专利名称：星对星sal成像中跟瞄光束偏移修正方法
技术领域：
本发明涉及激光合成孔径成像领域，尤其是一种星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法。
背景技术：
合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Radar, SAL)是合成孔径成像技术在光波段的扩展，可以弥补雷达波段合成孔径成像分辨率低的不足。目前SAL成像技术已经从实验室研究走向了实用化阶段，这为实施高分辨率、远距离目标立体成像侦察提供了一种潜在的手段。星载SAL所使用的相干探测技术除了能够检测直接探测所能检测的信息之外，还检测回波信号内部的相位、频率、频移等信息。星载SAL在承袭了相干探测的优势的基础上，通过引入合成孔径技术进一步提高了分辨率，这是其他遥感成像技术所不能比拟的。星载合成孔径激光雷达对星成像在跟瞄方面的问题有激光光束窄、发散角小；传输距离远、光能损失大、探测器接收光信号微弱；存在太阳、月亮、星体等背景光的干扰；卫星平台扰动影响瞄准精度。此外，星对星SAL成像时，由于目标星的非合作性，两星相对运动并不总能准确预测；成像目标和时机不易掌控，跟瞄系统不仅要负责精确瞄准和跟踪目标，必要时还应成为成像时机决策和相位误差补偿的辅助手段。星际激光链路的跟瞄系统的研究广泛而深入，瞄准精度和响应速度得到不断提高，但星对星SAL聚束模式成像中由于非目标星影响导致的光束指向偏移误差及其解决方案却鲜见公开报道。在星对星SAL成像中的严重的光束指向偏移，会导致SAL视线中心脱离目标，进而降低回波强度同时造成难以补偿的相位误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够降低跟瞄误差、保证在非目标星影响下顺利实施对目标成像的星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法。为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案一种星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，该方法包括下列顺序的步骤( I)利用探测器对目标实施跟踪，实时检测目标运动的角方位和速度；(2)对获取的目标运动角方位曲线进行小波变换，检测目标运行中的奇异点，判断是否有非目标星体导致的光束偏移出现，若判断结果为是，则利用卡尔曼滤波算法进行滤波，通过最小二乘曲线拟合出最小二乘拟合多项式，启动记忆跟踪程式，在记忆跟踪条件下对目标实施成像；否则，返回步骤(I)；(3)在记忆跟踪下对目标成像的过程中，继续对探测器获取的位置偏差信息进行处理，直到检测非目标星移出视场，恢复正常跟踪。由上述技术方案可知，本发明利用目标运动轨迹中的突变点即奇异点，检测出非理想光束偏移，可对偏移进行有效抑制或修正；利用自适应卡尔曼滤波，通过最小二乘曲线拟合对目标运动轨迹进行跟踪和预测，可获得较精确的目标运动方程；在检测出非理想跟瞄光束偏移后，通过启动记忆跟踪方式，可避免跟瞄系统丢失目标，保证探测过程正常进行。总之，本发明能够解决跟瞄光束由于易受干扰而偏移的问题、实现了光束偏移实时检测和修正。
图I为本发明的工作流程图；图2为跟瞄光束偏移检测仿真图；图3为目标运动的最小二乘曲线拟合仿真图。
具体实施例方式一种星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，该方法包括下列顺序的步骤
