空间碎片探测雷达技术研究

本文阐述了空间碎片探测雷达技术研究现状及其重要性,指出了研制空间碎片雷达系统的技术困难,最后从如何提高观测效率、如何有效探测细小目标、如何对目标分类和精确定轨等技术层面对空间碎片探测雷达技术进行了叙述。     

天基无源方式空间目标定位跟踪算法的实现

针对空间目标定位跟踪会因受到天气、地域和时间等因素的影响而导致跟踪精度下降、滤波不稳定的问题,采用天基无源方式对空间目标进行观测、定位和跟踪;依靠光电传感器的被动测角和针对无线电信号的侦察截获;通过天基观测站获取角度量测信息,建立仅测角无源跟踪状态方程和量测方程,再分别通过EKF、UKF和SCKF三种卡尔曼滤波算法对角度量测信息进行滤波估计从而实现对空间目标的实时跟踪。仿真结果表明,天基无源方式空间目标定位跟踪算法具有精度高、滤波稳定的优点,EKF、UKF、SCKF三种滤波算法均能实现对空间目标的实时跟踪,其中以SCKF效果最佳,验证了天基无源方式空间目标定位跟踪算法的有效可行性,对军事应用具有极大意义。     

空间目标单光子探测建模及实验验证

为了对空间单光子探测系统的科学设计和性能评估提供有效的指导, 我们针对空间目标单光子探测系统进行仿真建模, 分析并推导了激光回波功率和回波光子数公式, 利用所建立的模型对探测系统进行仿真,得到激光回波光子数模型仿真值; 通过具体的地面模拟实验对应用在空间目标探测中的单光子探测器（SPAD）进行定标后,得到定标性能曲线,再通过具体的室内目标探测实验得到激光回波光子数实验值。两者进行对比,结果表明,实验验证所建模型有效且可行。     

InGaAs/InP APD近红外单光子探测技术的研究进展

单光子探测技术能够有效提高系统的精度和探测效率。在空间激光通信系统中,入射光场强度十分微弱,几乎到达光子量级,一般的光电探测器所探测到的信号这时就会被噪声所干扰甚至淹没,而单光子探测技术则用来测量这种极微弱的光信号。基于门控的In Ga As/In P雪崩光电二极管的单光子探测技术有后脉冲概率低、时间抖动小、计数率高等特点。为了抑制门控充放电噪声提取微弱雪崩信号,该文介绍了国内外基于门控探测的In Ga As/In P APD的主要几种方案:放电脉冲探测技术、正弦门控滤波技术和差分平衡探测技术。总结了单光子探测近年来的发展与应用,最后对该技术的前景进行了展望。     

基于单光子激光雷达远距离海上测距的实现

单光子激光雷达具有探测灵敏度高、响应速度快、测量精度高等优势,但在实际工作中易受到背景噪声等问题干扰。针对海面远距离平程目标测量,提出基于高速数字信号全通道实时处理(digital signal process,DSP)研究,通过分析海面上空大气溶胶对激光测量的影响,分析不同的海面能见度对测量系统造成影响的差别,对比相同海域条件下常规测距与单光子测距威力的差别,同时开展适应海面环境的单光子回波通道的数字处理算法研究。在良好天气条件下,对海岸线静止目标53 km大山(发射光学衰减10 dB)探测概率高于95%,对海上38 km运动渔船等小目标进行实时跟踪测量,获得到目标距离信息,且该系统工作稳定可靠。     

基于导航信号的空间目标无源探测系统性能研究

研究了一种基于导航卫星的无源探测系统,系统以现有的美国全球卫星导航系统(GPS卫星)作为辐射源,主要利用天基接收机接收来自空间目标的回波信号和直达波信号,对空间飞行器进行探测和定位,实现早期预警和监视。本文主要分析了基于天基接收系统的空间配置和探测性能,并给出相应的建议。     

机载双频激光雷达样机设计与水陆联测试验

为了识别水下目标和获取水陆一体的三维地形数据,运用机载双频激光探测的原理,建立了水陆联测数学模型,设计了机载双频激光雷达样机,进行了水陆联测试验。运用蓝绿激光扫描技术以实现水下地形的实时测绘,运用红外激光扫描技术以实现陆地目标的快速精细探测,采用机载双频激光雷达技术把蓝绿激光扫描技术与红外激光扫描技术进行结合,先后产生两个激光脉冲回波,结合飞行平台的一维运动,共同构建地表和海底表面的三维坐标点云,获取地表和海底的三维地形,实现水下目标的识别和水陆一体化量测。试验结果显示,每平方米地面点云数量达到12个,水下勘测点云数量达到2~4个,水下测深达到5~7米,既提高了陆地目标的探测精度又实现了水下目标的探测,验证了水陆联测系统的可行性。     

