1绪论
空间目标主要指各种卫星、空间碎片、空间站、航天飞机, 中远程弹道导弹, 以及进入地球外层空间的各种宇宙飞行物, 如彗星和小行星。空间目标探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪, 确定可能对航天系统构成威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性; 对目标特性数据进行归类和分发。空间目标探测不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力, 还可以预测空间物体的轨道, 对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击告警等, 具有重要的军事价值。
当前的空间目标探测的主要手段是以各种超远程雷达和大口径光学望远镜组成的空间的监视网对空间目标进行探测和跟踪。这种探测方式虽然能够有效地对空间目标实现探测和监视, 但是对空间目标缺乏有效的识别手段, 而且整套系统庞大复杂, 运行成本昂贵。目前的空间监视系统的主要不足表现
在雷达与光学系统必须紧密配合, 否则对空间目标的探测效率将大为降低。若单用雷达探测空间目标, 由于雷达的波束较宽, 分辨率较低, 难以获得空间目标的准确方位以及其形态特征; 单用光学望远镜探测空间目标, 无法获取空间目标的距离、速度信息, 而且对于被动光学观察, 受空间照明环境影响较大。
目前, 在被动光学探测的基础上发展了主动激光照射成像的探测技术。该技术的基本原理是利用激光器照射空间目标, 将目标的全部或关键特征部位照亮, 使其满足接收系统探测要求, 再利用传统被动成像光学系统探测目标。该方法不仅可以提高被观察目标的亮度, 还可以在零照度条件下, 随时在所关心的天区内进行空间目标探测。但该方法仍然有许多缺陷, 主要体现在该方法无法获得目标的距离及速度信息, 虽然通过距离选通可以获得目标的大致距离信息, 但距离分辨率低, 且对于未知距离的目标需要通过多个距离选通门限方能探测到。
有别于上述主动激光照射成像的探测, 激光探测是指向目标发射连续或脉冲的激光波束, 由接收系统接收目标反射的回波, 通过对回波所携带信息的分析, 提取感兴趣的目标特征。相比传统探测方式, 激光探测有许多突出的优点。首先, 激光探测可以独自完成对空间目标的定位及特征识别, 不像现有的观测需要一个庞大复杂的系统支撑, 简化了操作流程, 降低了使用费用; 其次, 由于激光探测特有的性质, 其测量精度较传统测量要高许多, 此外, 通过对激光探测信号的进一步分析, 可以得到更丰富的目标特征, 为有效的图像识别目标提供依据。
2 激光探测空间目标识别技术
2. 1 运行轨道确定
2. 1. 1 位置确定
对于空间目标, 如果知道其相对于地面固定点的距离及相对角度, 则该空间目标的相对位置即可以唯一确定。通过测量激光从发射到返回经过的飞行时间便可以计算出探测器到目标的直线距离L:
（2.1）
式中, c 为光速; t 为激光脉冲飞行时间。由于光速在大气层内的速度与真空中有一定差别, 以及大气湍流和波动, 光速在测量范围内并不是常数。测距精度为 ：
（2.2）
从式（2.2）可以看出, 测距精度取决光束飞行时间t 的测量精度$t 与光速在大气层内外的速度差$c 。此外, 由于回波上升前沿变化、阈值电平漂移、时钟频率不稳定、放大器及探测器噪声引起的时间测量误差等, 这些都会造成测距误差。通过误差补偿和提高测量精度的方式可以将误差减小至探测所
需要的精度范围内。
另外, 通过探测设备上的轴角编码器可以准确测量出空间目标相对于探测设备的相对角度, 有了这两个数据便可以通过相应的坐标变换得到空间目标的相对位置。
2. 1. 2 速度确定
最简单的激光测速方法是对运动目标进行连续测距, 由距离随时间的变化率计算出目标的速度。这种方法虽然简单, 但测量精度不高, 而且必须对目
标进行连续测量。通过探测激光回波经目标调制后产生的多普勒频移, 不仅具有很高测量精度, 而且单次测量便可以得到目标的径向速度。激光束作用于
目标产生的多普勒频移量fd 为：
（2.3）
式中, K 为激光波长; Mr 为目标在径向r 速度。由式( 3)可知, 由于多普勒频移fd 与激光波长K 成反比, 激光产生的多普勒频移量比微波雷达大许多倍, 因而激光雷达对运动
2ct L =λ
r d v f 2=)(21c t t c L ?+?=?
目标速度测量精度要比微波雷达高得多。例如, 用10. 6 Lm 的CO2 激光时, 1m / s径向速度运动的目标会产生约189 kH z的多普勒频移量, 而对35 GH z的微波雷达则只产生约233H z的多普勒频移。在有了空间目标的位置及相对速度情况下, 通过一定时间观测的积累, 可以得到空间目标的运动矢量及其矢量速度, 这样就可以依据得到的参数
确定空间目标的飞行轨道[ 4 ] 。由于激光束的波束宽度远小于微波雷达的波束宽度, 加上激光雷达的测距及测速精度也远高于微波雷达, 因而利用激光雷达确定空间目标
飞行轨道的精度远高于相应的微波雷达。
2. 2 几何形状估计
2. 2. 1 目标回波脉冲波形特征分析技术
对于空间目标, 其空间尺寸使得其不同部位反射的激光回波在时间上存在一定的
时延, 其在回波的波形上表现为脉冲波形的展宽, 对于体积特别巨大的空间目标, 如
空间站、大型电子侦察卫星等, 其回波波形可能出现变形甚至断裂。记录反射回的激光波形, 可以通过分析回波的强度及展宽、裂变情况来判断空间目标的空间尺寸, 估计出其大致的形状。
此外, 对于单次探测条件下的激光遥感信号, 由于其波形分布信息反映了目标特性
分布对回波信号的调制。通过对激光回波信号的小波变换, 提取出不同变换尺度下激光回波波形分布特征。通过回波的脉冲宽度和能量特征可以反映出目标的反射尺寸和反射率信息。通过模板匹配和模式识别技术, 结合典型目标与激光回波信号的调制关系, 就可能得到回波信号特征与目标特性的映射关系, 并获得对目标特性的求解结果。对于更高精度的要求, 可以由多角度激光照射条件下的多次激光回波数据, 得到针对同一目
标的时间、空间和属性联合调制函数的另一组值, 可以消除目标各子部分的时间、空间、属性求解的不确定性, 从而建立起更为稳定的激光遥感信号与目标特性关系模型, 达
到精确目标特性求解结果。对于提取的特征量, 还需要通过实验的方法验证其稳定性和有效性。通过分析, 提取出最能反映目标本质的特征集, 并通过选用合适的模式
识别方法完成对目标的识别工作。
图1[ 5] 给出了对三种不同目标的回波波形分布仿真结果以及基于小波变换的特征提取向量。仿真选择三种不同外形尺寸的卫星模型, 利用激光在卫星侧上方? 40b范围内以10b为步进角度进行侦察,
得到一组回波数据, 通过小波变换和M ahalanobis计算得到一组特征模板。图中为三种卫星在方位角30b时的激光回波数据以及其三阶小波变换分解系数和第三阶小波系数的
模极大值点。由图可见, 利用波形特征提取可以有效地区分具有不同特性分布的目标, 完成对目标的识别工作。图1 三种卫星的激光回波和特征提取仿真结果
图
图表 1
2. 2. 2 激光雷达逆合成孔径成像技术
激光雷达逆合成孔径成像原理与微波雷达的逆合成孔径雷达成像的原理基本相同, 都是利用雷达与目标之间的相对运动, 经信号处理产生等效的大孔径来获得高的方位分辨率, 其距离向分辨率都是由宽带的发射信号B 所决定。
设激光雷达发射孔径为D, 与目标之间的距离为R 0, 激光波长为K, 其3 dB 的波束宽度近似为
