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《北京理工大学》 2010年
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空间近距离非合作目标光学主被动复合探测技术研究

赵彬  
【摘要】: 近年来,随着航天技术的迅猛发展,天基观测系统因不受大气影响、观测时间选择相对地基设备灵活、对中小尺度目标能近距离观测等优点,而日益受到各国的重视。 单纯的被动探测技术仅能观测目标方位和亮度信息,对目标距离和速度信息尚不能准确测量,因而不能完全满足天基系统对近距离运动空间目标观测的需求。 本文以空间系统近程预警与防御研究为背景,提出一种低照度可见光成像技术与固体相干激光雷达技术结合的主被动复合探测方法,用于空间近距离非合作目标的探测、定位与自动识别,为未来发展星载在轨探测空间近程运动目标及预警技术进行前期探索性研究。 本文首先对近地空间光环境进行调研分析,筛选出对近地空间目标照明有重要作用的可见光源,分析出近地空间环境可见光照度的取值范围在1179W/m2~0.0011W/m2。选取了组成常见空间目标的四种基本面型:平面、柱面、球面、锥面,推导了它们在一定距离上的光照度与光源方位角、探测器方位角及三者所成相位角的普遍关系式。然后,对所得关系式进行了仿真分析,得到了平面最亮、柱面球面次之,锥面最暗的结论。在暗室中搭建观测模拟实验平台,进行了低照度环境下静态目标观测模拟实验和动态目标观测模拟实验,实验数据证明了光照度模型仿真分析结果的正确性和运用微光成像器件对运动目标进行跟踪观测的可行性。 然后,在研究空间光环境和目标光照度的基础上,对空间目标主被动复合探测技术的任务需求进行了分析,给出主被动复合探测系统应获得的目标信息。结合探测系统和空间目标运行特点,提出了一种简单可行的空间目标的天基单站定轨方法。随后,对整个系统作模块划分,拟定各系统模块的基本结构、工作方式和工作流程。 根据目标成像探测需求,确立成像系统采用凝视成像工作方式。分析成像器件CCD、ICCD、EBCCD、EMCCD各自的优缺点,结合器件本身的工作原理,推导了四种器件的成像信噪比。以成像信噪比作为器件对空间低照度目标观测性能的主要评价指标,对四种器件进行优选,确定EMCCD为成像器件。在以e2v公司的CCD97BI为EMCCD实例的基础上,设计扫描和凝视成像子系统的离轴TMA光学系统,并给出了光学系统结构参数。根据观测需求详细设计了成像系统整合方式和工作姿态,及对目标进行搜索、观测的方法。 根据目标远距离测距测速需求,确立激光雷达采用相干脉冲探测双稳工作方式。激光系统采用LD泵浦全固态锁模调Q的Nd:YAG激光器为种子源,后接掺镱双包层光纤放大器进行功率放大。激光发射系统设计以光学相控阵为基础,通过多块阵面拼接实现大发射阵面,减小发射光主瓣宽度,提高指向精度。针对透射和反射两种类型的光学相控阵,以相位闪耀光栅为基本模型,分析它们的扫描衍射效率和扫描角精度,以及激光波长偏差对扫描角精度的影响。利用离轴TMA无色差的特点,将回波接收系统设计为与凝视成像系统共孔径的结构。 根据系统自动目标识别需求,采用图像融合方法进行目标分类决策。分析空间目标主被动成像及噪声产生的机理,建立相应的数学模型,生成仿真的目标亮度像、激光回波强度像及距离像。研究分析三类图像的预处理方法,使目标图像或其特征分布得到增强。提出梯度维数量化的方法来表征目标表面起伏,对目标距离像进行起伏特征量化描述,突出距离像的距离信息本质。提取目标图像矩阵的奇异值向量作为目标特征,运用多传感器的灰度关联分析方法对主被动复合探测图像作决策级融合。对这一方法进行仿真实验,大部分情况下均得到了接近1的识别概率,说明了该方法对近距离空间目标自动识别的有效性。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TP391.41

【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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6 邓佳梁;基于FPGA的面阵CCD成像系统设计[D];华中科技大学;2013年
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