• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Avbilda rymdskräp i hög upplösning

    Från vänster till höger:Rymdskräp modellerat som ett kluster av sex reflekterande föremål, en bild framtagen av skräpet utan att ta hänsyn till föremålens rotation, och en bild framtagen efter att ha tagit hänsyn till föremålens rotation. Redovisning av rotationen ger en mycket tydligare bild. Kredit:Matan Leibovich, George Papanicolaou, och Chrysoula Tsogka.

    Skräp är inte bara ett problem på jorden. Enligt NASA, det finns för närvarande miljontals bitar av rymdskräp i höjderna från 200 till 2, 000 kilometer över jordens yta, som kallas låg jordomloppsbana (LEO). Det mesta av skräpet består av föremål skapade av människor, som bitar av gamla rymdskepp eller nedlagda satelliter. Detta rymdskräp kan nå hastigheter på upp till 18, 000 miles per timme, utgör en stor fara för 2:an, 612 satelliter som för närvarande fungerar på LEO. Utan effektiva verktyg för att spåra rymdskräp, delar av LEO kan till och med bli för farliga för satelliter.

    I en tidningspublicering i dag i SIAM Journal on Imaging Sciences , Matan Leibovich (New York University), George Papanicolaou (Stanford University), och Chrysoula Tsogka (University of California, Merced) introducerar en ny metod för att ta högupplösta bilder av snabbt rörliga och roterande föremål i rymden, såsom satelliter eller skräp i LEO. De skapade en bildprocess som först använder en ny algoritm för att uppskatta hastigheten och vinkeln med vilken ett föremål i rymden roterar, tillämpar sedan dessa uppskattningar för att utveckla en högupplöst bild av målet.

    Leibovich, Papanicolaou, och Tsogka använde en teoretisk modell av ett rymdavbildningssystem för att konstruera och testa deras avbildningsprocess. Modellen visar ett stycke snabbt rörligt skräp som ett kluster av mycket små, mycket reflekterande föremål som representerar de starkt reflekterande kanterna på ett föremål i omloppsbana, såsom solpanelerna på en satellit. Klustret av reflektorer rör sig alla tillsammans med samma hastighet och riktning och roterar runt ett gemensamt centrum. I modellen, flera strålningskällor på jordens yta – som markkontrollstationerna i globala satellitnavigeringssystem – avger pulser som reflekteras av målbitar av rymdskräp. En distribuerad uppsättning mottagare upptäcker och registrerar sedan signalerna som studsar mot målen.

    Modellen fokuserar på källor som producerar strålning i X-bandet, eller från frekvenser på 8 till 12 gigahertz. "Det är välkänt att upplösningen kan förbättras genom att använda högre frekvenser, som X-bandet, " sa Tsogka. "Högre frekvenser, dock, resulterar också i förvrängningar av bilden på grund av omgivningsfluktuationer från atmosfäriska effekter." Signaler förvrängs av turbulent luft när de färdas från målet till mottagare, vilket kan göra avbildningen av objekt i LEO ganska utmanande. Det första steget i författarnas bildbehandlingsprocess var alltså att korrelera data som tagits vid olika mottagare, vilket kan bidra till att minska effekterna av dessa snedvridningar.

    Från vänster till höger:En bild framtagen av ett kluster av reflekterande objekt med enpunktsmigrering av korskorrelationer, rank-1 bilden, och Kirchhoff migration. Migrationsbilderna i rang 1 och Kirchhoff är mycket bättre upplösta än bilden från enpunktsmigrering. Kredit:Matan Leibovich, George Papanicolaou, och Chrysoula Tsogka.

    Diametern på området som omsluts av mottagarna kallas för den fysiska öppningen av bildbehandlingssystemet – i modellen, detta är cirka 200 kilometer. Under normala bildförhållanden, den fysiska bländarens storlek bestämmer upplösningen för den resulterande bilden; en större bländare ger en skarpare bild. Dock, den snabba rörelsen av avbildningsmålet i förhållande till mottagarna kan skapa en omvänd syntetisk bländare , där signalerna som detekterades vid flera mottagare när målet rörde sig genom deras synfält syntetiseras koherent. Denna konfiguration kan effektivt förbättra upplösningen, som om bildsystemet hade en bredare bländare än det fysiska.

