为了获取临近空间低速点目标的形状尺寸信息, 进行了高空气球光学观测实验, 研究了如何从光度数据中反演低速点目标形状尺寸信息。利用孔径测光技术处理地基探测装备所拍摄的实验图像数据获取目标光度数据。在反演过程中, 采用球谐函数法和细分控制点法两种形状描述方法来参数化描述目标形状, 利用球谐函数法的正则化函数、三角面元正则化函数和基于目标物理特性的正则化函数约束目标的形状变化, 在对目标光度数据以及由两种形状描述方法产生的模型数据进行傅里叶变换的基础上, 结合光学系统点扩散函数来反演空间目标形状尺寸信息。结果表明: 两种形状描述方法反演的目标形状主要特征相似, 表明这种形状特征是从光度数据提取到的。球谐函数法和细分控制点法反演出的目标等效直径相对误差分别为11.3%和22.6%, 长度相对误差分别为11.6%和21.8%。由此表明: 球谐函数法反演的临近空间低速目标形状误差较小, 更能准确地反演出临近空间低速目标形状。

以10 km观测高度探测4.5等星为例, 分析星点在600~1100nm谱段的辐射特性, 使用Modtran软件计算同谱段的天空背景辐射亮度以及大气透过率, 在信噪比阈值为5的情况下, 选择一组典型的光学系统参量.采用一块平面反射镜和石英球面镜系统设计了轻、小型化的光学系统, 该系统在600~1 100 nm宽光谱范围内全视场光斑形状接近圆形、调制传递函数接近衍射极限, 色差很小, 具有良好的成像质量.计算了地面环境下星敏感器的昼夜探测信噪比, 以信噪比阈值5对星敏感器的探测能力评估, 结果表明在白昼地面环境下可以实现2.5等G型恒星的探测, 在夜间地面环境下可以实现6等G型恒星的探测.

基于探测系统背景辐射特性及高空气球辐射特性, 建立了探测系统辐射接收模型.考虑大气传输、光学系统成像、探测器及其采样对辐射的影响, 精确计算了高空气球辐射及背景辐射在探测器焦平面阵列上产生的信号电子数, 推导出用于高空气球探测的信噪比.利用Modtran软件仿真计算了自身辐射、镜背景辐射、漫背景辐射亮度, 分析了复杂大气条件下的气球辐射特性, 及高空气球镜反射率、漫反射率与积分时间对探测系统信噪比的影响.结果表明: 采用光谱滤波技术, 在晴朗无云天气下, 可见光近红外(0.6~2.4)探测器适合高空气球探测;在复杂大气条件下, 长波红外(8~12)探测器适合高空气球探测;在积分时间为0.25s, 镜反射率为0.32, 漫反射率为0.68时, 或积分时间为1s, 镜反射率0.43, 漫反射率0.57时, 探测系统对高空气球探测能力最强.

基于应用光学中基本辐射理论，研究了临近空间高空气球的光散射特性。利用计算几何学的坐标转换以及网格划分建模思想，对高空气球球面进行网格面元划分。根据高空气球等透明类物体几何结构和物体光学特性，推导出透明类物体双向散射分布函数（BSDF）镜反射/折射、近镜反射/折射、漫反射/折射、理想漫反射/折射相结合的计算模型，最终得出高空气球散射背景辐射在地面产生辐射亮度的计算模型。利用MODTRAN 软件在3~5 μm和8~14 μm 波段仿真计算临近空间高空气球的背景辐射亮度，在0.24~2.4 μm 波段仿真计算气球自身亮度。仿真结果表明：利用BSDF模型计算得到高空气球亮度为2.28 × 10-3 W/(cm2·μm·sr) ，计算结果误差为10.6%，精度相对双向反射分布函数(BRDF)模型提高2%。在分析高空气球等类透明体散射特性时，可参考此模型来进行计算。