（2.4） 式中, K 为加权展宽系数, 当波束为均匀辐射时K = 0. 88, 实际工程中HBW 一般有所展宽, 取近似值K = 1。则合成孔径雷达长度LS 为:
D K BW λθ=
由公式( 2.6) 可以看出, 激光雷达逆合成孔径成像的
方位分辨率等于实际天线孔径的一半, 由于光学接收孔径远小于微波雷达发射孔径, 因此激光雷达显著的提高到了方位分辨率, 减小了对目标环境的依赖性, 能够实现高性能远距离的探测。
国内目前对于激光雷达逆合成孔径成像方面的研究较少[ 7] , 国外有几家研究
机构对逆合成孔径激光雷达成像问题进行了理论和实验研究, 并且取得了值得关注的研究进展。M IT 林肯实验室研制了/ Firepond0CO2 相干激光雷达, 并于1990年3月4日成功获取了世界上首幅轨道卫星的距离- 多普ISAR 图像, 这是一颗轨道高度800~ 100 km 高度的海洋卫星[ 8] 。2002 年, 美国的海军研究实验室M. Bashkansky 等人用波长为1. 55 Lm 、功率为5mW 的单模可调谐激光源也实现了对目标的二维成像[ 9] 。
目前, 激光雷达逆合成孔径成像技术虽然取得初步的成果, 但是仍处于实验室阶段, 离实际应用还有较大距离。此外当前逆合成孔径激光雷达的发展仍然面临着一些关键问题的制约, 主要包括激光器射源、相干探测、运动补偿信号处理和大气传输影响及补偿等。
2. 3 装配光学设备检测
测空间目标是否装配光学设备检测利用了激光探测中的/猫眼效应0[ 10] 。/猫眼效应0是在研究了猫的眼睛的基础上提出来的, 猫的眼睛之所以在夜间看起来很亮, 原因就在于光线通过猫眼的瞳孔后射到眼底上, 然后由于眼底的反射, 使光束返回,所以此时的猫眼就显得比较亮。如果反射光束的表面不具有类似眼底的特性, 那么该表面的反射光将不会沿原光路返回, 我们也就难以得到较强的回光信号。
一般的光电设备, 位于光学系统焦面上的光电探测器表面, 对正入射来的激光, 按光的可逆原理将其原路返回, 会产生方向性好、能量集中、亮度高的后向反射光。透镜的聚焦功能和光敏面的镜面反射使系统产生的光学/ 准直0作用, 使激光回波能量密度比其他目标(或背景)的回波能量密度高许多。
图2 /猫眼效应0光路示意图[ 11]
）（）（）（6.245.22224.20000
0λ
πλλλρλθA f f D R D
R L R D R R L D s a BW s ======
目前, 基于/ 猫眼效应0的激光探测研究在反狙击、空中目标侦察等领域已经取得
了一定的研究成果, 但是对于空间目标/猫眼效应0的激光探测目前尚未有相关的研究报道。由于不少的空间目标装配了光学设备, 如光学成像卫星、遥感卫星、部分卫星的姿态敏感器等。在利用激光探测空间目标的过程中, 可以利用/猫眼效应0来判断空间目标上是否装配有光学系统, 为进一步识别目标的种类和性质提供判定依据。
2. 4 震动识别技术
每个运动的目标如飞机、测量、导弹等都有它特有的机械振动频谱, 空间目标也不例外, 通过目标反射回的激光光束可以探测出目标的特征振动频谱。目前在激光振动测量方法中, 广泛采用的是全息法、光三角法、散斑法和干涉法[ 12], 其中前三种方法使用局限性较大, 不适合于空间目标的探测。干涉法的原理是, 当目标受到激光束照射后, 目标表面的机械振动将对激光束调制并产生多普勒频移fD ,且有[ 3]
:fD = f04PAK ( 7
式中, f 0 为目标振动频率; A 为最大振动幅度; K为波长。
利用相干检测器可以将多普勒频移量检测出来, 把测得的信号频谱经过一定的变化处理后, 提取出其振动特征并与计算机数据库中的各种目标的振动数据进行比较,
便可实现对目标的振动识别。
2. 5 综合识别空间目标
通过上述手段的探测, 可以初步得到空间目标的一些基本特性, 如空间目标的飞行轨道、空间目标的几何形状、是否装配有光学设备、空间目标的振动特性。通过这些特性, 可以对被观测的空间目标进行分类, 判断其功能及用途, 最实现对空间目标的有效识别。
3 结束语
基于激光探测对空间目标的识别技术目前还处于起步阶段, 还有很多的问题有待于深入研究。例如对波形的探测通常采用直接(能量)探测法, 而探测其多普勒频移或逆合成孔径探测则须采用相干(差分)探测法, 另外还有许多探测技术有待于进一步发展才能走出实验室达到实际应用的能力, 如逆合成孔径和振动测量等。总之, 利用激光探测空间目标前景十分广阔, 激光探测必然将在今后的空间目标探测识别中占据一席之地。
参考文献
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航天编队飞行和空间虚拟探测技术 香山科学会议第206次学术讨论会综述 以“建立高效、低成本、低风险分布式天基探测系统——航天编队飞行和空间虚拟探测技术”为主题的206次香山科学会议学术讨论会于2003年8月26～28日在北京举行。会议聘请宋健院士、中国科学院上海技术物理所龚惠兴院士和中国科学院空间科学与应用研究中心姜景山院士担任执行主席。会议的中心议题为航天编队飞行技术、空间虚拟探测技术、分布式合成孔径雷达、现代一体化设计小卫星等。 宋健院士首先做了“重视研究低成本小卫星和虚拟探测技术”的报告，指出21世纪航天技术的发展对于外空间的科学探测、认识宇宙，扩展生存空间、挑战传统物理学和天体物理学具有非常重要的意义。强调航天的作用不仅仅是认识我们地球，而是认识宇宙的不可缺少的手段。他提出了三点需要重视的问题：第一重视基础研究，要搞编队飞行或者是虚拟探测技术研究，都要重视基础研究；第二加强长远项目的研究，“编队飞行”是一个长远课题的研究，从近期入手，逐步到达更高的目的；第三航天技术应用研究，要向社会开放，特别是要向全国的研究机构和高等院校开放，动员社会力量逐步提高我们的航天技术，这样使航天技术的根基更深，深入民间。 一、航天编队飞行及空间虚拟探测技术研究现状及重要性 姜景山院士作了题为“航天编队飞行及空间虚拟探测技术——21世纪航天应用技术前沿”的总评述报告。他指出，编队飞行的目的在于以多颗小卫星编队飞行来实现大卫星才能具备的强大功能并且可以实现功能重组，它要求编队中的每一颗卫星的传感器所获得的信号要进行相干处理。从技术上说，实现编队飞行必须以具有高度自主能力的小卫星和特殊轨道设计为技术前提。编队飞行与虚拟探测紧密相连，相互促进、共同发展。 编队飞行及空间虚拟探测技术是本世纪航天技术及应用领域的前沿性、战略性课题。在21世纪人类的航天活动中，编队飞行及虚拟探测技术必将发挥出越来越重要的作用。对于国家安全来说，它是我们必须争取的21世纪航天领域的战略制高点。它的发展也将对空间科学、空间技术及应用产生深远的影响、对于空间对地观测以及对宇宙观测方面具有重大意义，同时可以极大地提高对地观测以及对宇宙观测的能力，还将极大地促进计算机、自动控制、精密定轨、星间信息交换、空间轨道设计和编队构形设计等航天技术的发展。我国作为一个重要航天国家，应不失时机地抓住机会，纵深布局，加快研究及试验，将有可能在这一领域与国际水平同步，为我国空间技术、国家建设及国家安全提供先进有效的战略科技途径。 迄今为止，这一技术在国际上的发展也不过十几年，而且普遍处在研究和试验阶段，美国的规划目标是到2020年在相关领域使这一技术具备实用性。我国对这一技术的研究始于上世纪末，也已有7～8年的时间。如果现在开始有计划地加强这一领域的研究，我国在这一领域与国际上的发展可以同步进行。到2020年时，在航天应用中将有可能广泛采用编队飞行技术，在提高我国航天竞争能力，提升国威方面将发挥重要作用。 二、航天编队飞行技术
