沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 1 1绪论 空间目标主要指各种卫星、空间碎片、空间站、航天飞机, 中远程弹道导弹, 以及进入地球外层空间的各种宇宙飞行物, 如彗星和小行星。空间目标探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪, 确定可能对航天系统构成威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性; 对目标特性数据进行归类和分发。空间目标探测不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力, 还可以预测空间物体的轨道, 对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击告警等, 具有重要的军事价值。
当前的空间目标探测的主要手段是以各种超远程雷达和大口径光学望远镜组成的空间的监视网对空间目标进行探测和跟踪。这种探测方式虽然能够有效地对空间目标实现探测和监视, 但是对空间目标缺乏有效的识别手段, 而且整套系统庞大复杂, 运行成本昂贵。目前的空间监视系统的主要不足表现 在雷达与光学系统必须紧密配合, 否则对空间目标的探测效率将大为降低。若单用雷达探测空间目标, 由于雷达的波束较宽, 分辨率较低, 难以获得空间目标的准确方位以及其形态特征; 单用光学望远镜探测空间目标, 无法获取空间目标的距离、速度信息, 而且对于被动光学观察, 受空间照明环境影响较大。 目前, 在被动光学探测的基础上发展了主动激光照射成像的探测技术。该技术的基本原理是利用激光器照射空间目标, 将目标的全部或关键特征部位照亮, 使其满足接收系统探测要求, 再利用传统被动成像光学系统探测目标。该方法不仅可以提高被观察目标的亮度, 还可以在零照度条件下, 随时在所关心的天区内进行空间目标探测。但该方法仍然有许多缺陷, 主要体现在该方法无法获得目标的距离及速度信息, 虽然通过距离选通可以获得目标的大致距离信息, 但距离分辨率低, 且对于未知距离的目标需要通过多个距离选通门限方能探测到。 有别于上述主动激光照射成像的探测, 激光探测是指向目标发射连续或脉冲的激光波束, 由接收系统接收目标反射的回波, 通过对回波所携带信息的分析, 提取感兴趣的目标特征。相比传统探测方式, 激光探测有许多突出的优点。首先, 激光探测可以独自完成对空间目标的定位及特征识别, 不像现有的观测需要一个庞大复杂的系统支撑, 简化了操作流程, 降低了使用费用; 其次, 由于激光探测特有的性质, 其测量精度较传统测量要高许多, 此外, 通过对激光探测信号的进一步分析, 可以得到更丰富的目标特征, 为有效的图像识别目标提供依据。 沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 2 2 激光探测空间目标识别技术 2. 1 运行轨道确定 2. 1. 1 位置确定 对于空间目标, 如果知道其相对于地面固定点的距离及相对角度, 则该空间目标的相对位置即可以唯一确定。通过测量激光从发射到返回经过的飞行时间便可以计算出探测器到目标的直线距离L:
（2.1） 式中, c为光速; t为激光脉冲飞行时间。由于光速在大气层内的速度与真空中有一定差别, 以及大气湍流和波动, 光速在测量范围内并不是常数。测距精度为 ：
（2.2） 从式（2.2）可以看出, 测距精度取决光束飞行时间t的测量精度$t与光速在大气层内外的速度差$c。此外, 由于回波上升前沿变化、阈值电平漂移、时钟频率不稳定、放大器及探测器噪声引起的时间测量误差等, 这些都会造成测距误差。通过误差补偿和提高测量精度的方式可以将误差减小至探测所 需要的精度范围内。 另外, 通过探测设备上的轴角编码器可以准确测量出空间目标相对于探测设备的相对角度, 有了这两个数据便可以通过相应的坐标变换得到空间目标的相对位置。 2. 1. 2 速度确定
最简单的激光测速方法是对运动目标进行连续测距, 由距离随时间的变化率计算出目标的速度。这种方法虽然简单, 但测量精度不高, 而且必须对目 标进行连续测量。通过探测激光回波经目标调制后产生的多普勒频移, 不仅具有很高测量精度, 而且单次测量便可以得到目标的径向速度。激光束作用于 目标产生的多普勒频移量fd 为：
（2.3）
式中, K为激光波长; Mr 为目标在径向r速度。由式( 3)可知, 由于多普勒频移fd 与激光波长K成反比, 激光产生的多普勒频移量比微波雷达大许多倍, 因而激光雷达对运动
