[發(fā)明專利]基于激光反射斷層成像技術(shù)探測空間碎片質(zhì)心方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810851706.7
• 申請日: 2018-07-25
• 公開（公告）號: CN110850433A
• 公開（公告）日: 2020-02-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡以華;趙楠翔;楊彪;林放;石亮;徐世龍;王金誠;王勇;楊星
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學(xué)
• 主分類號: G01S17/89
• 分類號: G01S17/89
• 代理公司: 合肥天明專利事務(wù)所(普通合伙) 34115
• 代理人: 趙瑜;金凱

本發(fā)明提出一種基于激光反射斷層成像技術(shù)的空間碎片質(zhì)心探測方法。其技術(shù)主要包括探測目標(biāo)多角度回波信號的采集、原始回波數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)、數(shù)據(jù)盲解卷積、多角度質(zhì)心距離解算、質(zhì)心坐標(biāo)的最大似然估計、目標(biāo)的輪廓圖像重構(gòu)、質(zhì)心位置的標(biāo)定等步驟。該方法將經(jīng)過垂直照射目標(biāo)并反射回探測器的回波信號經(jīng)過濾波和歸一化處理后的激光回波脈沖作為基準(zhǔn)回波脈沖，對激光反射回波數(shù)據(jù)進(jìn)行解卷積處理，得到目標(biāo)本體反射率投影分布函數(shù)，進(jìn)而計算得到該角度的回波數(shù)據(jù)算得到的質(zhì)心到探測系統(tǒng)的距離。本發(fā)明提出的探測空間碎片質(zhì)心方法能夠克服空間碎片尺度小、速度快、處于暗處、軌跡復(fù)雜等傳統(tǒng)光學(xué)、微波雷達(dá)無法解決的困難，使質(zhì)心準(zhǔn)確確定成為可能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光反射斷層成像(Laser Reflective Tomography，簡稱LRT)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是激光反射斷層成像中的質(zhì)心探測方法。

背景技術(shù)

隨著空間和航天技術(shù)的快速發(fā)展，棄用航天器、解體碎片、火箭噴射物、拋棄物等碎片式太空垃圾不斷累積，在環(huán)繞地球軌道對航天器安全飛行和宇航員的人身安全產(chǎn)生了很大威脅。因此對于空間碎片的探測和識別越來越受到各國航天和國防部門的重視。而空間碎片一般具有尺度小、速度快、處于暗處、軌跡復(fù)雜等特點，因此其探測也十分困難，主要的探測方式有傳統(tǒng)光學(xué)、微波雷達(dá)等。空間碎片探測按目的劃分可分為定軌、成像、識別等，而其中定軌最為重要，因為運行軌跡對預(yù)防碰撞具有最直接的參考價值，而質(zhì)心的確定對于定軌具有重要意義。空間碎片的形狀不一、速度較快，脈沖激光雷達(dá)的高分辨率使得準(zhǔn)確確定其質(zhì)心的位置成為可能。

空間碎片清理過程中，需要采取清理手段將其推離運行軌道。由于空間碎片一般為小暗目標(biāo)，動態(tài)性強(qiáng)，因而需要高精度、高靈敏度探測手段從遠(yuǎn)距離實時精確獲取碎片的質(zhì)心位置和輪廓、尺度等關(guān)鍵參數(shù)。通常有光學(xué)成像和雷達(dá)探測手段，本文認(rèn)為基于窄脈沖激光波形獲取與處理的目標(biāo)質(zhì)心測量方法將是達(dá)到這一目的的更有效途徑。其基本原理是星載窄脈沖激光斷層成像技術(shù)，從多個角度向特定碎片發(fā)射光斑全覆蓋的激光束，獲取其脈沖回波全波形信息。假定探測的是勻質(zhì)面狀碎片，通過分析全波形回波強(qiáng)度與時間的關(guān)系，確定面狀碎片沿激光束方向的質(zhì)量分布；再通過對掠飛過程中另外一個方向獲取的全波形回波處理，可以獲得另一維質(zhì)量分布數(shù)據(jù)；進(jìn)一步，通過對多個角度激光回波波形的圖像重建處理，能夠獲得其高精度斷層圖像，提取碎片的輪廓、尺度信息；最后通過綜合處理來確定碎片質(zhì)心。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的首要目的在于提供一種基于激光反射斷層成像確定空間碎片的質(zhì)心位置的方法。該方法的原理可靠，精度高，且對于空間小暗目標(biāo)有重要的應(yīng)用價值。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

基于激光反射斷層成像技術(shù)探測空間碎片質(zhì)心方法，使用脈沖激光照射探測目標(biāo)，使用非相干探測系統(tǒng)探測回波，將回波數(shù)據(jù)視為目標(biāo)本體反射率投影分布函數(shù)與發(fā)射脈沖波形的卷積結(jié)果，解卷積后獲得目標(biāo)本體反射率投影分布函數(shù)，通過公式計算質(zhì)心到探測系統(tǒng)的距離，通過多個角度的觀測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)質(zhì)心的精確標(biāo)定。

優(yōu)選地，具體包括以下步驟：

(1)激光器發(fā)射脈沖波形為高斯脈沖的激光光束，發(fā)射端用信號發(fā)生器對激光脈沖進(jìn)行調(diào)制，發(fā)射光束經(jīng)過一個可調(diào)節(jié)衰減鏡后，由分光鏡對光束分束，其中一束光被探測器檢測并記錄脈沖波形，另一束光經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后指向目標(biāo)，目標(biāo)本體完全被激光光斑覆蓋；

(2)目標(biāo)本體受激光光束照射后反射回波，使用非相干探測體制對回波進(jìn)行探測，接收端用單像素探測器直接探測反射回波，探測器輸出信號經(jīng)一個射頻高速電信號放大器后，由示波器顯示波形并采集回波數(shù)據(jù)；

(3)目標(biāo)本體置于可旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺上，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)速均勻可控，調(diào)整轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度，獲取不同角度的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)；

(4)根據(jù)目標(biāo)表面存在的固有特征點運用目特征點跟蹤回波配準(zhǔn)算法進(jìn)行配準(zhǔn)處理；