CN114397668A - 基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和数据处理单元；发射单元为固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片组成；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机内置的处理软件完成实时数据处理，所述工控机的内置软件包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作。

Description

基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统
技术领域
本发明激光探测技术领域，涉及一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统。
背景技术
随着航天活动的日益频繁，空间碎片与日俱增，对近地空间的航天器构成严重威胁。其中尺寸为1～10cm的厘米级空间碎片，由于数目较多难以主动规避、预警，且尺寸较大被动防护实施困难，已经成为对在轨航天器威胁最大的空间碎片。目前这类碎片的一种有效清理方式是大功率激光清理，其原理是让激光光束作用力作用于碎片质心，高能激光照射在碎片质心上，与其发生冲量耦合，碎片获得一个速度增量，增量满足一定条件时，碎片就会坠入大气层烧毁，实现碎片清理的目的。而采用大功率激光清理厘米级空间碎片，除了对碎片进行定位之外，还需要找到碎片的质心。这是因为冲量耦合作用必须作用在碎片的质心位置，才能使带来的速度增量推动碎片向大气层移动，否则碎片只会在空中翻转，而不会移动。对于厘米级的空间碎片，其质心的探测精度至少要达到亚厘米级甚至毫米级，而空间碎片激光测距忽略了碎片表面形状对激光回波的调制，将其作为点目标处理，即使提高激光测距系统距离分辨率也无法达到对厘米级空间碎片目标亚厘米级的质心探测精度。
目前厘米级空间碎片质心距离测量主要依赖于光学或雷达图像，通过图像解算目标的质心位置，这类方法要求图像中碎片所占像素数不少于4个，通过算法计算，最终可以达到的质心探测精度一般为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.)。对于厘米级空间碎片来说，碎片需要在图像中占据多个像素，成像探测系统远距离探测中单像素分辨率至少要达到亚厘米量级，例如100km距离对应角分辨率要达到0.1μrad，现有的光学和雷达成像手段从机理上难以达到这样的探测精度要求。国防科技大学胡以华团队首次提出将激光反射层析应用于目标质心探测，提出利用多角度回波数据解算质心距离的方法，并以优于5cm的探测精度实现了50m处边长为141×70cm、夹角45°的平面四边形目标的质心定位(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.)。对于近似面状的碎片目标，上述方法可以准确确定质心距离，但是对于形状复杂的碎片目标，由于遮挡效应的影响，某些角度存在不能照射到的阴影区域，仅依靠多角度激光回波数据难以准确解算得到质心距离。
中国专利公开CN110850433A提出了一种“基于激光反射断层成像技术探测空间碎片质心方法”，该专利公开给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流程图，如图1所示。
该方法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。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。
对于近似面状的碎片目标，上述方法可以准确确定质心距离，但是对于形状复杂的碎片目标，由于遮挡效应的影响，某些角度存在不能照射到的阴影区域，仅依靠多角度激光回波数据难以准确解算得到质心距离。遮挡效应示意图如图2所示，激光束照射角度φ存在不能照射到的阴影区域，该角度激光回波数据仅受到黑色标记区域目标表面的调制，缺失了红色标记区域的目标表面信息，该角度回波难以准确解算得到质心距离。因此如何利用多角度激光回波反演得到目标完整、精准的轮廓图像从而准确解算得到质心距离成为待研究的关键点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和工控机；发射单元包括：固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机完成实时数据处理，所述工控机包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作；
所述数据预处理模块，对接收的多角度激光回波数据执行数据预处理；所述空间物体质心距离估计模块估算质心距离；所述目标图像重构模块利用空间碎片的凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；所述图像处理模块对重构图像进行图像处理；所述质心距离解算模块结合理论质心对初始质心距离估计进行校正。
进一步的，所述固体激光器包括多种波长的红外光、可见光固体激光器或光纤激光器。
进一步的，所述固体红外光激光器为被动调Q激光器，中心波长1064nm，重频脉冲宽度93ps。
