相当于20等星的空间物体，能有效地获得空间碎片的轨道分布特征。但是受到探测条件的限制，望远镜不能全天时、全天候工作。

在2017年的Advanced Maui Optical and Space Surveillance Conference会议上提及，NASA的轨道碎片项目办公室采用在复活节岛上的一架米级自主望远镜，对GEO轨道上的空间碎片环境进行观测与统计工作，并将观测结果与碎片模型仿真结果进行对比，实现在不同采样频率下碎片轨道的精确确定，该望远镜的探测工作期望能够对GEO及其邻近轨道上的空间碎片加以区分^[8]。

此外，NASA在2017年与ESA进行了合作，通过地基红外望远镜和米级自主望远镜的观测，尝试将空间碎片与其产生的子代碎片进行特征关联，所使用的方法主要有两种：传递光学测量和基于材料属性进行的关系分析。他们以Titan、BRIZ-M和Ariane三个火箭箭体为验证对象，验证了在空间碎片特征关联的两个假设^[9]。

地基光学探测从原理上来讲，主要包括红外、光电和激光探测三种观测方法，下面对这三种类型的探测方法的原理与特点进行详细的介绍。

2.2.2.1　地基红外探测

红外观测是一种特殊的光学观测，红外线波长为0.75～1 000 μm，通常将λ＜2.5 μm的称为近红外波段，λ＞25 μm的称为远红外波段，其间为中红外波段。红外辐射通过地球大气层的实际传输过程是很复杂的，由于辐射和大气的相互作用，不仅因吸收和散射导致辐射受到衰减，还会因大气本身的热发射、折射和大气湍流产生的天空噪声受到影响。正是由于大气的这些特征，在地面的红外天文观测实际上只能在近中红外波段的几个窗口进行。红外窗口的情况较为复杂，短波段红外辐射因水汽分子和二氧化碳的吸收，形成若干条吸收带，在这些吸收带之间的空隙处表现为红外窗口。其中17～22 μm是半透明窗口，大气对大于22 μm的红外辐射是完全不透明的，只有把望远镜放在高山上，才能在这一波段范围内找到一些红外窗口。随着海拔高度的增加，大气中吸收分子的密度越来越小，这些窗口也越来越透明，越来越大。

红外观测的作用距离比雷达的远，可以覆盖低轨到高轨目标的测量，但建设和运行成本比光学观测的更高。相对于光学波段，红外具有更宽阔的波段范围，蕴藏着丰富的信息，在光谱分析和白天观测方面具有更大的优势。热红外作为红外波段的特有发射波段，利用热红外光谱，可以估算空间目标的温度；卫星的热红外成像可以同时在白天和夜晚进行观测，并且卫星在进入地影后仍然有热辐射的存在，可能延长目标观测弧段；结合热红外和光学波段的数据还可以用于研究目标的反照率等。红外光谱能用于辨识空间目标的表面材料，由于其具有相比可见光更为宽阔的波段范围，红外光谱能反映不同表面材料的更多细节特征。红外测光包括多色测光、光变曲线、偏振测量等方面，可以结合可见光波段测光对空间目标的特征信息进行更加详细的研究。对于白天观测，相比可见光，红外具有更低的天光背景，近红外K波段具有明显的优势。

另外，相比可见光探测器，红外探测器制作工艺更复杂，噪声更大，费用更高。地基红外探测对光学系统性能和天文台址要求也更高，红外望远镜需要高海拔和干燥的环境。近年来，随着一系列空间目标红外研究计划的开展，一些大型的专用红外望远镜和经过改造的光学/红外望远镜开始参与到空间目标的观测研究中。随着研究的深入，未来几年将会有更多的红外望远镜参与空间目标监测。

目前具有代表性的红外望远镜是以下五个观测站，它们分别隶属于美国和英国，代表了当前的世界前沿水平。

1.AMOS/MOTIF

美国空军毛伊岛光学站（Air Force Maui Optical Station，AMOS）位于夏威夷毛伊岛，隶属于美国空军研究实验室，用于测试和评估先进的光学测量系统。AMOS拥有一台口径为3.67 m的先进光电望远镜（Advanced Electro-Optical System，AEOS），拥有自适应光学系统、辐射计、光谱仪和中红外波段成像器等先进传感器，能够用于跟踪深空人造物体，并收集目标的相关数据。

同处于毛伊岛的还有北美防空司令部的光学追踪和识别设备（Maui Optical Tracking and Identification Facility，MOTIF），这是美国空军空间追踪网络的主要探测设备，包括两个口径为1.2 m的望远镜，主要用于中红外和测光数据收集。借助AMOS/MOTIF的红外设备，美国在毛伊岛最早开始了空间目标的红外观测研究，在空间目标红外测光、光谱分析和白天观测方面做了许多前期的探索性工作。

2.IRTF(www.xing528.com)

NASA的红外望远镜设施（Infrared Telescope Facility，IRTF）是一台口径为3 m的望远镜，坐落于夏威夷海拔4 200 m的莫纳克亚山，这里是世界上最理想的红外站址之一。IRTF的建设起初是为了支持旅行者号任务，现在则成为美国红外天文的国家设施，为行星科学和深空应用提供持续支持。IRTF包含多种辅助设备，可以获取0.8～25μm波段的中高分辨率光谱。2006—2008年间，NASA利用IRTF对空间目标进行了红外光谱的观测分析。2011年，IRTF开始参与空间目标白天成像的测试研究。

