空间目标识别中的激光探测技术

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1、1绪论空间口标主要指各种卫星、空间碎片、空间站、航天飞机，屮远程弹道导弹，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耍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口标特性；对口标特性数据进行归类和分发。空间口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耍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门标进行探测和跟踪。这种探测方式虽然能够有效地对空间H标实现探测和监视，但是

2、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耍不足表现在雷达与光学系统必须紧密配合，否则对空间门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英形态特征；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门标。该方法不仅可以提高被观察目标

3、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。但该方法仍然冇许多缺陷，主耍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门标的大致距离信息，但距离分辨率低，且对于未知距离的门标需要通过多个距离选通门限方能探测到。冇别丁•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，由接收系统接收口标反射的回波，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，不像现冇的观测需耍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

4、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，为冇效的图像识别目标捉供依据。2激光探测空间目标识别技术2.1运行轨道确定2.1.1位置确定对丁空间目标，如果知道其相对丁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冋经过的飞行时间便可以计算出探测器到廿标的直线距离L：2(2.1)式中，c为光速；t为激光脉冲飞行时间。出于光速在大气层内的速度与真空中冇一定差别，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：AL=—(

5、测距精度取决光束飞行吋间t的测量精度$t与光速在大气层内外的速度差$c。此外，由于冋波上升前沿变化、阈值电平漂移、时钟频率不稳定、放人器及探测器噪声引起的吋间测量误差等，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廿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门标进行连续测距，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。通过探测激光冋波经FI标调

6、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口标的径向速度。激光束作用于目标产生的多普勒频移量fd为：2vf.=—(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目标速度测量精度要比微波雷达高得多。例如，用10・6Lm的CO2激光时，lm/s径向速度运动的目标会产生约189kHz的多普勒频移量，而对35GHz的微波雷达则只产生约233Hz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

7、，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，其在冋波的波形上表现为脉冲波形的展宽，对于休积特别巨大的空间目标，如空间站、大型