进一步的，所述激光扩束系统包括两个反射镜、一个分束棱镜、一个3倍扩束镜、一个5-10倍变倍扩束镜和中性渐变衰减片；固体激光器的激光输出依次经过第一反射镜、分束棱镜、第二反射镜、衰减片和一个5-10倍变倍扩束镜，输出探测空间碎片的探测激光，分束棱镜将90％以上激光能量输送给第二反射镜，其余的激光能量经过分束镜输入到3倍扩束镜输入端，该3倍扩束镜输出端注入单模光纤，传输给Pin光探测模块，生成记录参考信号。
进一步的，所述接收单元的接收的反射信号注入多模光纤，由多模光纤将反射信号输入APD光探测模块；生成所述多角度回波数据；
所述APD光探测模块和Pin光探测模块响应时间均为35ps。
进一步的，激光脉冲高速采集器的模拟带宽为4.25GHz，采样率50GSPS。
本发明还提出一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法，使用所述的系统，所述方法包括如下步骤：
步骤1，工控机接收数据采集单元采集的多角度激光回波数据后，对所述数据进行数据预处理，计算得到该数据的峰值点距离变化规律和转动周期；
步骤2，工控机将多个周期回波数据进行整合排列，将相邻周期采集到的回波数据依次补全到所述相邻周期采集到的回波数据的间隙，补全后得到转动一周内采样间隔小于原始数据的回波波形数据序列；
步骤3，取峰值点距离的平均值作为质心距离的初始估计，然后利用空间碎片的凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；
步骤4，对重构图像进行图像处理，解算得到质心位置，并结合理论质心对初始质心距离估计进行校正；
步骤5，校正质心距离后，再次利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像；
步骤6，判断解算得到的质心确定结果与理论质心的距离是否小于一个像素对应的校正误差；如果否，返回执行步骤4；如果是则结束计算。
进一步的，步骤1还包括：使用差分过滤方式滤除异常值，设置阈值为0.015m和-0.015m。
进一步的，步骤4包括：使用重滤波反投影图像进行阈值分割处理后得到阈值分割图像，用方形标记图像的灰度重心作为质心确定结果，并用圆形标记图像的中心作为理论质心。
采用本发明的基于激光反射层析的厘米级空间碎片质心距离估计方法和系统，构建的系统能够满足1km探测距离的质心探测需求，所得实验结果表明，该方法的原理可靠，针对厘米级空间碎片目标的质心探测精度能够达到亚厘米级甚至毫米级，且在稀疏角度采样的环境下，也可以实现超过2cm探测精度的质心距离解算，是实现厘米级空间碎片质心距离高精度测量的有效手段。
附图说明
图1为现有技术中激光反射断层成像探测空间碎片质心方法流程图；
图2为现有技术中遮挡效应示意图；
图3是本发明的基于激光反射层析的厘米级空间碎片质心距离估计方法所使用的探测系统原理图
图4是本发明提出的基于激光反射层析的厘米级空间碎片质心距离估计方法流程图；
图5是典型空间碎片模型结构示意图；
图6是多角度激光回波和峰值点距离确定转动周期；
图7是补全后的多角度激光回波和目标重构图像；
图8是目标滤波反投影重构图像阈值分割图像；
图9是目标质心距离第一次校正后的滤波反投影重构图像；
图10是目标质心距离第一次校正后的目标滤波反投影重构图像阈值分割图像。
具体实施方式
利用激光方式清除低轨大量的厘米级空间碎片已经成为国际上的研究热点，而质心距离的高精度测量是当前实现大功率激光清除亟待解决的难题。本发明提出的激光反射层析是一种新型远距离、高分辨率的成像方法，具有成像分辨率与探测距离无关的优势，是实现远距离空间暗目标探测的有效途径。厘米级空间碎片目标质心探测的难点在于作为非合作目标，如果需要考虑其自身形状对回波波形的调制，就需要利用多角度激光回波反演得到目标完整、精准的轮廓图像。结合地基或天基平台测得的空间碎片目标轨道参数和探测器轨道参数建立碎片与探测器的相对运动模型，能够实时校正空间碎片目标与探测器的距离，而空间碎片目标通常伴随着围绕其质心的高速转动。因此校正后的相对运动可以看作是探测器固定，空间碎片目标围绕自身质心作匀速转动，而其作为非合作目标，转动周期是未知的，因此首先需要从足够多的回波波形采样数据中确定其转动周期。本申请提出了一种基于激光反射层析的厘米级空间碎片质心距离估计方法和系统，能够通过提取工控机控制采集到多角度激光回波数据的峰值点距离变化规律得到转动周期；然后将多个周期回波数据整合排列，将相邻周期采集到的回波数据依次补全到该周期采集到的回波数据的间隙，补全后得到转动一周内采样间隔更小的回波波形数据；取峰值点距离的平均值作为质心距离的初始估计，然后利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像；对重构图像进行图像处理，解算得到质心确定结果，并结合理论质心对初始质心距离估计进行校正；利用校正后的质心距离再次对目标图像进行重构，循环此过程直到解算得到的质心确定结果与理论质心的距离小于一个像素对应的最小可校正误差时终止。该方法的原理可靠，实验结果表明，针对厘米级空间碎片目标的质心探测精度能够达到亚厘米级甚至毫米级，且在稀疏角度采样的环境下，也可以实现超过2cm探测精度的质心距离解算，是实现厘米级空间碎片质心距离高精度测量的有效手段。
