空间目标识别中的激光探测技术

La ser detection in the iden tif ica tion of space target
HUAN G Tao1, 2 , HU Hui2ling3 , HU Yi2hua1, 2 , ZHAO Nan2xiang1, 2
(1. State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China; 2. Key Laboratory of Electronic Restriction, Anhui Province, Hefei 230037, China;
摘 要 :空间目标探测与识别技术是空间资源开发 、空间安全等方向应用的前提条件 ,同其他 方式相比 ,激光探测具有其突出的优势 。当前传统的空间监视网是以微波雷达和光学望远镜 为基础 ,激光探测与之相比具有系统简单 、效费比高 、能探测空间目标多种特征参数的优点 。 介绍了激光探测空间目标中的空间目标轨道确定 、几何形状估计 、对装配的光学设备检测和对 空间目标的振动识别等几种目标识别技术 。最后分析了激光探测在空间目标识别中存在的问 题和发展的方向 。 关键词 :激光探测 ;空间目标 ;识别 ;逆合成孔径 ;猫眼效应 ;振动识别 中图分类号 : TN149 文献标识码 : A
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
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 [3 ] :
fd
=
2νr λ
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:
L = ct
(1)
2
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
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
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
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 ±40°范围内以 10°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 30°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 。
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 。 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
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 [ 2 ] 。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 。
湍流和波动 ,光速在测量范围内并不是常数 。测距
精度为 [3 ] :
ΔL
=
1 2
( cΔt + Δt c)
(2)
从式 ( 2)可以看出 , 测距精度取决光束飞行时
间 t的测量精度 Δt与光速在大气层内外的速度差
Δc。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
空间目标识别中的激光探测技术
黄 涛 1, 2 ,胡惠灵 3 ,胡以华 1, 2 ,赵楠翔 1, 2
(1. 脉冲功率激光技术国家重点实验室 电子工程学院 ,安徽 合肥 230037; 2. 安徽省电子制约技术重点实验室 ,安徽 合肥 230037; 3. 合肥工业大学计算机与信息学院 ,安徽 合肥 230009)
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 [ 1 ] 。
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
基金项目 :国家自然科学基金项目 (No. 60672154)资助 。 作者简介 :黄 涛 ( 1983 - ) ,男 ,硕士研究生 ,主要从事激光遥 感信息处理方面的研究工作 。 E2mail: tao_online@163. com 收稿日期 : 2010203217;修订日期 : 2010204207
3. Hefei University of Technology, School of Computer & Information, Anhui Province, Hefei 230009, China)
Abstract: Space targets detection and identification is a key technology in space app lications such as space security, attack2warning, debris detection ect. Among various detection tools, laser technology has its special advantages under certain condition. Cempaved w ith the conventional space surveillance network which is composed of radar and op tical telescope, laser system can get mone information about the torget meanwhile boasts mone compact size, higher efficien2 cy. The paper introduces how to use laser to determ ine the orbit of the space target, how to estimate the target′s shape through the return signal, and how to measure the vibration spectrum of the target. A lso introduced is the development and future of the space target detection and identification by laser. Key words: laser detection; space target; identifying; inverse synthetic aperture; Cat′s eye effect; vibration identifica2 tion
第 40卷 第 7期 激 光 与 红 外 2010年 7月 LASER & INFRARED
Vol. 40, No. 7 July, 2010
文章编号 : 100125078 (2010) 0720685205
·综述与评论 ·
(3)
式中 ,λ为激光波长 ;νr 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
λ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目标速度测量精度要 比微波雷达高得多 。例如 , 用 10. 6μm 的 CO2 激光 时 , 1 m / s径向速度运动的目标会产生约 189 kHz的 多普勒频移量 ,而对 35 GHz的微波雷达则只产生约 233 Hz的多普勒频移 。
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
激 光 与 红 外 No. 7 2010 黄 涛等 空间目标识别中的激光探测技术
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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 。
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激 光 与 红 外 第 40卷
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wenku.baidu.com空间目标 的探测效率将大为降低 。若单用雷达探测空间目
1 引 言 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