[發(fā)明專利]基于激光反射層析的空間小碎片質(zhì)心距離估計方法和系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210037058.8
• 申請日: 2022-01-13
• 公開（公告）號: CN114397668B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡以華;張鑫源;王一程;徐世龍;諶詩洋;韓飛;劉一凡
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: G01S17/08
• 分類號: G01S17/08;G01S17/89;G01S7/48
• 代理公司: 中國和平利用軍工技術(shù)協(xié)會專利中心 11215
• 代理人: 劉光德

本發(fā)明提出了一種基于激光反射層析的空間小碎片質(zhì)心距離探測系統(tǒng)，包括：發(fā)射單元、接收單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元；發(fā)射單元為固體激光器、激光擴束系統(tǒng)和激光衰減片組成；接收單元采用口徑D≥10cm的望遠型光學接收系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集單元使用激光脈沖高速采集器，所采集的空間碎片反射的光信號生成多角度回波數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)輸入到工控機，由工控機內(nèi)置的處理軟件完成實時數(shù)據(jù)處理，所述工控機的內(nèi)置軟件包含：數(shù)據(jù)預處理模塊，空間物體質(zhì)心距離估計模塊、目標圖像重構(gòu)模塊，圖像處理模塊和質(zhì)心距離解算模塊；工控機還包括激光器監(jiān)測控制裝置，用于控制固體激光器的操作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明激光探測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于激光反射層析的空間小碎片質(zhì)心距離估計方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著航天活動的日益頻繁，空間碎片與日俱增，對近地空間的航天器構(gòu)成嚴重威脅。其中尺寸為1～10cm的厘米級空間碎片，由于數(shù)目較多難以主動規(guī)避、預警，且尺寸較大被動防護實施困難，已經(jīng)成為對在軌航天器威脅最大的空間碎片。目前這類碎片的一種有效清理方式是大功率激光清理，其原理是讓激光光束作用力作用于碎片質(zhì)心，高能激光照射在碎片質(zhì)心上，與其發(fā)生沖量耦合，碎片獲得一個速度增量，增量滿足一定條件時，碎片就會墜入大氣層燒毀，實現(xiàn)碎片清理的目的。而采用大功率激光清理厘米級空間碎片，除了對碎片進行定位之外，還需要找到碎片的質(zhì)心。這是因為沖量耦合作用必須作用在碎片的質(zhì)心位置，才能使帶來的速度增量推動碎片向大氣層移動，否則碎片只會在空中翻轉(zhuǎn)，而不會移動。對于厘米級的空間碎片，其質(zhì)心的探測精度至少要達到亞厘米級甚至毫米級，而空間碎片激光測距忽略了碎片表面形狀對激光回波的調(diào)制，將其作為點目標處理，即使提高激光測距系統(tǒng)距離分辨率也無法達到對厘米級空間碎片目標亞厘米級的質(zhì)心探測精度。

目前厘米級空間碎片質(zhì)心距離測量主要依賴于光學或雷達圖像，通過圖像解算目標的質(zhì)心位置，這類方法要求圖像中碎片所占像素數(shù)不少于4個，通過算法計算，最終可以達到的質(zhì)心探測精度一般為0.5像素左右(Xi Jiangbo,Wen Desheng,Ersoy Okan K,YiHongwei,Yao Dalei,Song Zongxi,Xi Shaobo.Space debris detection in opticalimage sequences.[J].Applied optics,2016,55(28):7929-7940.)。對于厘米級空間碎片來說，碎片需要在圖像中占據(jù)多個像素，成像探測系統(tǒng)遠距離探測中單像素分辨率至少要達到亞厘米量級，例如100km距離對應角分辨率要達到0.1μrad，現(xiàn)有的光學和雷達成像手段從機理上難以達到這樣的探測精度要求。國防科技大學胡以華團隊首次提出將激光反射層析應用于目標質(zhì)心探測，提出利用多角度回波數(shù)據(jù)解算質(zhì)心距離的方法，并以優(yōu)于5cm的探測精度實現(xiàn)了50m處邊長為141×70cm、夾角45°的平面四邊形目標的質(zhì)心定位(LinFang,Wang Jin-cheng,Lei Wu-hu,et al.Detection of barycenter of planar targetbased on laser reflective tomography[J].Optics Communications,2017,402:540-544.)。對于近似面狀的碎片目標，上述方法可以準確確定質(zhì)心距離，但是對于形狀復雜的碎片目標，由于遮擋效應的影響，某些角度存在不能照射到的陰影區(qū)域，僅依靠多角度激光回波數(shù)據(jù)難以準確解算得到質(zhì)心距離。

中國專利公開CN110850433A提出了一種“基于激光反射斷層成像技術(shù)探測空間碎片質(zhì)心方法”，該專利公開給出一種基于激光反射斷層成像技術(shù)的空間碎片質(zhì)心探測方法流程圖，如圖1所示。

該方法主要包括探測目標多角度回波信號的采集、原始回波數(shù)據(jù)的配準、數(shù)據(jù)盲解卷積、多角度質(zhì)心距離解算、質(zhì)心坐標的最大似然估計、目標的輪廓圖像重構(gòu)、質(zhì)心位置的標定等步驟。將經(jīng)過垂直照射目標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回波脈沖，對激光反射回波數(shù)據(jù)進行解卷積處理，得到目標本體反射率投影分布函數(shù)，進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。