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3 目标速度测量精度要比微波雷达高得多。例如, 用10. 6 Lm 的CO2 激光时, 1m / s径向速度运动的目标会产生约189 kH z的多普勒频移量, 而对35 GH z的微波雷达则只产生约233H z的多普勒频移。在有了空间目标的位置及相对速度情况下, 通过一定时间观测的积累, 可以得到空间目标的运动矢量及其矢量速度, 这样就可以依据得到的参数确定空间目标的飞行轨道[ 4 ] 。由于激光束的波束宽度远小于微波雷达的波束宽度, 加上激光雷达的测距及测速精度也远高于微波雷达, 因而利用激光雷达确定空间目标飞行轨道的精度远高于相应的微波雷达。 2. 2 几何形状估计 2. 2. 1 目标回波脉冲波形特征分析技术 对于空间目标, 其空间尺寸使得其不同部位反射的激光回波在时间上存在一定的时延, 其在回波的波形上表现为脉冲波形的展宽, 对于体积特别巨大的空间目标, 如空间站、大型电子侦察卫星等, 其回波波形可能出现变形甚至断裂。记录反射回的激光波形, 可以通过分析回波的强度及展宽、裂变情况来判断空间目标的空间尺寸, 估计出其大致的形状。 此外, 对于单次探测条件下的激光遥感信号, 由于其波形分布信息反映了目标特性分布对回波信号的调制。通过对激光回波信号的小波变换, 提取出不同变换尺度下激光回波波形分布特征。通过回波的脉冲宽度和能量特征可以反映出目标的反射尺寸和反射率信息。通过模板匹配和模式识别技术, 结合典型目标与激光回波信号的调制关系, 就可能得到回波信号特征与目标特性的映射关系, 并获得对目标特性的求解结果。对于更高精度的要求, 可以由多角度激光照射条件下的多次激光回波数据, 得到针对同一目标的时间、空间和属性联合调制函数的另一组值, 可以消除目标各子部分的时间、空间、属性求解的不确定性, 从而建立起更为稳定的激光遥感信号与目标特性关系模型, 达到精确目标特性求解结果。对于提取的特征量, 还需要通过实验的方法验证其稳定性和有效性。通过分析, 提取出最能反映目标本质的特征集, 并通过选用合适的模式 识别方法完成对目标的识别工作。 图1[ 5] 给出了对三种不同目标的回波波形分布仿真结果以及基于小波变换的特征提取向量。仿真选择三种不同外形尺寸的卫星模型, 利用激光在卫星侧上方? 40b范围内以10b为步进角度进行侦察, 得到一组回波数据, 通过小波变换和M ahalanobis计算得到一组特征模板。图中为三种卫星在方位角30b时的激光回波数据以及其三阶小波变换分解系数和第三阶小波系数的沈阳理工大学装备工程学院课程设计说明书 4 模极大值点。由图可见, 利用波形特征提取可以有效地区分具有不同特性分布的目标, 完成对目标的识别工作。图1 三种卫星的激光回波和特征提取仿真结果 图
图表 1
2. 2. 2 激光雷达逆合成孔径成像技术 激光雷达逆合成孔径成像原理与微波雷达的逆合成孔径雷达成像的原理基本相同, 都是利用雷达与目标之间的相对运动, 经信号处理产生等效的大孔径来获得高的方位分辨率, 其距离向分辨率都是由宽带的发射信号B 所决定。 设激光雷达发射孔径为D, 与目标之间的距离为R 0, 激光波长为K, 其3 dB的波束宽度近似为 （2.4） 式中, K 为加权展宽系数, 当波束为均匀辐射时K = 0. 88, 实际工程中HBW 一般有所展宽, 取近似值K = 1。则合成孔径雷达长度LS 为:
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由公式( 2.6) 可以看出, 激光雷达逆合成孔径成像的方位分辨率等于实际天线孔径的一半, 由于光学接收孔径远小于微波雷达发射孔径, 因此激光雷达显著的提高到了方位分辨率, 减小了对目标环境的依赖性, 能够实现高性能远距离的探测。 国内目前对于激光雷达逆合成孔径成像方面的研究较少[ 7] , 国外有几家研究
机构对逆合成孔径激光雷达成像问题进行了理论和实验研究, 并且取得了值得关注的研究进展。M IT 林肯实验室研制了/ Firepond0CO2 相干激光雷达, 并于1990年3月4日成功获取了世界上首幅轨道卫星的距离- 多普ISAR 图像, 这是一颗轨道高度800~ 100 km 高度的海洋卫星[ 8] 。2002 年, 美国的海军研究实验室M. Bashkansky 等人用波长为1. 55 Lm、功率为5mW 的单模可调谐激光源也实现了对目标的二维成像[ 9] 。 目前, 激光雷达逆合成孔径成像技术虽然取得初步的成果, 但是仍处于实验室阶段, 离实际应用还有较大距离。此外当前逆合成孔径激光雷达的发展仍然面临着一些关键问题的制约, 主要包括激光器射源、相干探测、运动补偿信号处理和大气传输影响及补偿等。 2. 3 装配光学设备检测
测空间目标是否装配光学设备检测利用了激光探测中的/猫眼效应0[ 10] 。/猫眼效应0是在研究了猫的眼睛的基础上提出来的, 猫的眼睛之所以在夜间看起来很亮, 原因就在于光线通过猫眼的瞳孔后射到眼底上, 然后由于眼底的反射, 使光束返回,所以此时的猫眼就显得比较亮。如果反射光束的表面不具有类似眼底的特性, 那么该表面的反射光将不会沿原光路返回, 我们也就难以得到较强的回光信号。 一般的光电设备, 位于光学系统焦面上的光电探测器表面, 对正入射来的激光, 按光的可逆原理将其原路返回, 会产生方向性好、能量集中、亮度高的后向反射光。透镜的聚焦功能和光敏面的镜面反射使系统产生的光学/ 准直0作用, 使激光回波能量密度比其他目标(或背景)的回波能量密度高许多。 图2 /猫眼效应0光路示意图[ 11]
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