Assessing The Utility of Passive Optical Polarimetric Observations for the Characterization of Resident Space Objects

Abstract

The protection and management of valuable Earth orbits and operational satellites for military, commercial and research objectives is widely recognised as a task of urgency and complexity. A critical component of this task is the tracking, characterization and identification of these active satellites as well as the space debris objects that pose a threat to them. As such advances in methods and technologies to improve these functions are constantly being investigated. One such broad method being employed to enhance space situational awareness (SSA) is the analysis of sunlight reflected from Earth-orbiting satellites. There are a number of studies that have focussed on studying variations in the intensity to learn more about a satellite’s operational status and activity however there is very little research on how the polarization of the reflected light could be used to gain additional knowledge about the reflecting body. To understand the utility of doing so as a means of characterizing satellites and space debris objects, an experiment was designed and conducted to gain insight into the trends of relative reflective polarimetric behaviors of some common spacecraft construction materials. For this thesis, five material samples were studied: two types of triple-junction photovoltaic cells, a bare 6061-T6 aluminum panel and a white-coated aluminum panel. The samples were mounted on a goniometer in which the illumination and reflection angles could be precisely controlled. The samples were then illuminated with a collimated unpolarised white light meant to simulate the Sun. The reflected light from the sample was then analysed using a dichroic linear polariser and a charge-coupled device (CCD) sensitive to optical wavelength light. From these measurements, the Stokes parameters were determined and the degree of linear polarisation and angle of polarisation calculated. The resulting values were plotted to allow a qualitative assessment of the trends in the polarimetric characteristics of each material with respect to illumination and observation geometries. The findings from this research project yielded two significant outcomes. First, the results provide a general understanding of how the polarisation trends of the reflected light vary as the illumination and observational geometry is changed. Second, the polarisation trends differed between samples for a given illumination and observational geometry. It can be concluded from these results that studying the polarimetric characteristics of light reflected from resident space objects can aid in their characterization and ultimately contribute to the advancement of gaining and maintaining SSA.

La protection et gestion d'orbites et de satellites opérationels à des fins militaires, commercialles, et de recherche sont des tâches reconnues comme étant urgentes et complexes. Un élément essentiel de cette tâche est le suivi, la caractérisation et l'identification de ces satellites ainsi que les débris spatiaux qui constituent une menace pour eux. À ce titre, de nouvelles méthodes et technologies sont constamment recherchées afin d'améliorer ces fonctions. Une des méthodes utilisées pour perfectionner la connaissance de la situation spatiale (CSS) est l'analyse de la lumière du soleil qui est réfléchie des satellites en orbite terrestre. Quoique qu'il y a plusieurs études qui ont porté sur l'analyse des variations de l'intensité cette lumière pour en apprendre davantage sur le statut et l'activité opérationnelle d'un satellite, il y a très peu de recherches qui ont cherchées à comprendre la façon dont la polarisation cette lumière pourrait être utilisée pour acquérir des connaissances supplémentaires sur le corps réfléchissant. C'est donc avec cet objectif que l'expérience, présentée dans cette thèse, fut établie. Le but de l'expérience était de mieux comprendre les tendances polarimétriques de la lumière réfléchie par des matériaux communément utilisés dans la construction de satellites et véhicules spatiaux.

Cinq échantillons furent caractérisés, soit deux piles photovoltaïques, un panneau d'aluminium de type 6061-T6 sans recouvrement et un autre peint en blanc. Les échantillons ont été placés sur un goniomètre dans lequel la géométrie d'illumination et d'observation peuvent être contrôlés avec précision. Ces échatillons furent ensuite illuminés avec une lumière non-polarisée voulant simulée celle du soleil. La lumière réfléchie de l'échantillon a ensuite été analysées en utilisant un polarisateur linéaire dichroïque et une caméra à dispositif de couplage de charge (CCD) sensible au longeur d'onde visible. Les paramètres de Stokes furent calculés et le degré de polarisation linéaire et l'angle de polarisation calculée. Les valeurs ainsi obtenues pour tous les échantillons ont été comparées pour permettre une évaluation qualitative des tendances dans les caractéristiques polarimétriques de chaque matériau par rapport à l'éclairage et d'observation des géométries.

Les résultats de cette recherche ont mené à deux résultats importants. Premièrement, les résultats démontre que la polarisation de la lumière réfléchie de matériaux utilisés pour la construction de satellites varie en fonction de la géométrie d'illumination et d'observation. Deuxièmement, cette polarisation varie aussi selon l'échantillon qui était éclairé. Ces résultats permettent alors de conclure que l'étude des caractéristiques polarimétriques de la lumière réfléchie par des satellites et débris spatiaux pourraient potentiellement aider à la caractérisation de ces objects et ultimement contribuer à l'ammélioration de la CSS.