[发明专利]基于激光反射断层成像技术探测空间碎片质心方法

说明书

本发明提出一种基于激光反射断层成像技术的空间碎片质心探测方法。其技术主要包括探测目标多角度回波信号的采集、原始回波数据的配准、数据盲解卷积、多角度质心距离解算、质心坐标的最大似然估计、目标的轮廓图像重构、质心位置的标定等步骤。该方法将经过垂直照射目标并反射回探测器的回波信号经过滤波和归一化处理后的激光回波脉冲作为基准回波脉冲，对激光反射回波数据进行解卷积处理，得到目标本体反射率投影分布函数，进而计算得到该角度的回波数据算得到的质心到探测系统的距离。本发明提出的探测空间碎片质心方法能够克服空间碎片尺度小、速度快、处于暗处、轨迹复杂等传统光学、微波雷达无法解决的困难，使质心准确确定成为可能。

技术领域

本发明涉及激光反射断层成像(Laser Reflective Tomography，简称LRT)技术领域，尤其是激光反射断层成像中的质心探测方法。

背景技术

随着空间和航天技术的快速发展，弃用航天器、解体碎片、火箭喷射物、抛弃物等碎片式太空垃圾不断累积，在环绕地球轨道对航天器安全飞行和宇航员的人身安全产生了很大威胁。因此对于空间碎片的探测和识别越来越受到各国航天和国防部门的重视。而空间碎片一般具有尺度小、速度快、处于暗处、轨迹复杂等特点，因此其探测也十分困难，主要的探测方式有传统光学、微波雷达等。空间碎片探测按目的划分可分为定轨、成像、识别等，而其中定轨最为重要，因为运行轨迹对预防碰撞具有最直接的参考价值，而质心的确定对于定轨具有重要意义。空间碎片的形状不一、速度较快，脉冲激光雷达的高分辨率使得准确确定其质心的位置成为可能。

空间碎片清理过程中，需要采取清理手段将其推离运行轨道。由于空间碎片一般为小暗目标，动态性强，因而需要高精度、高灵敏度探测手段从远距离实时精确获取碎片的质心位置和轮廓、尺度等关键参数。通常有光学成像和雷达探测手段，本文认为基于窄脉冲激光波形获取与处理的目标质心测量方法将是达到这一目的的更有效途径。其基本原理是星载窄脉冲激光断层成像技术，从多个角度向特定碎片发射光斑全覆盖的激光束，获取其脉冲回波全波形信息。假定探测的是匀质面状碎片，通过分析全波形回波强度与时间的关系，确定面状碎片沿激光束方向的质量分布；再通过对掠飞过程中另外一个方向获取的全波形回波处理，可以获得另一维质量分布数据；进一步，通过对多个角度激光回波波形的图像重建处理，能够获得其高精度断层图像，提取碎片的轮廓、尺度信息；最后通过综合处理来确定碎片质心。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种基于激光反射断层成像确定空间碎片的质心位置的方法。该方法的原理可靠，精度高，且对于空间小暗目标有重要的应用价值。

本发明是通过以下技术方案实现的：

基于激光反射断层成像技术探测空间碎片质心方法，使用脉冲激光照射探测目标，使用非相干探测系统探测回波，将回波数据视为目标本体反射率投影分布函数与发射脉冲波形的卷积结果，解卷积后获得目标本体反射率投影分布函数，通过公式计算质心到探测系统的距离，通过多个角度的观测数据，实现质心的精确标定。

优选地，具体包括以下步骤：

(1)激光器发射脉冲波形为高斯脉冲的激光光束，发射端用信号发生器对激光脉冲进行调制，发射光束经过一个可调节衰减镜后，由分光镜对光束分束，其中一束光被探测器检测并记录脉冲波形，另一束光经扩束镜扩束后指向目标，目标本体完全被激光光斑覆盖；

(2)目标本体受激光光束照射后反射回波，使用非相干探测体制对回波进行探测，接收端用单像素探测器直接探测反射回波，探测器输出信号经一个射频高速电信号放大器后，由示波器显示波形并采集回波数据；

(3)目标本体置于可旋转转台上，转台的转速均匀可控，调整转台的旋转角度，获取不同角度的目标回波数据；

(4)根据目标表面存在的固有特征点运用目特征点跟踪回波配准算法进行配准处理；