探测器原理大全 (2) 激光入侵探测器 激光与一般光源相比有如下特点： a．方向性好，亮度高。一束激光的发散角可做到小于10-3～10-5弧度，即使在几公里以外激光光束的直径也仅扩展到几毫米或几厘米。由于激光光束发散角小，几乎是一束平行光束，光束能聚集在一个很小的平面上，产生很大的光功率密度，其亮度很高。 激光光源和其它光源的亮度比较： 光源亮度（w/Sr?cm2） 蜡烛0.5 电灯470 太阳表面0.165M 氦-氖激光15M 红宝石激光10亿兆～37亿兆 b．激光的单色性和相干性好。 激光是单一频率的单色光，如氦氖激光器的波长为6328?，在其频率范围内谱线宽度ΔU=10-1Hz，而其他一般光的ΔU = 107-109 Hz。光的相干性取决于其单色性。 光的相干长度δm与谱线宽度的关系是： δm=c/ΔU，其中c为光速。 一般光源的相干长度为几个毫米。单色光源氦-86灯，λ=6057?，相干长度 δm=38.6cm；而氦氖激光器λ= 6328?，δm=40km。
按激光器的工作物质来分，激光器可分为如下几种： 固体激光器：它的工作物质为固体，如钕玻璃、红宝石等。 液体染料激光器：它的工作物质为液体染料，如若丹明香豆素等。 气体激光器：它的工作物质是二氧化碳、氦-氖、氮分子等。 半导体激光器：它的工作物质是半导体材料，如砷化镓。 激光探测器与主动红外式探测器有些相似，也是由发射器与接收器两部分构成。发射器发射激光束照射在接收器上，当有入侵目标出现在警戒线上，激光束被遮挡，接收机接收状态发生变化，从而产生报警信号。 激光探测器的作用距离： 式中 P1——激光功率； QT——光束发散角； M——调制光速调制度； SR——接收面积； PR——接收到的功率。 由上式可以看出，要提高探测器的作用距离，应增大激光源的发射光率，增加光学系统的透过率，减少发射装置的发散角，也可采用高灵敏的光电传感器。 激光具有高亮度，高方向性，所以激光探测器十分适用于远距离的线控报警装置。由于能量集中，可以在光路上加装反射镜，围绕成光墙，从而可以用一套激光器来封锁场地的四周，或封锁几个主要通道路口。
目标识别技术 摘要： 针对雷达自动目标识别技术进行了简要回顾。讨论了目前理论研究和应用比较成功的几类目标识别方法：基于目标运动的回波起伏和调制谱特性的目标识别方法、基于极点分布的目标识别方法、基于高分辨雷达成像的目标识别方法和基于极化特征的目标识别方法，同时讨论了应用于雷达目标识别中的几种模式识别技术：统计模式识别方法、模糊模式识别方法、基于模型和基于知识的模式识别方法以及神经网络模式识别方法。最后分析了问题的可能解决思路。 引言： 雷达目标识别技术回顾及发展现状 雷达目标识别的研究始于"20世纪50年代，早期雷达目标特征信号的研究工作主要是研究达目标的有效散射截面积。但是，对形状不同、性质各异的各类目标，笼统用一个有效散射面积来描述，就显得过于粗糙，也难以实现有效识别。几十年来，随着电磁散射理论的不断发展以及雷达技术的不断提高，在先进的现代信号处理技术条件下，许多可资识别的雷达目标特征信号相继被发现，从而建立起了相应的目标识别理论和技术。 随着科学技术的飞速发展，一场以信息技术为基础、以获取信息优势为核心、以高技术武器为先导的军事领域的变革正在世界范围内兴起，夺取信息优势已成为夺取战争主动权的关键。电子信息装备作为夺取信息优势的物质基础，是推进武器装备信息化进程的重要动力，其总体水平和规模将在很大程度上反映一个国家的军事实力和作战能力。 雷达作为重要的电子信息装备，自诞生起就在战争中发挥了极其重要的作用。但随着进攻武器装备的发展，只具有探测和跟踪功能的雷达也已经不能满足信息化战争的需要，迫切要求雷达不仅要具有探测和跟踪功能，而且还要具有目标识别功能，雷达目标分类与识别已成为现代雷达的重要发展方向，也是未来雷达的基本功能之一。目标识别技术是指：利用雷达和计算机对遥远目标进行辨认的技术。目标识别的基本原理是利用雷达回波中的幅度、相位、频谱和极化等目标特征信息，通过数学上的各种多维空间变换来估算目标的大小、形状、重量和表面层的物理特性参数，最后根据大量训练样本所确定的鉴别函数，在分类器中进行识别判决。目标识别还可利用再入大气层后的大团过滤技术。当目标群进入大气层时，在大气阻力的作用下，目标群中的真假目标由于轻重和阻力的不同而分开，轻目标、外形不规则的目标开始减速，落在真弹头的后面，从而可以区别目标。 所谓雷达目标识别，是指利用雷达获得的目标信息，通过综合处理，得到目标的详细信息（包括物理尺寸、散射特征等），最终进行分类和描述。随着科学技术的发展，武器性能的提高，对雷达目标识别提出了越来越高的要求。 目前，目标识别作为雷达新的功能之一，已在诸如海情监控系统、弹道导弹防御系统、防空系统及地球物理、射电天文、气象预报、埋地物探测等技术领域发挥出很大威力。为了提高
第40卷 第7期 激光与红外Vol.40,No.7 2010年7月 LASER & I N FRARE D July,2010 文章编号:100125078(2010)0720685205?综述与评论?空间目标识别中的激光探测技术 黄 涛1,2,胡惠灵3,胡以华1,2,赵楠翔1,2 (1.脉冲功率激光技术国家重点实验室电子工程学院,安徽合肥230037; 2.安徽省电子制约技术重点实验室,安徽合肥230037; 3.合肥工业大学计算机与信息学院,安徽合肥230009) 摘 要:空间目标探测与识别技术是空间资源开发、空间安全等方向应用的前提条件,同其他 方式相比,激光探测具有其突出的优势。当前传统的空间监视网是以微波雷达和光学望远镜 为基础,激光探测与之相比具有系统简单、效费比高、能探测空间目标多种特征参数的优点。 介绍了激光探测空间目标中的空间目标轨道确定、几何形状估计、对装配的光学设备检测和对 空间目标的振动识别等几种目标识别技术。最后分析了激光探测在空间目标识别中存在的问 题和发展的方向。 关键词:激光探测;空间目标;识别;逆合成孔径;猫眼效应;振动识别 中图分类号:T N149 文献标识码:A Laser detecti on i n the i denti fi cati on of space t arget HUANG Tao1,2,HU Hui2ling3,HU Yi2hua1,2,Z HAO Nan2xiang1,2 (1.State Key Laborat ory of Pulsed Power Laser Technol ogy Electr onic Engineering I nstitute,Hefei230037,China; 2.Key Laborat ory of Electr onic Restricti on,Anhui Pr ovince,Hefei230037,China; 3.Hefei University of Technol ogy,School of Computer&I nf or mati on,Anhui Pr ovince,Hefei230009,China) Abstract:Space targets detecti on and identificati on is a key technol ogy in s pace app licati ons such as s pace security, attack2warning,debris detecti on ect.Among vari ous detecti on t ools,laser technol ogy has its