3.SPOT

空间目标跟踪（Space Object Tracking，SPOT）设施位于加利福尼亚州北部的圣克鲁斯试验场，由3个口径为1 m的光学/红外望远镜组成，以单独或协同模式观测空间目标，于2012年6月正式运行。SPOT望远镜可以追踪低轨目标，在可见光和近红外波段测光成像，包括光谱测量等，未来还将部署更多的红外设备。

4.UKIRT

英国红外望远镜（United Kingdom Infrared Telescope，UKIRT）是目前最大的专用红外望远镜，口径为3.8 m，位于莫纳克亚山。UKIRT拥有大视场相机（Wide Field Camera，WFCAM），能在近红外波段测光，并且拥有近红外和热红外成像光谱仪等终端设备。2014年，NASA轨道碎片项目办公室申请到使用UKIRT的机会。随后两年，UKIRT将1/3的观测时间用于空间目标的数据收集，主要用于获取地球同步轨道区域已知目标的测光成像，以及以巡天模式探测新目标。

5.MMT

多镜望远镜（Multiple Mirror Telescope，MMT）坐落于美国亚利桑那州的霍普金斯，建立于1979年，经过改造后，现拥有1个口径为0.5 m的主镜和3个可替换的副镜，能够在可见光和红外波段获取高分辨率的图像。在2015年1月，MMT参与了亚利桑那大学和美国空军研究实验室的联合项目，对地球同步轨道上的空间目标进行了观测。

2.2.2.2　地基激光探测

卫星激光测距（Satellite Laser Ranging，SLR）是卫星观测中测量精度最高的技术，是一种精度达毫米级的实时测量技术，其精度高于微波雷达、光电望远镜1～2个数量级。它通过精确测定激光脉冲信号从地面观测站到卫星的往返飞行时间，获得地面观测站到卫星的距离^[10]。2015年，上海天文台激光测距系统在国际上首次采用超导纳米线单光子探测器技术成功实现最远20 000 km卫星测量试验，为实现远距离、小尺寸空间目标的激光测距突破提供了途径[11]。由于空间碎片不携带角反射器，反射率低且入射到其表面的激光束被漫反射，所以返回到地面观测站的回波信号极其微弱。因此，大口径望远镜，高效率的光学系统，高稳定性、高功率、高光束质量的激光器系统及高灵敏度的回波光子探测器对于漫反射激光测距系统来说是非常必要的。

美国NASA的SLR2000系统的相关距离接收机算法通过将O-C残差平面划分为等大小的网格，将网格内的点数与设定阈值相比较来判断其中的点是否为信号点。这种算法的网格大小和阈值大小受观测条件和空间碎片与测站之间的距离等因素影响较大。澳大利亚的Mt Stromlo站基于泊松滤波实现了全自动的观测数据处理，该方法认为O-C残差中的噪声点服从泊松分布，而有效信号则在短时间内近似呈线性分布，通过判断数据点是否服从泊松分布进行滤波去噪，保留有效信号。奥地利Graz站利用快速回波辨识算法提取空间碎片激光测距漫反射回波，但成功率较低^[11]。

澳大利亚的电子光学系统有限责任公司（Electro Optic Systems Pty Ltd，EOS）研制出了主动式空间碎片激光测距系统^[12]。该系统可以准确地探测到1 000 km轨道高度内小于10 cm的碎片，测距精度优于1 m，测角精度2″，最远距离达3 200 km，定轨精度小于5 m，轨道预报精度小于200 m（24 h）。目前，该系统按合同要求为美国的空间目标编目提供常规的观测服务，主要是5～10 cm的碎片。

德国宇航中心（DLR）在2012年2月与奥地利的格拉茨（GRAZ）激光观测站合作进行了首次探测尝试，探测到了600～2 500 km的空间碎片，测距精度在0.7m左右^[13]。

在国内的相关研究中，上海天文台建立了测距试验系统，进行了非合作目标的测距试验，于2008年7月获得了3个火箭残骸的漫反射激光测距数据。云南天文台从2008年1月开始开展空间碎片漫反射激光测距研究，于2010年6月收到火箭残骸的回波。这些台站在空间碎片激光测距试验中，采用低重复频率的测距方式，得到的测距数据量较少。随后，国内各台站开始了高重复频率空间碎片激光测距的研究。上海天文台使用重复率为200 Hz、功率为50 W的全固态激光器，配合低噪声探测器、纳秒控制精度距离门产生器及高效率光谱滤波器等，实现了高重复频率的空间碎片激光观测。长春人造卫星观测站于2013年开始采用输出功率30 W、发射频率500 Hz的高功率激光器开展了空间碎片漫反射激光测距研究，并成功实现探测。截至目前，国内几家激光测距站实现了利用激光测距技术探测空间碎片，但是探测到的碎片大多在1 m左右，探测小碎片的能力尚需进一步提高[12]。