以下结合附图对本发明的具体实施方式作出详细说明。
本申请所述的质心距离估计方法和系统，其原理图如图3所示，系统包括发射、接收、数据采集和数据处理四个部分。发射部分由1064nm波长、脉冲宽度93ps的被动调Q的激光器、两个反射镜、一个分束棱镜、一个3倍扩束镜和一个5-10倍变倍激光扩束镜组成的扩束系统和一个中性渐变滤波片(衰减片)组成；接收部分采用口径10cm的望远系统接收，后接62.5/125μm的多模光纤输入响应时间为35ps的APD光探测模块；此外还有一个响应时间为35ps的Pin光探测模块在分束棱镜另一侧用于记录参考信号；数据采集部分使用激光脉冲高速采集器，模拟带宽4.25GHz，采样率50GSPS，由工控机控制并完成实时数据处理。
2、结合上述附图，描述总体技术方案的实现过程
基于激光反射层析的厘米级空间碎片质心距离估计方法包括以下六个步骤：
步骤一：工控机控制采集到多角度激光回波数据后先进行数据预处理，分析得到其峰值点距离变化规律和转动周期；
步骤二：将多个周期回波数据整合排列，将相邻周期采集到的回波数据依次补全到该周期采集到的回波数据的间隙，补全后得到转动一周内采样间隔更小的回波波形数据；
步骤三：取峰值点距离的平均值作为质心距离的初始估计，然后利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像；
步骤四：对重构图像进行图像处理，解算得到质心确定结果，并结合理论质心对初始质心距离估计进行校正；
步骤五：校正质心距离后，再次利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像；
步骤六：循环步骤四、步骤五过程直到解算得到的质心确定结果与理论质心的距离小于一个像素对应的最小可校正误差时终止。
实施例1
结合图4描述实施例1技术方案的实现过程。
构建由三个边长为4cm、两两夹角135°的正方形组合而成的近似面状结构作为典型空间碎片目标模型，如图5所示。图示坐标系原点O选取在碎片质心处，探测过程中碎片目标所在XOY平面绕OZ轴转动，规定沿OX轴正向时的激光束照射角度φ为0°。
步骤一：
选取采样间隔7°等间隔采样得到的500组多角度激光回波波形如图6所示，需要指出的是，工控机控制采集开始的触发延时为6.546μs，因此图中原点处对应的探测距离为981.9m，计算距离时需要加上延时对应的距离值。提取各角度回波对应的峰值点距离如图6中折线b所示，可以看到峰值点距离存在很多异常值，这是因为某些角度采集得到的回波信噪比较差，波形湮没在噪声中。利用差分过滤方式将异常值去除，本文设置阈值为0.015m和-0.015m，只有前一个差分值和后一个差分值是一正一负或一负一正的情况才判断为异常值并删除，其余正常的峰值点距离利用插值方式获得的折线图如图4中折线a所示。折线上相邻极值点对应的角度分别为721°和1078°，与多角度激光回波共同确定转动周期，确定的周期共包含357°，与转动一圈360°大致相同。
步骤二：
确定空间碎片转动周期后，可以确定一个周期内采集到的回波数目，例如图6所示的一个周期包含51组回波数据，将相邻周期采集到的回波数据依次补全到该周期采集到的回波数据的间隙，补全后得到转动一周内采样间隔更小的回波波形数据，如图7所示。
图7所示是补全后等效为采样间隔1°对应的全角度激光回波，提取各角度回波对应的峰值点距离如图7中折线b所示，利用差分法去除异常值后插值得到的折线如图7中折线a所示。可以看到，折线明显存在两个突变值，这是由于近似面状的碎片目标在一侧观测为凸面而另一侧观测为凹面，由凹面到凸面或凸面到凹面转动时，回波波形对应的峰值点距离会发生突变，图7所示91°到270°对应的回波数据是凹面，271°到450°对应的回波数据是凸面。
步骤三：
由于碎片目标与探测器的相对运动被认为是围绕其自身质心的转动，因此重构过程中碎片目标的旋转中心用质心代替，而质心距离的初始估计为折线a对应峰值点距离的平均值。分别对凹面和凸面对应的回波数据进行反投影重构，所得目标重构图像如图7中(a)和(b)所示。比较目标重构图像不难看出，凸面对应的回波数据获得的重构图像轮廓更清晰，这是由于凹面受遮挡效应影响明显强于凸面，因此后续对质心距离的校正采用凸面对应的回波数据获得的目标重构图像处理完成。
步骤四：
对重滤波反投影图像进行阈值分割处理，采用迭代阈值法。先求出图像的最大灰度值Tmax和最小灰度值Tmin，然后取其平均
Figure BDA0003468871740000101
作为初始阈值，根据该阈值将图像分割后，计算小于等于T0的平均值T1,和大于T0的平均值T2以两类平均灰度值的平均
Figure BDA0003468871740000102
作为新的阈值，重复该流程直到两者的平均灰度值不再发生变化，此时两者的平均灰度值取平均即为最佳阈值T。根据公式
Figure BDA0003468871740000103
得到如图8所示的阈值分割图像，其中IR(i,j)为滤波反投影图像(i,j)处的灰度值。用方形标记图像的灰度重心作为质心确定结果，并用圆形标记图像的中心作为理论质心。根据公式
Figure BDA0003468871740000104
利用灰度重心法求得阈值分割图像的质心坐标与理论质心之间的距离为1.29cm，其中N为图像尺寸。需要指出的是，最终计算质心距离时需要加上工控机控制的触发延时对应的探测距离981.9m，利用该误差对质心距离进行校正。