    Objekt i LEO kan snurra på tidsskalor som sträcker sig från en hel rotation med några sekunders mellanrum till med några hundra sekunders mellanrum, vilket komplicerar bildbehandlingsprocessen. Det är därför viktigt att känna till – eller åtminstone kunna uppskatta – vissa detaljer om rotationen innan bilden framkallas. Författarna behövde därför uppskatta parametrarna relaterade till objektets rotation innan de syntetiserade data från olika mottagare. Även om det är tekniskt möjligt att helt enkelt kontrollera alla möjliga parametrar för att se vilka som ger den skarpaste bilden, att göra det skulle kräva mycket beräkningskraft. Istället för att använda denna brute force-strategi, författarna utvecklade en ny algoritm som kan analysera bilddata för att uppskatta objektets rotationshastighet och riktningen på dess axel.

    Efter att ha redovisat rotationen, nästa steg i författarnas avbildningsprocess var att analysera data för att utveckla en bild av rymdskräpet som förhoppningsvis skulle vara så exakt och välupplöst som möjligt. En metod som forskare ofta använder för denna typ av avbildning av objekt som rör sig snabbt är enpunktsmigrering av korskorrelationer. Även om atmosfäriska fluktuationer vanligtvis inte avsevärt försämrar denna teknik, den har inte särskilt hög upplösning. En annorlunda, Vanligt använda avbildningsmetod som kallas Kirchhoff-migrering kan uppnå en hög upplösning, eftersom den drar nytta av den omvända syntetiska bländarkonfigurationen; dock, avvägningen är att den försämras av atmosfäriska fluktuationer. Med målet att skapa ett bildåtergivningsschema som inte påverkas alltför hårt av atmosfäriska fluktuationer men som fortfarande har en hög upplösning, författarna föreslog ett tredje tillvägagångssätt:en algoritm vars resultat de kallar en rank-1-bild. "Introduktionen av rank-1-bilden och dess upplösningsanalys för snabbrörliga och roterande objekt är den mest nya delen av denna studie, sa Leibovich.

    För att jämföra prestandan för de tre bildbehandlingsschemana, författarna gav simulerade data om ett roterande objekt i LEO till var och en och jämförde bilderna som de producerade. Spännande nog, rank-1-bilden var mycket mer exakt och välupplöst än resultatet av enpunktsmigrering. Det hade också liknande egenskaper som resultatet av Kirchhoffs migrationsteknik. Men detta resultat var inte helt förvånande, med tanke på problemets konfiguration. "Det är viktigt att notera att rank-1-bilden drar nytta av objektets rotation, ", sa Papanicolaou. Även om ett roterande objekt genererar mer komplexa data, man kan faktiskt införliva denna ytterligare information i bildbehandlingstekniken för att förbättra dess upplösning. Rotation i vissa vinklar kan också öka storleken på den syntetiska bländaren, vilket avsevärt förbättrar upplösningen för Kirchhoff-migreringen och rank-1-bilder.

    Ytterligare simuleringar visade att rank-1-bilden inte lätt förvirras av fel i den nya algoritmen för uppskattning av rotationsparametrar. Den är också mer robust mot atmosfäriska effekter än Kirchhoffs migrationsbild. Om mottagare fångar data för en fullständig rotation av objektet, rank-1-bilden kan till och med uppnå optimal bildupplösning. På grund av dess goda prestanda, denna nya avbildningsmetod skulle kunna förbättra noggrannheten vid avbildning av LEO-satelliter och rymdskräp. "Övergripande, denna studie kastade ljus över en ny metod för att avbilda snabbt rörliga och roterande föremål i rymden, ", sa Tsogka. "Detta är av stor betydelse för att säkerställa säkerheten för LEO-bandet, som är ryggraden i global fjärranalys."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com