s pecial advantages under certain conditi on.Ce mpaved with the conventi onal s pace surveillance net w ork which is composed of radar and op tical telescope,laser system can get mone infor mati on about the t orget mean while boasts mone compact size,higher efficien2 cy.The paper intr oduces how t o use laser t o deter m ine the orbit of the s pace target,how t o esti m ate the target′s shape thr ough the return signal,and how t o measure the vibrati on s pectru m of the target.A ls o intr oduced is the devel opment and future of the s pace target detecti on and identificati on by laser. Key words:laser detecti on;s pace target;identifying;inverse synthetic aperture;Cat′s eye effect;vibrati on identifica2 ti on 1 引 言 空间目标主要指各种卫星、空间碎片、空间站、航天飞机,中远程弹道导弹,以及进入地球外层空间的各种宇宙飞行物,如彗星和小行星。空间目标探测系统的任务是对重要空间目标进行精确探测和跟踪,确定可能对航天系统构成威胁的目标的任务、尺寸、形状和轨道参数等重要目标特性;对目标特性数据进行归类和分发。空间目标探测不仅可以帮助确定潜在敌人的空间能力,还可以预测空间物体的轨道,对可能发生的碰撞和对己方空间系统的攻击告警等,具有重要的军事价值[1]。 当前的空间目标探测的主要手段是以各种超远程雷达和大口径光学望远镜组成的空间的监视网对空间目标进行探测和跟踪。这种探测方式虽然能够 基金项目:国家自然科学基金项目(No.60672154)资助。 作者简介:黄 涛(1983-),男,硕士研究生,主要从事激光遥感信息处理方面的研究工作。E2mail:tao_online@https://www.doczj.com/doc/cb13305768.html, 收稿日期:2010203217;修订日期:2010204207
激光检测技术研究现状与发展趋势 提要：激光检测学科发展现状在光电检测领域，利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹，然后到散斑，再到全息干涉，出现了一个个干涉场，物理量（如位移、温度、压力、速度、折射率等）的测量不再需要单独测量，而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后，电子学领域的许多探测方法（如外差、相关、取样平均、光子计数等）被引入，使测量灵敏度和测量精度得到大大提高。用激光检测关键技术(激光干涉测量技术、激光共焦测量技术、激光三角测量技术)实现的激光干涉仪、激光位移传感器等，可以完成纳米级非接触测量。可以说，超精密加工技术将随着高精密激光检测技术的发展而发展；在此基础上，提出了激光测量需解决的关键技术及今后的发展方向。 1.测量原理 1.1激光测距原理 先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
1.2激光测位移原理 激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。 2.激光测量系统的应用 激光功率和能量是描述激光特性的两个基本参数，激光功率计和能量计是最常用的两类激光测量仪器。随着激光技术的不断发展，对激光测试技术和测量仪器提出了更高要求。由于调Q和锁模激光的出现和应用，要求测量的激光功率已从毫瓦、瓦、千瓦、兆瓦直到千兆瓦以上。激光能量也从毫焦尔逐渐跨过千焦尔。脉冲激光的持续时间也由毫秒、微秒、毫微秒、而缩短至微微秒量级。光谱范围也从紫外、可见、红外扩展到近毫米波段。激光精密测量和某些生物医学方面的研究和应用(如眼科治疗、细胞手术器等)的发展，对激光测量的精度也提出了非常高的要求。 2.1激光非球面检测技术 长期以来，非球面检测技术一直制约着非球面制造精度的提高，尤其对于高精度非球面的检测。规的非球面检测方法如刀口阴影法、激光数字干涉法及接触式光栅测量法等，对于检测工件表面来说都有一定的局限性。原子力显微镜是利用纳米级的探针固定在可灵敏操控的微米级尺度的弹性悬臂上，当针尖很靠近样品时，其顶端的原子与
2006年10月第34卷 第5期 现代防御技术 MODERN DEFENCE TECHNOLOGY O ct.2006 V o.l34 N o.5雷达空间目标识别技术综述* 马君国,付 强,肖怀铁,朱 江 (国防科技大学ATR实验室,湖南 长沙 410073) 摘 要:随着人类航天活动的增加,对于卫星和碎片等空间目标进行监视变得非常重要。为了实现空间监视任务,对空间目标进行识别是非常必要的。对空间目标的轨道特性与动力学特性进行了介绍,对雷达空间目标识别技术的研究现状和发展趋势进行了详细的综述。 关键词:空间目标识别;低分辨雷达;高分辨雷达成像 中图分类号:TN957 52 文献标识码:A 文章编号:1009 086X(2006) 05 0090 05 Survey of radar space target recognition technology MA Jun guo,F U Q iang,X I AO Huai tie,Z HU Jiang (ATR L ab.,N ationa lU n i versity o f De fense T echno l ogy,Hunan Changsha410073,Ch i na) Abst ract:W ith t h e deve l o pm ent of spacefli g ht acti v ity of hum an,surveillance of space tar get such as sate llite and debris beco m es very i m portan.t In or der to i m p le m ent surveillance task,space target recogni ti o n is ver y necessary.Orb it property and dyna m ics property of space targe t are i n troduced,a deta iled sur vey is set forth about current research state and developi n g trend of radar space target recogn iti o n techno l ogy. K ey w ords:space tar get recogniti o n;lo w reso lution radar;h i g h reso lution radar i m aging 1 引 言 自从前苏联发射了第1颗人造地球卫星以来,卫星在预警、通信、侦察、导航定位、监视和气象等方面具有不可替代的优势。