步骤五：
利用该误差对质心距离进行校正，再次利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像，如图9所示。
步骤六：
循环步骤四、步骤五过程直到解算得到的质心确定结果与理论质心的距离小于一个像素对应的时终止。对图9所示滤波反投影重构图像进行阈值分割处理，得到如图10所示的阈值分割图像，用方形标记图像的灰度重心作为质心确定结果，并用圆形标记图像的中心作为理论质心。
可以看到此时质心确定结果与理论质心十分接近，图像轮廓更接近真实的碎片目标轮廓。解算得到的质心确定结果与理论质心的距离为0.14cm，小于一个像素对应的0.3cm最小可校正误差。此时校正后的质心距离与实际值的误差仅为0.34cm，达到了毫米级质心探测精度的要求。
最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，其特征在于，该系统包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和工控机；发射单元包括：固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机完成实时数据处理，所述工控机包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作；
所述数据预处理模块，对接收的多角度激光回波数据执行数据预处理；所述空间物体质心距离估计模块估算质心距离；所述目标图像重构模块利用空间碎片的凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；所述图像处理模块对重构图像进行图像处理；所述质心距离解算模块结合理论质心对初始质心距离估计进行校正。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固体激光器包括多种波长的红外光、可见光固体激光器或光纤激光器。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述固体红外光激光器为被动调Q激光器，中心波长1064nm，重频脉冲宽度93ps。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光扩束系统包括两个反射镜、一个分束棱镜、一个3倍扩束镜、一个5-10倍变倍扩束镜和中性渐变衰减片；固体激光器的激光输出依次经过第一反射镜、分束棱镜、第二反射镜、衰减片和一个5-10倍变倍扩束镜，输出探测空间碎片的探测激光，分束棱镜将90％以上激光能量输送给第二反射镜，其余的激光能量经过分束镜输入到3倍扩束镜输入端，该3倍扩束镜输出端注入单模光纤，传输给Pin光探测模块，生成记录参考信号。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述接收单元的接收的反射信号注入多模光纤，由多模光纤将反射信号输入APD光探测模块；生成所述多角度回波数据；
所述APD光探测模块和Pin光探测模块响应时间均为35ps。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，激光脉冲高速采集器的模拟带宽为4.25GHz，采样率50GSPS。
7.一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法，使用如权利要求1-6中任一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，工控机接收数据采集单元采集的多角度激光回波数据后，对所述数据进行数据预处理，计算得到该数据的峰值点距离变化规律和转动周期；
步骤2，工控机将多个周期回波数据进行整合排列，将相邻周期采集到的回波数据依次补全到所述相邻周期采集到的回波数据的间隙，补全后得到转动一周内采样间隔小于原始数据的回波波形数据序列；
步骤3，取峰值点距离的平均值作为质心距离的初始估计，然后利用空间碎片的凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；
步骤4，对重构图像进行图像处理，解算得到质心位置，并结合理论质心对初始质心距离估计进行校正；
步骤5，校正质心距离后，再次利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像；
步骤6，判断解算得到的质心确定结果与理论质心的距离是否小于一个像素对应的校正误差；如果否，返回执行步骤4；如果是则结束计算。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：使用差分过滤方式滤除异常值，设置阈值为0.015m和-0.015m。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤4包括：使用重滤波反投影图像进行阈值分割处理后得到阈值分割图像，用方形标记图像的灰度重心作为质心确定结果，并用圆形标记图像的中心作为理论质心。
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