全向多功能复合探测系统信息处理技术

发布时间：2017-10-23 20:10

  本文关键词：全向多功能复合探测系统信息处理技术

  更多相关文章： 空间碎片 星敏测量 小口径大视场 畸变校正 目标识别

【摘要】：天基目标探测是空间态势感知的研究方向,对空间碎片的观测成为各国研究的热点。随着微小卫星技术的迅猛发展,相对单颗大卫星而言,利用微小星群进行目标探测具有冗余性强、信息获取量大、灵活机动等优点。适用于微小探测平台的小口径大视场的光学相机可同时为目标探测和星敏姿态测量提供图像信息。使用多个光学相机可组成全向探测系统,该系统可将目标探测和星敏姿态测量功能复合复用,具有观测时间长、功能多样等特点。针对全向多功能复合探测系统信息处理的需求,本文的主要研究内容如下:1.对系统信号源的辐射特性进行了分析,确立了可见光波段作为系统的探测波段。依据空间碎片在探测系统入瞳处的等效星等以及星敏测量所需的恒星数目等因素确定了探测系统星等探测灵敏度的要求。分析了影响目标探测的相关因素,表明系统在理论上的可行性。2.论述了全向多功能复合探测系统的系统组成和功能特点,探索了单个观测平台多个光学相机的信息处理流程和基于多个观测平台进行协同工作的特点。根据任务需求,给出了光学相机的设计方案,包括电子学电路的设计以及图像传感器驱动的设计。依据CMOS传感器的特点,计算了3等星目标成像时的信噪比,并分析了该信噪比时目标检测概率和虚警率的关系。针对系统小口径大视场的特点,计算了空间碎片方位角测量的精度以及星敏姿态测量的精度,分析了影响测量精度的因素。依据目标成像特点,分析了探测系统的动态响应能力。3.深入研究了信息处理技术对整个系统功能的作用。相关信息处理技术包括:图像的滤波处理、目标质心定位、广角镜头的畸变校正、目标识别算法、目标跟踪算法。畸变校正算法是提高系统测量精度的重要处理技术。针对广角镜头畸变严重、参数拟合性差的特点,提出了一种基于标定点的误差近似校正算法。实验结果证明了该算法大幅提升了广角镜头对目标的测量精度。针对空间碎片和恒星背景难以区分的现象,复合星敏测量功能,提出了一种基于姿态矩阵的目标识别算法,将复杂的轨迹鉴别转化成了简单的阈值判定,实验仿真结果验证了该算法对目标识别的有效性。本课题的研究实现了天基探测时信息的复合复用,为新型的目标探测系统提供了相应的信息处理方法。
【关键词】：空间碎片 星敏测量 小口径大视场 畸变校正 目标识别
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 1 引言11-21
• 1.1 课题背景11-13
• 1.2 天基光电探测技术13-16
• 1.2.1 空间目标监视系统工作流程13-14
• 1.2.2 空间目标监视系统信息处理流程14-15
• 1.2.3 空间目标探测与星敏感器的关系15-16
• 1.3 国内外发展状况16-19
• 1.3.1 天基空间目标监视系统研究发展状况16-18
• 1.3.2 空间目标监视和星敏感器的集成18-19
• 1.4 课题的主要研究内容19-21
• 2 全向多功能复合探测系统的信号源分析21-39
• 2.1 目标信号特性分析21-27
• 2.1.1 参考坐标系21-24
• 2.1.2 空间碎片辐射特性分析24-26
• 2.1.3 恒星辐射特性分析26-27
• 2.2 探测视场与星等探测灵敏度27-33
• 2.2.1 目标等效星等28-33
• 2.2.2 探测视场与恒星数目33
• 2.3 空间碎片的可见性分析33-38
• 2.3.1 影响目标可见性的因素34-35
• 2.3.2 目标可见性分析流程35-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 全向多功能复合探测系统技术方案及能力分析39-69
• 3.1 全向多功能复合探测系统的组成和功能特点39-45
• 3.1.1 探测系统和测量系统39-40
• 3.1.2 系统工作流程和特点40-43
• 3.1.3 系统的复合特点43-45
• 3.2 光学相机的设计45-54
• 3.2.1 传感器的选型46-47
• 3.2.2 光学镜头的设计47-48
• 3.2.3 相机硬件电路实现48-49
• 3.2.4 传感器的驱动时序49-54
• 3.3 目标成像信噪比和检测概率54-61
• 3.3.1 目标成像信噪比55-57
• 3.3.2 信噪比和目标检测概率57-61
• 3.4 系统测量精度分析61-64
• 3.4.1 空间碎片测量精度61
• 3.4.2 星敏感器姿态测量精度61-64
• 3.5 系统的动态响应能力64-68
• 3.5.1 系统更新速率64-65
• 3.5.2 目标运动的影响65-66
• 3.5.3 动态响应能力66-68
• 3.6 本章小结68-69
• 4 全向多功能复合探测系统关键技术研究69-98
• 4.1 信息处理对提高探测能力的作用69-74
• 4.1.1 椒盐噪声处理技术69-73
• 4.1.2 高斯噪声处理技术73-74
• 4.2 质心定位算法74-75
• 4.3 广角镜头畸变校正算法75-83
• 4.3.1 广角相机成像模型和图像畸变75-78
• 4.3.2 畸变校正方法78-83
• 4.4 星敏测量相关算法83-86
• 4.4.1 星图识别算法83-84
• 4.4.2 星敏姿态解算算法84-86
• 4.5 目标探测识别算法86-91
• 4.5.1 疑似目标种类86-87
• 4.5.2 疑似目标运动特性分析87-88
• 4.5.3 基于姿态矩阵的目标判定算法88-91
• 4.6 目标跟踪算法以及系统工作模式91-95
• 4.6.1 目标跟踪算法91-93
• 4.6.2 系统工作模式93-95
• 4.7 基于星群的目标感知技术95-97
• 4.7.1 星群对目标可见以及星间相互可见性分析95-96
• 4.7.2 星群对目标测距方法96-97
• 4.8 本章小结97-98
• 5 系统相关实验结果与分析98-112
• 5.1 相机探测能力实验结果与分析98-104
• 5.1.1 相机成像实验和噪声分析98-102
• 5.1.2 系统可见星等探测实验102-104
• 5.2 图像畸变校正实验与结果分析104-106
• 5.2.1 畸变校正实验方法104-105
• 5.2.2 畸变校正结果与分析105-106
• 5.3 系统星敏姿态测量实验106-108
• 5.3.1 星敏姿态测量实验方法106-107
• 5.3.2 星敏测量结果与分析107-108
• 5.4 目标探测识别仿真实验与结果分析108-111
• 5.4.1 目标探测识别实验方法108-110
• 5.4.2 目标探测识别实验结果与分析110-111
• 5.5 本章小结111-112
• 6 结论与展望112-114
• 6.1 结论112
• 6.2 展望112-114
• 参考文献114-119
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果119

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