随着人类航天活动的增加,空间碎片日益增多,对于卫星等航天器的安全造成极大的威胁,因此对于卫星和碎片等空间目标进行监视变得非常重要。其中空间目标识别是空间监视任务中不可或缺的基本条件,空间目标识别主要是利用雷达等传感器获取空间目标的回波信号,从中提取目标的位置、速度、结构等特征信息,进而实现对空间目标的类型或属性进行识别。 2 空间目标的轨道特性与动力学特性 (1)轨道特性[1,2] 空间目标在轨道上的运动是无动力惯性飞行,本质上空间目标与自然天体的运动是一致的,故研究空间目标的运动可以用天体力学的方法。空间目标在运动时受到地球引力、月球引力、太阳及其他星体引力、大气阻力和太阳光辐射压力等的作用,轨道存在摄动。但是对轨道的实际分析表明,空间目标受到的主要力是地球引力。假设空间目标只是受到地球引力的作用,同时假设地球是一个质量均匀分布的球体,则空间目标与地球构成二体运动系统,开 *收稿日期:2005-12-15;修回日期:2006-01-23 作者简介:马君国(1970-),男,吉林长春人,博士生,主要从事目标识别与信号处理研究。 通信地址:410073 湖南长沙国防科技大学ATR实验室 电话:(0731)4576401
目标检测、跟踪与识别技术与现代战争 【摘要】本文讨论目标检测、跟踪与识别技术在现代战争各个领域中的应用，总结目标识别技术的发展方向，提出目标识别技术工程化实现方法，同时本文介绍了国外目标识别的现状及发展趋势，提出了现代战争应采用综合识别系统解决目标识别问题的建议。 关键词目标检测；目标跟踪；目标识别；雷达；人工神经网络；精确制导 1．引言 随着现代科学技术的飞速发展及其在军事领域内日益广泛的应用，传统的作战思想、作战方式已发生根本性的变化。从第一次海湾战争到科索沃战争，特别是刚刚结束的海湾战争，空中精确打击和空地一体化作战已经成为最重要的作战形式。集指挥、控制、通信、计算机、情报、监视侦察于一体的C ISR 已成为取得战场主动权，赢得最后胜利的关键因素。目标识别技术是雷达智能化、信息化的重要技术支撑手段。在现代化战争中，目标识别技术在预警探测、精确制导、战场指挥和侦察、敌我识别等军事领域都有广泛的应用前景，已受到了世界各国的关注。 现代战争中取得战场制信息权的关键之一是目标属性识别。现代战争的作战环境十分复杂，作战双方都在采用相应的伪装、隐蔽、欺骗和干扰等手段和技术，进行识别和反识别斗争。因此仅仅依靠一种或少数几种识别手段很难准确地进行目标识别，必须利用多个和多类传感器所收集到的多种目标属性信息，综合出准确的目标属性，进行目标检测，跟踪后进行识别。 2．目标检测、跟踪与识别技术在现代战争中的应用 2．1 目标检测、跟踪与识别技术在预警探测上的应用 目标检测、跟踪与识别技术对于弹道导弹的预警工作有重要的作用。弹道导弹一般携带多个弹头，其中可能包含核弹头或大规模杀伤的弹头以及常规弹头，预警雷达必须具备对目标进行分类和识别真假弹头的能力，将核弹头或大规模杀伤的弹头分离出来，为弹道导弹防御(BMD)系统进行目标攻击和火力分配提供依据。早期的BMD系统假设只有一个核弹头，多弹头分导技术的出现，使问题转化为雷达的多目标识别问题，加上电子对抗技术的广泛使用，给目标识别技术带来很大困难。另外，预警雷达还要对空中目标或低空目标进行探测，对来袭目标群进行分类识别。利用星载雷达以及远程光学望远镜等观测设备，可以对外空目标进行探测，对外空来袭目标进行分类和识别，达到早期预警的工作。
激光探测技术 激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。当测定对象物受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学特征，以及他们的变化量。响应种类有：光、声、热，离子，中性粒子等生成物的释放，以及反射光、透射 激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性，将它作为光源，配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时间短、非接触式等优点，常用于测量长度、位移、速度、振动等参数。当测定对象物受到激光照射时，激光的某些特性会发生变化，通过测定其响应如强度、速度或种类等，就可以知道测定物的形状、物理、化学特征，以及他们的变化量。响应种类有：光、声、热，离子，中性粒子等生成物的释放，以及反射光、透射光、散射光等的振幅、相位、频率、偏振光方向以及传播方向等的变化。 ◆激光测距 激光测距的基本原理是：将光速为 C 的激光射向被测目标，测量它返回的时间，由此求得激光器与被测目标间的距离 d 。 即：d＝ct/2 式中t-激光发出与接收到返回信号之间的时间间隔。可见这种激光测距的精度取决于测时精度。由于它利用的是脉冲激光束，为了提高精度，要求激光脉冲宽度窄，光接收器响应速度快。所以，远距离测量常用输出功率较大的固体激光器与二氧化碳激光器作为激光源；近距离测量则用砷化镓半导体激光器作为激光源。 ◆激光测长
从光学原理可知，单色光的最大可测长度L与光源波长λ和谱线宽度Δλ的关系用普通单色光源测量，最大可测长度78cm。若被测对象超过 78cm，就须分段测量，这将降低测量精度。若用氦氖激光器作光源，则最大可测长度可达几十公里。通常测长范围不超过10m，其测量精度可保证在 0.1μm 以内。 ◆激光干涉测量 激光干涉测量的原理是利用激光的特性－相干性，对相位变化的信息进行处理。由于光是一种高频电磁波，直接观测其相位的变化比较困难，因此使用干涉技术将相位差变换为光强的变化，观测起来就容易的多。通常利用基准反射面的参照光和观测物体反射的观测光产生的干涉，或者是参照光和通过观测物体后相位发生变化的光之间的干涉，就可以非接触地测量被测物体的距离以及物体的大小，形状等，其测量精度达到光的波长量级。因为光的波长非常短，所以测量精度相当高。 ◆激光雷达 激光雷达是用于向空中发射激光束，并对其散射信号光进行分析与处理，以获知空气中的悬浮分子的种类和数量以及距离，利用短脉冲激光，可以按时间序列观测每个脉冲所包含的信息，即可获得对象物质的三维空间分布及其移动速度、方向等方面的信息。如果使用皮秒级的脉冲激光，其空间分辨率可以达到 10cm以下。激光照射在物体上后，会发生散射，按照光子能量是否发生变化，散射分为弹性散射和非弹性散射两种类型。弹性散射又有瑞利散射和米氏散射之分。相对于激光波长而言，散射体的尺寸非常小时，称为瑞利散射；与激光波长相当的散射，称之为米氏散射。瑞利散射强度与照射激光波长的四次方成反比，所以，通过改变波长的测量方式就可以和米氏散射区别开。相应地，非弹性散射也有拉曼散射和布里渊散射两种。拉曼散射是指光遇到原子或分子发生散射时，由于散射体的固有振动以及回转能和能量的交换，致使散射光的频率发生变化的现象。拉曼散射所表现出的特征，因组成物质的分子结构的不同而不同，因此，将接收的散射光谱进行分光，通过光谱分析法可以很容易鉴定分子种类。所以，通过测量散射光，就可以测定空气中是否有乱气流（米氏散射），以及CO、NO等各种大气污染物的种类及数量（拉曼散射）。由此可见，激光雷达技术在解决环境问题方面占据着举足轻重的位置。