光子计数激光测距技术研究

光子计数激光雷达采用了灵敏度极高的单光子探测器,能够将激光雷达系统的灵敏度提高2—3个数量级,具有极大的发展潜力和技术优势。介绍和分析了光子计数激光测距技术的基本原理和优点。设计了光子计数激光雷达实验系统,采用盖革模式的雪崩二极管(Geiger-mode APD),开展了测距验证实验。实验结果表明,采用光子计数激光测距能够在单光子灵敏度和强噪声背景条件下,获取目标的距离信息,距离测量精度达到6.23 cm。     

改进的低轨凝视传感器覆盖性能网格分析方法

针对天基低轨预警系统主要任务是对导弹目标的中段进行探测和跟踪,研究了低轨凝视型传感器空间覆盖问题。首先根据凝视传感器作用距离和光轴转向建立了不同高度下凝视传感器覆盖模型;然后针对网格分析方法的不足,改进了网格划分规则,推导了在不同纬度下网格划分的经度间隔、纬度间隔、网格划分精度之间的函数关系,基于典型覆盖性能指标提出了空间覆盖分析和计算流程;最后通过仿真得出星座对特定空间的覆盖特性,结果证明了空间覆盖模型和改进的网格点仿真方法的有效性。     

空间目标天基光学跟踪可观测性分析

针对天基光学监视跟踪系统可观测性问题,建立了空间目标天基光学监视跟踪模型,引入跟踪滤波误差下限(CRLB)和系统可观测度定义,并提出了瞬时可观测度概念.结合仿真实验对测量条件、观测几何以及系统配置等影响系统跟踪可观测性的因素进行了分析.仿真结果表明,所提出的可观测分析方法能实现对天基光学定位跟踪系统性能的客观有效评定.     

临近空间低速目标光学探测性指标评价体系

在详细分析基本探测效果评价指标参数、点目标评价参数以及面目标评价参数的基础上,结合临近空间低速目标的光学特性,利用光学谱段分段方法,有效解决了目标背景受白天与黑夜的影响。结合光学探测器的谱段约束条件、位置约束条件、探测能力约束条件和可探测性评估参数,设计提出了临近空间低速目标光学可探测性指标评价体系并给出评价标准与优化方案。通过数值模拟得到单个和多个探测器不同探测效果的等效面,得出当目标位于期望探测效果等效探测曲面内部时,探测效果优于期望,满足探测要求;反之,探测效果劣于期望,不能满足探测要求,可以通过修改探测方案满足探测需求。这一结果证明了临近空间低速目标光学探测性指标评价体系的有效性。     

改进的非线性PCA方法及其在过程监控中的应用

针对化工聚合反应过程的特点,结合小波分解多分辨率特性和独立元分析(ICA)提取个数较少的相互独立信号的优点,改进了基于自相关神经元网络的非线性主元分析(NLPCA)方法。在传统的非线性PCA方法中引入了独立元分析模块,不仅解决了自相关神经元网络中确定各层神经元个数的问题,而且以最少的独立元个数捕捉数据的非线性特征。多尺度监控可以识别各种幅值的故障,提高了监控效果。在此基础上,计算I²、I²_e和SPE统计量用于故障检测。贡献图法用于识别故障变量。在聚酯生产过程上的仿真结果表明,改进后的方法比传统的非线性PCA方法更及时地检测到过程故障,运用贡献图可以有效地实现故障变量分离。     

气溶胶浓度分布平面探测系统的仿真分析

为了实现气溶胶分布的成像探测,根据平面激光诱导荧光技术的基本原理,对气溶胶浓度分布平面探测系统单个像元的探测能力进行了理论分析.以荧光素作为目标粒子,对波长为450 nm的连续激光在探测平面内的分布和衰减变化进行了计算,并根据波长范围为500～600 nm的荧光信号和sCMOS相机单个像元输出信号的信噪比公式,分析了不同系统参数变化对单个像元可探测最低粒子数的影响,以及在探测平面内的分布差异,从而了解不同系统参数对气溶胶平面成像探测准确度的影响规律,为研究气溶胶分布的平面探测提供有效方法和理论参考.     

