基于天基系统的红外弱小目标检测技术研究

发布时间：2020-03-19 20:25

【摘要】：第二次世界大战之后,弹道导弹技术取得了飞速发展,甚至出现了反卫星导弹技术,其典型代表是外大气层杀伤拦截器(EKV)。随着反卫星导弹技术的迅速发展,各个军事强国开始建立弹道导弹防御系统,因此天基红外目标探测系统应运而生,相比于雷达探测系统,红外探测系统的被动探测能力及抗干扰能力在天基平台上具有无可替代的优势。由于天基红外系统的低轨卫星会受到EKV的攻击,因而导弹攻防战中卫星对EKV等攻击武器的探测与跟踪具有非常重要的意义。本文基于“远距离高速红外目标搜索系统”项目,研究了星空背景红外弱小目标检测方法。为了实现对EKV的高性能探测,本文首先研究了EKV的红外辐射特性,并通过求解其热平衡方程,获取EKV的温度特性;其次,通过深入分析EKV的运动特性,从而建立EKV运动模型并对其进行了仿真。考虑到获取真实星空背景图像的难度较大,本文研究了星空背景红外图像的特点及影响因素,主要分析了深空背景的环境特性和噪声特性及其对图像影响,能够通过成像系统成像的物体红外辐射特性及其对图像的影响。分析了星表中的恒星数据信息,并通过计算得到红外成像系统能探测到的最小恒星辐出度及恒星点数;最后,建立了卫星及空间碎片等干扰的运动模型,利用高斯噪声来模拟各种噪声,在此基础上编写了一套用于仿真天基平台运动及成像的软件,通过设置卫星及空间碎片的初始位置,生成星空背景下红外弱小目标图像。星空背景红外弱小目标检测算法对于天基系统的目标检测具有非常重要的作用,算法的性能直接决定了系统的探测性能。本文在分析单帧图像弱小目标检测算法与序列图像弱小目标检测算法的优缺点的基础上,设计了单帧图像与多帧图像结合的星空背景红外弱小目标检测算法,包括背景抑制、阈值分割、候选目标标记、特征点提取、星图匹配、星点去除及目标确认。本文利用区域均值背景抑制算法进行背景抑制,采用均值方差全局阈值算法进行阈值分割处理,采用加权质心法进行标记,利用三角形算法进行多星点匹配及星点去除处理。仿真结果表明上述算法可以很好地去除恒星点,检测出弱小目标。本文在基于FPGA+DSP架构的硬件平台上对星空背景红外弱小目标检测算法进行了实现,FPGA型号选用XC5VLX330T,DSP选用TMS320C6678多核板卡。硬件系统的测试结果表明,本文研究的星空背景弱小目标检测算法能够在硬件系统上进行实现,并且在满足实时性的前提下,可以获得较高的探测性能。
【图文】：

天基,低轨卫星

图1.1 SBIRS 系统天基部分结构图SBIRS 包括天基部分及地基部分：天基部分[26,27,28]包括高轨卫星与低轨卫星，高轨卫星包括静止轨道卫星和大椭圆轨道卫星[29]，其作用是探测处于助推段的导而为低轨卫星提供早期的预警信息；低轨卫星用来跟踪导弹并对其进行拦截[30]部分主要通过雷达等地面装置设备与天基卫星进行通讯，实现对来袭导弹进行预跟踪的功能。由于红外探测系统的造价较高，SBIRS 系统中的静止轨道卫星利SP 系统中的卫星[31]，后续又发射了新的卫星与其进行组网。现如今，美国天基卫星概况如表 1.1 所示。通过高轨卫星与低轨卫星的相互协作，SBIRS 系统可达断是否为需要拦截的目标，目标弹头的种类，目标是否被摧毁等功能。首先通过卫星探测来袭导弹发射的情况，之后将信息传输给低轨卫星，通过多颗低轨卫星多视角探测与其之间的通信，跟踪来袭导弹，再将信息返回给高轨卫星进行定将数据传输给拦截系统，进行打击摧毁。

结构图,结构图,变轨

为反卫星导弹的一种，是通过直接碰撞进行杀伤的拦截器，对天基很大的威胁。EKV 结构如图 2.1 所示，它的重量只有几十公斤，整cm，长度约为 150cm，主要包括高度控制系统、变轨推进器、姿态、复合连接结构、导引头及传感器保护装置。高度控制系统可以得置等信息，通过地面装置探测 EKV 与目标之间的相对位置信息，行攻击；变轨推进器用于小范围调节 EKV 的轨道高度及方向，当 E标时，通过导引头判断自身与目标的距离，通过变轨推进器进行变器用来调节 EKV 的弹头指向，可以根据目标的运动情况，小幅度和俯仰角，，以达到准确攻击目标的目的；冷却系统是为了控制 EK，对电信号处理模块进行降温，减小电信号处理模块产生的噪声等攻击目标，工作波段有可见光、中红外和远红外波段，在探测过程要探测波段，可见光波段用于辅助探测，导引头内部有处理系统，的位置及目标的相对位置，并将相对位置信息提供给变轨控制器和改变轨道及方位进行准确攻击；传感器保护装置用于保护探测器不保证探测器正常工作。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TJ86;TP391.41;TN219

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