目标识别技术 2009-11-27 20:56:41| 分类：我的学习笔记| 标签：|字号大中小订阅 摘要： 针对雷达自动目标识别技术进行了简要回顾。讨论了目前理论研究和应用比较成功的几类目标识别方法：基于目标运动的回波起伏和调制谱特性的目标识别方法、基于极点分布的目标识别方法、基于高分辨雷达成像的目标识别方法和基于极化特征的目标识别方法，同时讨论了应用于雷达目标识别中的几种模式识别技术：统计模式识别方法、模糊模式识别方法、基于模型和基于知识的模式识别方法以及神经网络 模式识别方法。最后分析了问题的可能解决思路。 引言： 雷达目标识别技术回顾及发展现状 雷达目标识别的研究始于"20世纪50年代，早期雷达目标特征信号的研究工作主要是研究达目标的有效散射截面积。但是，对形状不同、性质各异的各类目标，笼统用一个有效散射面积来描述，就显得过于粗糙，也难以实现有效识别。几十年来，随着电磁散射理论的不断发展以及雷达技术的不断提高，在先进的现代信号处理技术条件下，许多可资识别的雷达目标特征信号相继被发现，从而建立起了相应的目标 识别理论和技术。 随着科学技术的飞速发展，一场以信息技术为基础、以获取信息优势为核心、以高技术武器为先导的军事领域的变革正在世界范围内兴起，夺取信息优势已成为夺取战争主动权的关键。电子信息装备作为夺取信息优势的物质基础，是推进武器装备信息化进程的重要动力，其总体水平和规模将在很大程度上反 映一个国家的军事实力和作战能力。 雷达作为重要的电子信息装备，自诞生起就在战争中发挥了极其重要的作用。但随着进攻武器装备的发展，只具有探测和跟踪功能的雷达也已经不能满足信息化战争的需要，迫切要求雷达不仅要具有探测和跟踪功能，而且还要具有目标识别功能，雷达目标分类与识别已成为现代雷达的重要发展方向，也是未来雷达的基本功能之一。目标识别技术是指：利用雷达和计算机对遥远目标进行辨认的技术。目标识别的基本原理是利用雷达回波中的幅度、相位、频谱和极化等目标特征信息，通过数学上的各种多维空间变换来估算目标的大小、形状、重量和表面层的物理特性参数，最后根据大量训练样本所确定的鉴别函数，在分类器中进行识别判决。目标识别还可利用再入大气层后的大团过滤技术。当目标群进入大气层时，在大气阻力的作用下，目标群中的真假目标由于轻重和阻力的不同而分开，轻目标、外形不规则的目标开始减 速，落在真弹头的后面，从而可以区别目标。 所谓雷达目标识别，是指利用雷达获得的目标信息，通过综合处理，得到目标的详细信息（包括物理尺寸、散射特征等），最终进行分类和描述。随着科学技术的发展，武器性能的提高，对雷达目标识别 提出了越来越高的要求。 目前，目标识别作为雷达新的功能之一，已在诸如海情监控系统、弹道导弹防御系统、防空系统及地球物理、射电天文、气象预报、埋地物探测等技术领域发挥出很大威力。为了提高我国的军事实力，适应未来反导弹、反卫、空间攻防、国土防空与对海军事斗争的需要，急需加大雷达目标识别技术研究的力度雷达目标识别策略主要基于中段、再入段过程中弹道导弹目标群的不同特性。从结构特性看，飞行中段
南京理工大学 现代自动检测技术的发展 现状及趋势 指导老师：黄晓华 姓名：卢敏学号：0801500425 2011/5/24 自动检测技术已成为实现生产自动化的重要保证和不可缺少的一个组成部分
现代自动检测技术的发展现状及趋势一、现代自动检测技术的发展现状 检测自动化是提高生产效率, 减轻劳动强度, 节省人力的重要措施是保证产品质量, 实现检验的最好方法也是质量控制自动化的重要基础。因此, 自动检测技术已成为实现生产自动化的重要保证和不可缺少的一个组成部分。 自动检测的对象是指生产自动化技术中，所经常遇到的各种物理量位移、长度、速度、转矩、温度、流量、压力、湿度、粘度、水份等以及对工作机械运转状态生产设备的异常状态产品的在线监视等进行检测。 自动检测是一门综合性应用技术。它应用物理学中各种基本效应和电子学的各种最新成就, 采用各种传感器件将被测非电量, 直接或间接地转换成电量来进行测量。并通过对电敏信号的处理，送给自动控制系统以实现自动控制。而这种控制的精度, 在很大程度上就决定于检测的精度。 随着近代物理学新成就的取得电子计算机技术和半导体集成技术的发展, 又给自动检测技术提供出更先进的检测手段。使人们认识各种现象和规律的深度在精确度、灵敏度以及测量范围等方面正愈加深广。近年来, 检测技术发展很快，主要表现在检测技术和检测仪器的发展, 使检测精度、范围、可靠性及使用寿命等都得到不断提高。 科学技术的进步, 使检测对象与领域在不断增加和扩大。除较多用于工业连续生产过程外。在空间技术, 能源开发及环境保护等新领
域都得到发展。其中以遥感、遥测技术在宇航、卫星及空间实验室等技术中的发展尤为迅速。近代物理学中新的物理效应的应用，使检测手段在不断增强。如用激光、红外、超声、微波、各种谱线及射线等原理, 研制出各种新的传感器件。电子技术, 特别是半导体材料及工艺的发展。出现了多种灵敏度高、响应速度快、小型轻量的半导体传感器件。与集成组件结合将传感器、放大器和运算器一体化,使检测装置小型化、固体化和数字化。譬如, 近年来得到迅速发展和应用的一种新颖的摄象器件一电荷祸合器件简称, 则是将光电转换、信息存贮及读取装置均集中在一个支承片上的半导体表面器件，成为一种名符其实的固态摄象器件。它在摄象领域里, 用作图象传感器自动检测中用作特殊的摄象机等方面有着显著的优点。自动检测技术在工业生产领域也有广泛的应用。在线检测零件尺寸、产品缺陷、装配定位等；离线检测零件参数、尺寸与形位公差、品质参数等。现代工程装备中，检测环节的成本约占50—70％。军事上大大提高了部队的战斗力，比如夜视瞄准机系统就是利用非冷却红外传感器技术。国防领域是先行官，比如利用卫星红外线监测系统探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道。在航天领域中的作用举足轻重，比如火箭测控检测火箭状况、姿态、轨迹；飞行器测控检测飞行器姿态、发电机工况，控制与操纵等。自动检测技术在日常生活中的应用与日俱增，海啸预报、智能电子警察监测系统、自动收费系统等等。自动检测技术更是社会的物化法官：检查产品质量、监测环境污染、查服违禁药物、识别指纹假钞、侦破刑事案件等等。自动检测技术在机械
分时多站式激光跟踪仪测量系统 课程名称：光机电一体化 院系：机械工程学院 班级：硕3002班 姓名：周强 学号: 3113001060
目录 1 激光跟踪仪系统 (1) 1.1 激光跟踪仪系统的概述 (1) 1.2 激光跟踪仪系统的基本原理 (1) 1.2.1 系统的组成 (2) 1.2.2 激光跟踪仪系统的原理 (3) 2 分时多站式激光跟踪仪测量系统 (7) 2.1 引言 (7) 2.2 基于GPS多边形定位原理 (7) 2.3 分时测量的算法 (9) 2.3.1 激光跟踪仪基站的自标定 (9) 2.3.2 测量点坐标的标定 (10)
1 激光跟踪仪系统 1.1激光跟踪仪系统的概述 激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量，测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。SMART310是Leica公司在1990年生产的第一台激光跟踪仪，1993年Leica公司又推出了SMART310的第二代产品，其后，Leica公司还推出了LT/LTD系列的激光跟踪仪，以满足不同的工业生产需要。LTD系列的激光跟踪仪采用了Leica公司专利的绝对测距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在Leica统一的工业测量系统平台Axyz 下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模块和数字摄影测量模块等。激光跟踪系统在我国的应用始于1996年，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统；2005年上海盾构公司引进了Leica公司的一套LTD600跟踪测量系统，应用于三维管模的检测。 （a）API的激光跟踪仪(b) Leica的激光跟踪仪(c)Faro的激光跟踪仪 图1-1 API等公司生产的激光跟踪仪 1.2激光跟踪仪系统的基本原理 近年来，激光跟踪测量系统的应用领域在不断扩大，很多公司都相继推出了各自品牌的激光跟踪仪，但所有的激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成的。实验采用的是Leica AT 901 MR激光跟踪测量系统。