基于主成分分析法的变风量空调系统传感器故障诊断

在已经建立的建筑空调系统仿真器的基础上,针对变风量（VAV）空调系统的传感器故障,提出一种基于主成分分析（PCA）和法则相结合的传感器故障诊断方法。建立了PCA模型,将由传感器测量值所组成的测量空间分解为主成分和残差两个子空间,进行故障检测后再由基于法则的策略进行故障重构。仿真试验表明,该方法不仅能够准确地检测并隔离传感器故障,而且可以初步地进行故障重构,为进一步研究传感器的故障诊断提供了必要的基础。     

一种激光目标探测系统的模型仿真

为对激光探测系统的科学设计和性能评估提供有效指导,针对一种激光目标探测系统进行仿真建模,分析并建立了激光回波功率和光电转换模型,利用所建立的模型对探测系统进行仿真,经样机试验数据验证所建模型有效可行。通过对特定典型目标的仿真可以推断该激光探测系统能实现对目标的准确识别,并可以通过回波波形的差异区分具有不同外形的目标。     

基于跟踪轨迹的车辆异常行为检测

为提高ITS(Intelligent Traffic System)交通事件管理的智能性, 提出基于跟踪轨迹的车辆异常行为检测,分为目标检测跟踪、轨迹分析处理和车辆行为分析3 个步骤。首先利用三帧差法对目标进行初始定位, 采用基于Kalman 预测器的改进跟踪算法对车辆进行跟踪; 然后提出采用最小二乘法自适应分段直线拟合算法对目标跟踪获得的运动轨迹进行快速拟合; 最后结合运动方向变化率和速度变化率两个参数建立车辆异常行为检测模型。实验结果表明, 在道路监控视频中, 该算法能快速准确检测急刹车、急转弯和急转弯刹车等车辆异常行为。     

飞矛对空间运载火箭残骸的锚固捕获特性研究

随着在轨废弃航天器的不断增多，飞矛捕获成为一种清除大型空间碎片的新式方法。首先通过分析典型废弃航天器的特征属性，选定了运载火箭末子级作为飞矛捕获的在轨演示目标。接着提出了一种一体式多层级倒刺结构的飞矛，通过飞矛撞击末子级靶板的有限元动力学仿真，研究了不同初速下飞矛的锚固效果。最后为模拟空间捕获场景，赋予了捕获目标不同的自旋速度，研究了飞矛对运动末子集靶板的锚固特性。结果表明飞矛的撞击固定末子级靶板的最佳锚固初速为70m/s，并且在此速度下运动状态下的末子级靶板仍可被飞矛锚固捕获。可见飞矛在空间中捕获运载火箭残骸的方案是可行的，并且揭示出飞矛捕获方式对目标运动状态的不敏感性。     

基于激光雷达和摄像头的FSAC赛车锥桶感知算法研究

针对赛场环境下无人驾驶方程式赛车感知系统中锥桶检测准确率较低的问题，提出了一种基于激光雷达和摄像头标定融合的锥桶检测算法。首先，对激光雷达采集的点云进行滤波、地平面滤除、欧式聚类，得到感兴趣区域内锥桶的空间位置信息；其次，通过标定后得到的摄像头的内外参矩阵将锥桶空间位置信息投影到像素平面内，并在HSV颜色空间下对锥桶空间位置周围一定区域内H通道的像素点进行颜色判断，从而获得锥桶的颜色信息；最后，将得到的锥桶颜色信息附加在锥桶的空间位置上以实现信息融合，在校园内模仿赛场环境进行实验验证。结果表明，标定融合算法能够满足赛场上不同项目的比赛要求，避免了使用单一传感器算法时出现对锥桶漏检误检的情况。因此，标定融合算法可实现对锥桶的有效检测，丰富了检测目标的信息，提高了检测锥桶的准确性，为方程式大赛中使用传感器融合进行锥桶检测提供了参考。     

基于时频和形态学滤波的长时间能量积累检测

为了检测强噪声背景下长积累时间、低信噪比、信号波形未知的机动目标，提出了一种时频分析和形态学滤波检测的方法．利用时频分布聚集信号能量在其瞬时频率曲线附近，而散布白噪声能量在整个时频平面上的特点，应用时频分布、阈值处理和数学形态学滤波估计高能量时频支撑区域，并累积这些区域的时频能量以构造检验统计量进行统计判决．该方法不需要先验波形信息，检测积累时间不受处理方法的限制，可在更长观测时间内检测噪声环境中的微弱机动目标．仿真实验表明，在信噪比为-9dB、虚警概率为10^-5时，检测概率可达99％．