Billeddannelse af rumaffald i høj opløsning

Affald er ikke kun et problem på Jorden. Ifølge NASA, der er i øjeblikket millioner af stykker rumskrot i højden fra 200 til 2, 000 kilometer over jordens overflade, som er kendt som low Earth orbit (LEO). Det meste af skrammel består af genstande skabt af mennesker, som stykker af gamle rumfartøjer eller hedengangne ​​satellitter. Dette rumaffald kan nå hastigheder på op til 18, 000 miles i timen, udgør en stor fare for de 2, 612 satellitter, der i øjeblikket opererer hos LEO. Uden effektive værktøjer til at spore rumaffald, dele af LEO kan endda blive for farlige for satellitter.

I en papirudgivelse i dag i SIAM Journal on Imaging Sciences , Matan Leibovich (New York University), George Papanicolaou (Stanford University), og Chrysoula Tsogka (University of California, Merced) introducerer en ny metode til at tage billeder i høj opløsning af hurtigt bevægende og roterende objekter i rummet, såsom satellitter eller affald i LEO. De skabte en billedbehandlingsproces, der først bruger en ny algoritme til at estimere hastigheden og vinklen, hvormed et objekt i rummet roterer, anvender derefter disse estimater til at udvikle et billede i høj opløsning af målet.

Leibovich, Papanicolaou, og Tsogka brugte en teoretisk model af et rumbilleddannelsessystem til at konstruere og teste deres billeddannelsesproces. Modellen viser et stykke hurtigt bevægende affald som en klynge af meget små, stærkt reflekterende objekter, der repræsenterer de stærkt reflekterende kanter af et emne i kredsløb, såsom solpanelerne på en satellit. Klyngen af ​​reflektorer bevæger sig alle sammen med samme hastighed og retning og roterer omkring et fælles centrum. I modellen, flere kilder til stråling på jordens overflade – såsom jordkontrolstationerne i globale navigationssatellitsystemer – udsender impulser, der reflekteres af målstykker af rumaffald. Et distribueret sæt modtagere detekterer og optager derefter de signaler, der hopper af målene.

Modellen fokuserer på kilder, der producerer stråling i X-båndet, eller fra frekvenser på 8 til 12 gigahertz. "Det er velkendt, at opløsningen kan forbedres ved at bruge højere frekvenser, såsom X-båndet, " sagde Tsogka. "Højere frekvenser, imidlertid, resulterer også i forvrængninger af billedet på grund af omgivende udsving fra atmosfæriske effekter." Signaler forvrænges af turbulent luft, når de bevæger sig fra målet til modtagerne, hvilket kan gøre billeddannelsen af ​​objekter i LEO ret udfordrende. Det første trin i forfatternes billeddannelsesproces var således at korrelere de data, der blev taget på forskellige modtagere, som kan hjælpe med at reducere virkningerne af disse forvrængninger.

Diameteren af ​​det område, der er omfattet af modtagerne, kaldes billeddannelsessystemets fysiske apertur - i modellen, det er omkring 200 kilometer. Under normale billeddannelsesforhold, den fysiske blændes størrelse bestemmer opløsningen af ​​det resulterende billede; en større blænde giver et skarpere billede. Imidlertid, den hurtige bevægelse af billedmålet i forhold til modtagerne kan skabe en omvendt syntetisk blænde , hvor de signaler, der blev detekteret ved flere modtagere, da målet bevægede sig gennem deres synsfelt, syntetiseres kohærent. Denne konfiguration kan effektivt forbedre opløsningen, som om billedsystemet havde en bredere blænde end det fysiske.

Objekter i LEO kan dreje på tidsskalaer, der spænder fra en fuld rotation med få sekunders mellemrum til hvert par hundrede sekunder, hvilket komplicerer billeddannelsesprocessen. Det er derfor vigtigt at kende – eller i det mindste være i stand til at vurdere – nogle detaljer om rotationen, før billedet fremkaldes. Forfatterne var derfor nødt til at estimere parametrene relateret til objektets rotation, før de syntetiserede data fra forskellige modtagere. Selvom det er teknisk muligt at tjekke alle mulige parametre for at se, hvilke der giver det skarpeste billede, at gøre det ville kræve en masse regnekraft. I stedet for at bruge denne brute force tilgang, forfatterne udviklede en ny algoritme, der kan analysere billeddataene for at estimere objektets rotationshastighed og retningen af ​​dets akse.

Efter at have redegjort for rotationen, Det næste trin i forfatternes billeddannelsesproces var at analysere dataene for at udvikle et billede af rumaffaldet, der forhåbentlig ville være så nøjagtigt og velopløst som muligt. En metode, som forskere ofte anvender til denne type billeddannelse af objekter i hurtig bevægelse, er enkeltpunktsmigrering af krydskorrelationer. Selvom atmosfæriske udsving normalt ikke forringer denne teknik væsentligt, den har ikke en særlig høj opløsning. En anderledes, almindeligt anvendte billedbehandlingsmetode kaldet Kirchhoff-migrering kan opnå en høj opløsning, da den nyder godt af den omvendte syntetiske blændekonfiguration; imidlertid, afvejningen er, at den nedbrydes af atmosfæriske udsving. Med det mål at skabe et billeddannelsessystem, der ikke er alt for stærkt påvirket af atmosfæriske udsving, men som stadig opretholder en høj opløsning, forfatterne foreslog en tredje tilgang:en algoritme, hvis resultat de kalder et rank-1 billede. "Introduktionen af ​​rank-1-billedet og dets opløsningsanalyse for hurtigt bevægende og roterende objekter er den mest nye del af denne undersøgelse, " sagde Leibovich.

For at sammenligne ydeevnen af ​​de tre billedbehandlingsskemaer, forfatterne gav simulerede data om et roterende objekt i LEO til hver enkelt og sammenlignede de billeder, de producerede. Spændende nok, rank-1 billedet var meget mere nøjagtigt og velopløst end resultatet af enkeltpunkts migrering. Det havde også lignende kvaliteter som output fra Kirchhoff-migreringsteknikken. Men dette resultat var ikke helt overraskende, givet problemets konfiguration. "Det er vigtigt at bemærke, at rank-1-billedet drager fordel af objektets rotation, " sagde Papanicolaou. Selvom et roterende objekt genererer mere komplekse data, man kan faktisk inkorporere denne yderligere information i billedbehandlingsteknikken for at forbedre dens opløsning. Rotation i visse vinkler kan også øge størrelsen af ​​den syntetiske blænde, hvilket markant forbedrer opløsningen for Kirchhoff-migreringen og rank-1 billeder.

Yderligere simuleringer afslørede, at rank-1-billedet ikke let forvirres af fejl i den nye algoritme til estimering af rotationsparametre. Det er også mere robust over for atmosfæriske effekter end Kirchhoffs migrationsbillede. Hvis modtagere fanger data for en fuld rotation af objektet, rank-1-billedet kan endda opnå optimal billedopløsning. På grund af sin gode præstation, denne nye billeddannelsesmetode kunne forbedre nøjagtigheden af ​​billeddannelse af LEO-satellitter og rumaffald. "Samlet set, denne undersøgelse kastede lys over en ny metode til billeddannelse af hurtigt bevægende og roterende objekter i rummet, " sagde Tsogka. "Dette er af stor betydning for at sikre LEO-båndets sikkerhed, som er rygraden i global fjernmåling."