《图像检测、跟踪与识别技术》论文 论文题目： 图像检测、跟踪与识别技术与现代战争 专业：探测制导与控制技术 学号：35152129 姓名：刘孝孝
目标检测、跟踪与识别技术与现代战争 【摘要】本文讨论目标检测、跟踪与识别技术在现代战争各个领域中的应用，总结目标识别技术的发展方向，提出目标识别技术工程化实现方法，同时本文介绍了国外目标识别的现状及发展趋势，提出了现代战争应采用综合识别系统解决目标识别问题的建议。 关键词目标检测；目标跟踪；目标识别；雷达；人工神经网络；精确制导 1．引言 随着现代科学技术的飞速发展及其在军事领域内日益广泛的应用，传统的作战思想、作战方式已发生根本性的变化。从第一次海湾战争到科索沃战争，特别是刚刚结束的海湾战争，空中精确打击和空地一体化作战已经成为最重要的作战形式。集指挥、控制、通信、计算机、情报、监视侦察于一体的C ISR 已成为取得战场主动权，赢得最后胜利的关键因素。目标识别技术是雷达智能化、信息化的重要技术支撑手段。在现代化战争中，目标识别技术在预警探测、精确制导、战场指挥和侦察、敌我识别等军事领域都有广泛的应用前景，已受到了世界各国的关注。 现代战争中取得战场制信息权的关键之一是目标属性识别。现代战争的作战环境十分复杂，作战双方都在采用相应的伪装、隐蔽、欺骗和干扰等手段和技术，进行识别和反识别斗争。因此仅仅依靠一种或少数几种识别手段很难准确地进行目标识别，必须利用多个和多类传感器所收集到的多种目标属性信息，综合出准确的目标属性，进行目标检测，跟踪后进行识别。 2．目标检测、跟踪与识别技术在现代战争中的应用 2．1 目标检测、跟踪与识别技术在预警探测上的应用 目标检测、跟踪与识别技术对于弹道导弹的预警工作有重要的作用。弹道导弹一般携带多个弹头，其中可能包含核弹头或大规模杀伤的弹头以及常规弹头，预警雷达必须具备对目标进行分类和识别真假弹头的能力，将核弹头或大规模杀伤的弹头分离出来，为弹道导弹防御(BMD)系统进行目标攻击和火力分配提供依据。早期的BMD系统假设只有一个核弹头，多弹头分导技术的出现，使问题转化为雷达的多目标识别问题，加上电子对抗技术的广泛使用，给目标识别技术带来很大困难。另外，预警雷达还要对空中目标或低空目标进行探测，对来袭目标群进行分类识别。利用星载雷达以及远程光学望远镜等观测设备，可以对外空目标进行探测，对外空来袭目标进行分类和识别，达到早期预警的工作。 2．2 目标检测、跟踪与识别技术在精确制导上的应用 精确制导方式很多，包括主动式、半主动式和被动式寻的制导方式，通过设在精确制导武器
收稿日期:2005-06-01; 收修改稿日期:2005-09-07 天基空间目标探测技术探讨 谭莹 (武汉大学电子信息学院,武汉430079) 摘 要 天基空间目标探测系统可以在太空中近距离地对空间目标进行监视、跟踪和 识别,因而成为当前研究的热点。文章分析了国内外天基空间目标探测技术研究概况,对其发展趋势进行了探讨。 主题词 空间目标 天基监视跟踪系统 探测 1 引 言 目前国际上使用的空间目标的观测设备主要都是地面设备。地面观测设备由于不受体积和质量等限制,可以采用大口径天线来得到很高的空间分辨率,以及以很大的发射功率来获得很远的观测距离,所以仍然是目前空间目标观测的有力武器。但是地面设备也有其局限性,除了受仪器本身发展的限制外,观测过程中还受到大气传播抖动、蒙气差、电离闪烁等因素的影响,而且观测信号在大气中的衰减使其频率只能在较低的频率范围内选择,使得对小尺度的目标以及目标细节的观测受到限制。目前对于中小尺度的空间碎片在地面观测还是盲区,利用天基观测设备则可以有效地解决这些问题。而且对于高轨道上的空间目标的观测,利用天基探测设备更加有效,特别是对于对地观测有重要意义的地球同步轨道。随着微小卫星技术的发展,灵活多样的小卫星也为天基探测在大范围开展提供了支持,降低了天基观测的门槛[1]。 下面介绍国内外天基空间目标探测技术研究概况。 2 天基空间目标监视系统发展现状 为了克服地基系统的各种缺点,美国等航天大国部署了天基空间目标监视系统[2,3] 。该系统包 括一个专用天基传感器。它被称为天基可视传感器(S BV ,Space Based V isible )[4]。S BV 传感器在 1996年由弹道导弹防御组织(BMDO ,Ballistic m issile Defense Office )发射的中程空间实验(MSX,M id 2course Space Ex peri m ent )卫星运送至轨道。MSX 卫星的遥感器波长为016 μm ～26μm ,覆盖紫外到超长波红外谱段,另外还装有CCD 可见光遥感器。该卫星发射于1996年,用于跟踪导弹,完成原定使命后被用来加强“地基空间侦察系统”。 图1是安装在MSX 卫星上的天基可见光传感器,这是第一个天基空间探测传感器,由美国麻省理工学院林肯实验室设计和完成[5～10]。 美国正在研制的天基空间目标监视(S BSS,Space 2Based Space Surveillance )系统是美国为提高对空间目标监视、跟踪和识别能力,增强对空间战场态势的实时感知能力而研制的支持空间型天战武器装备。美国希望S BV 能够坚持到第一颗S BSS 卫星开始在太空中运转。5 2006年第3期 空间电子技术S PAC E ELEC TRON I C TECHNOLO GY
雷达目标识别发展趋势 雷达具备目标识别功能是智能化的表现，不妨参照人的认知过程，预测雷达目标识别技术的发展趋势： (1)综合目标识别 用于目标识别的雷达必将具备测量多种目标特征的手段，综合多种特征进行目标识别。我们人类认知某一事物时，可以通过观察、触摸、听、闻、尝，甚至做实验的方法认知，手段可谓丰富，确保了认知的正确性。 目标特征测量的每种手段会越来越精确，就如同弱视的人看东西，肯定没有正常人看得清楚，也就不能认知目标。 识别结果反馈给目标特征测量，使目标特征测量成为具有先验信息的测量，特征测量精度会有所提高，识别的准确程度也会相应提高。 雷达具备同时识别目标和背景的功能。人类在观察事物的时候，不仅看到了事物的本身，也看到了事物所处的环境。现有的雷达大多通过杂波抑制、干扰抑制等方法剔除了干扰和杂波，未来的雷达系统需要具备识别目标所处背景的能力，这些背景信息在战时也是有用的信息。 雷达具备自适应多层次综合目标识别能力。用于目标识别的雷达虽然需要具备测量多种目标特征的手段，但识别目标时不一定需要综合所有的特征，这一方面是因为雷达系统资源不允许，另一方面也是因为没有必要精确识别所有的目标。比如司机在开车时，视野中有很多目标，首先要评价哪几个目标有威胁，再粗分类一下，是行人还是汽车，最后再重点关注一下靠得太近、速度太快的是行人中的小孩子还是汽车中的大卡车。 (2)自学习功能 雷达在设计、实现、装备的过程中，即具备了设计师的基因，但除了优秀的基因之外，雷达还需要具有学习功能，才能在实战应用中逐渐成熟。 首先，要具有正确的学习方法，这是设计师赋予的。对于实际环境，雷达目标识别系统应该知道如何更新目标特征库、如何调整目标识别算法、如何发挥更好的识别性能。 其次，要人工辅助雷达目标识别系统进行学习，这就如同老师和学生的关系。在目标识别系统学习时，雷达观测已知类型的合作目标，雷达操作员为目标识别系统指出目标的类型，目标识别系统进行学习。同时还可以人为的创造复杂的电磁环境，使目标识别系统能更好地适应环境。 (3)多传感器融合识别 多传感器的融合识别必定会提高识别性能，这是毋容置疑的。这就好比大家坐下来一起讨论问题，总能讨论出一个好的结果，至少比一个人说的话更可信。但又不能是通过投票的方式，专家的话肯定比门外汉更有说服力。多传感器融合识别需要具备双向作用的能力。 并不是给出融合识别的结果就结束了，而是要利用融合识别的结果反过来提高各个传感器的识别性能，这才是融合识别的根本目的所在。反向作用在一定程度上降低了人工辅助来训练目标识别系统的必要性，也减少了分别进行目标识别试验的总成本。
近空间目标探测技术的分析与展望 解放军信息工程大学信息工程学院通信工程系 吴 江 [摘 要]近空间飞行器以其独特的优势成为当前军事通信与侦察研究的热点之一,对近空间目标的探测问题成为新的研究方向。文中介绍了近空间飞行目标的主要类型和目标探测的特殊性,讨论了可以利用的主要探测手段,指出基于电磁波辐射的无源探测是较有发展前景的近空间探测类型,并对其关键问题和重点研究方向进行了总结和展望。[关键词]近空间飞行器 目标探测 定位 无源探测 1.引言 近空间(near space)是指介于普通航空飞机的飞行空间和航天器轨道空间之间的区域,这一空间区域的高度处于目前绝大多数防空导弹杀伤区之外[1]。近空间飞行器具有可长时间执行任务、可保持在目标地域上空等优点,它们提供与卫星相似的功能,但与卫星相比部署快、造价低、机动性强、在对地观测时有距离优势,并且在执行情报搜集和通信中继任务时可实现广域覆盖[2]。在美军“2006年联合远征部队试验”作战演习中,作战气球Com bat SkySat为改善地面通信能力发挥了重要作用,验证了近空间的实战应用价值[3]。近空间飞行器系统成为一项新兴的增进通信、情报、监视、侦察能力的技术手段,它必将会在未来局部战场大显身手,因而近空间及相应的飞行器系统成为最新的军事技术研究热点之一。 新的空间作战领域的开发给目标探测带来了新的课题,即如何对近空间飞行目标进行探测的问题。近空间处于无管制空域,对目前的防空监视系统来说近乎盲区[4],未来越来越多的飞行器在该空域的活动将对其它主权国家的信息安全和国土防卫带来严重威胁。探索对近空间飞行目标的定位、跟踪和识别的技术方法势在必行。 2.近空间目标特征 2.1近空间飞行器的主要类型 目前已知的可用于近空间的飞行器系统的类型有高空气球、无人机、飞艇和一些新型飞行器。 自由漂浮式高空气球应用于气象和科学实验的实践由来已久,但对其军事价值的开发才刚刚开始,Com bat SkySat就是一种携带信号转发装置的高空气球,它完成了近空间应用的概念演示[3]。气球的主要缺点是它对天气过于敏感,用途受到了限制。然而高空气球毕竟是最为廉价的近空间飞行器,如果能解决快速部署、定向漂移、姿态控制等问题,它将是性价比极高的近空间飞行器类型。 典型的高空无人机是美国诺斯罗普?格鲁门公司的RQ-4“全球鹰”(Global H aw k),该机的使用高度为19.8～20千米,处于近空间最底层。它的翼展35.4米超过波音747飞机,长13.5米,最大飞行速度644千米 小时,最大起飞重量11622千克。美军方认为,与气球或飞艇相比,高空长航时无人机是美空军在近期内,利用“近空间”这一尚未全面、系统地开发和利用的空域,执行持久高空监视,情报搜集和通信中继等任务的最好选择[4]。到2010年之前,它在执行高空持久任务方面将成为低轨道侦察卫星可行的替代手段。 高空飞艇是悬浮式飞行,所需动力较小,利于长航时工作。姿态可控性使飞艇容易保持在某一固定地域上空。但目前还需要等待有关技术取得进步后才具备可行性。高空飞艇是一种很有前景的近空间飞行器选择。 2.2近空间目标的探测条件 (1)特殊的工作高度 近空间高度范围为19.8～100千米,包括大部分平流层,全部中间层和部分电离层。这一高度给针对航空目标进行探测的现有系统带来了新的困难。在近空间内除飞行器自身的电磁辐射外,还存在GPS等导航卫星信号、通信卫星信号、短波信号、对空雷达信号等电磁能量。对近空间电磁环境影响最大的是高度为50～1000千米以上的电离层。电离层含盖了近空间较高的大部分空域,它以多种方式影响电波传播,从而影响探测信号。对于陆基和空基探测平台,来自目标的电磁波还会受到对流层折射与散射的影响[5],给目标定位带来一定误差。 (2)大部分飞行器为低速运动目标 除无人机外,与传统的航空器相比近空间飞行器在工作时移动速度比较慢,甚至保持对地静止。这是因为气球、飞艇等利用空气浮力的飞行器难以达到较高飞行速度,而且在局部应用中往往需要保持对某一地域的持续照射。这使得定位跟踪问题可以得到一定程度的简化,但也限制了基于多普勒频率检测的目标探测方法的应用。 (3)空间径度较大 为在空气极其稀薄的高度获得满足实用的有效负荷,近空间飞行器的体积远超过了普通的航空器,这使目标对外部电磁辐射产生反射的机会增大,即其雷达散射截面(RCS)较大,这对目标探测来说是一个有利因素。 3.对近空间目标的探测手段 由于高度和天候因素影响,基于地面和空中光学系统的探测比较困难。近空间目标多采用太阳能供电,与飞机或导弹目标相比,也难以用红外探测系统达到较好效果。利用电磁波探测目标的技术具有作用距离远、受天候影响小、技术相对成熟、系统造价较低等优点。考虑到近空间飞行器的特征,电磁探测将是近空间目标探测的主流技术方向。 在现代雷达中,有源雷达占据了主导地位,近年来推广和应用了各种新技术。然而传统雷达的有源探测体制有其固有的弱点,首先,为了实现对近空间目标的观测,必须大幅度增加信号发射功率,势必需要巨大的能耗;其次,由于主动发射大功率探测信号,对于有侦察能力的近空间飞行器来说无异于自我暴露。现代电子对抗技术的发展要求军用探测系统应尽量采用无源(被动式)技术,以避免为敌方提供稳健的定位信息源,同时达到自身隐藏的目的。这种探测系统由于本身不向空间发射电磁波,故隐蔽性、抗干扰性好,可靠性、性价比高,有不少已形成装备,在防务体系中起到了重要的作用[6]。 近空间飞行器担负的重要任务是通信中继、实时侦察等,在工作过程中一般会向外界发射通信信号或探测信号。由于在近空间高度发射信号的广域覆盖性,探测平台可利用目标辐射的信号对其定位和跟踪。无源探测一般不能获得辐射源的距离信息,定位的实现方法通常可采用单个运动的平台对辐射源的参数进行连续测量,或用多站平台同时测量辐射源的角度或信号到达时间差来完成。当飞行器处于静默期、探测平台处于其通信覆盖区域之外或飞行器本身是无能量辐射的侦察类应用时,可利用近空间存在的其它电磁波作为照射源对其进行定位、跟踪和识别。这类技术所用的外辐射源主要有调频广播和电视信号、空间卫星下行信号和其它主动式雷达照射信号。目前利用外辐射源进行目标探测的研究方兴未艾,其主流技术有多种,如借鉴双基地雷达技术的探测法、无源相干定位法、基于阵列天线的定位法等[7]。考虑到反侦察的需求,近空间飞行器的通信方式将较多采用突发、短时信号,信号的发射也将具有指向性,甚至可能 — 6 1 —