第一步利用探测器对目标实施跟踪，实时检测目标运动的角方位和速度，所述的探测器采用四象限探测器；第二步对获取的目标运动角方位曲线进行小波变换，检测目标运行中的奇异点，在检测处目标运行中的奇异点后，结合探测器总能量的变化，判断是否有非目标星体导致的光束偏移出现，若判断结果为是，则利用卡尔曼滤波算法进行滤波，通过最小二乘曲线拟合出最小二乘拟合多项式，启动记忆跟踪程式，在记忆跟踪条件下对目标实施成像；否则，返回步骤(I)。最小二乘拟合多项式是曲线拟合技术中比较经典且效率很高的算法，根据雷达反射波获取的离散的随时间不断变化的目标距离、方位等定位数据拟合出目标运动航迹，非常适合星间运动的轨迹预测。记忆跟踪程式是在雷达跟丢目标时，仍然按照前一阶段的数据来推测当前目标的位置和轨迹，以避免彻底丢失目标，降低了重新捕获所需时间。最小二乘拟合将能够获得“记忆跟踪”所必须的“预测轨迹”，而且算法简练，精度较高。a)通过小波变换进行奇异点检测，是先将信号x(t)在不同尺度上用一个平滑函数Θ (t)进行平滑处理，然后再对信号x(t)的一阶导数或二阶导数进行分析以检测出其信号突变位置。Θ (t)为平滑函数，其作用是通过与信号x(t)进行卷积运算后衰减高频信息，而不改变低频部分，工程中常用的平滑函数是Gauss函数。采用奇异点检测这种方式可以实时检测因光束偏移造成的运动曲线突变，进而判断出非目标星造成的光束偏移。下面使用db4小波进行2层分解，然后分别对分解的第2层低频系数、第2层到第I层的高频系数进行重构，结果如图2所示。图2中dl图可看出非目标星出现时，目标运动轨迹上检测出奇异点，更进一步仿真结果表明对目标跟踪时，采样率越高，检出的奇异点越明显；两星距离越近、非目标星回波越强，越容易检测出奇异点；非目标星从视场外侵入比从目标背后出现更易检出奇异点。b)所述的卡尔曼滤波算法如下X (k+1) = F (k) X (k) +w (k)(I)z (k) = H(k)X(k)+u (k)(2)式中X(k)为当前时刻的方位滤波值；F(k)为系统参数；X(k-l)为前一时刻的方位测量值；w(k)为白噪声采样；z(k)为当前时刻的方位预测值；H(k)为测量因子；u(k)为均值为O、方差为勺白噪声；设{ζ (O)，ζ (I)，…，ζ (k)，…}是从O时刻开始的所有观测值的集合，则根据射影理论，最优估计i'O I-I)是X (t)在由{ζ(0),ζ(1),…，Z (k-ι)}形成的线性流形L (ζ (O),z(l), ···, ζ (k-Ι))上的射影X (t 11-1) = pro j (X (k) | ζ (0), ζ (I), . . . , ζ (k~l))(3)可以看出Kalman滤波的每一步的最优估计，都和当前时刻k以前的所有观测值有关。随着跟踪的进行，会获得越来越多的观测值，例如获得了 500组观测值，则最近的20个观测值即便有较大的变化，但在整个观测集合中得不到迅速体现，所以Kalman滤波器对运动变化不敏感，这种特性增强了 Kalman滤波器的抗抖动干扰的能力。同时，非目标星侵入带来的轨迹突变被Kalman滤波器平滑了，增加了检测的难度。使用卡尔曼滤波是为了对已经测得的目标航迹进行平滑，去抖，从而保证下一步骤中的最小二乘拟合和航迹预测有最可靠的原始数据。但卡尔曼滤波本身的优势同时会对航迹中的突变检测带来困难，这是个矛盾，解决方法是1、卡尔曼滤波在奇异点检测之后进行；2、即便是跟瞄前期也有自适应卡尔曼滤波，小波分析方法仍然能够检测出大部分的非目标星干扰。c)由于星对星SAL成像中两星相对运动轨迹受到各自轨道的约束,其相对运动轨迹是可以用解析式表达的。虽然在非合作目标探测中这种解析式难以获取，但相对运动的轨迹相对较稳定、平滑。鉴于此，可以从测量数据出发，寻找变量间的函数关系式，利用最小二乘曲线拟合去构造一个近似解析式，充分逼近样本点之间的内在数量关系，以获得较准确的轨迹预测，满足受影响时采取记忆跟踪锁定真实目标。最小二乘曲线拟合的原理为对于给定数据点{(xi，yi)}(i = l，2，3，...，m)，首先设定η (假定m>n)次多项式Pn (x)为
权利要求
1.一种星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，该方法包括下列顺序的步骤 (1)利用探测器对目标实施跟踪，实时检测目标运动的角方位和速度； (2)对获取的目标运动角方位曲线进行小波变换，检测目标运行中的奇异点，判断是否有非目标星体导致的光束偏移出现，若判断结果为是，则利用卡尔曼滤波算法进行滤波，通过最小二乘曲线拟合出最小二乘拟合多项式，启动记忆跟踪程式，在记忆跟踪条件下对目标实施成像；否则，返回步骤(I)； (3)在记忆跟踪下对目标成像的过程中，继续对探测器获取的位置偏差信息进行处理，直到检测非目标星移出视场，恢复正常跟踪。
2.根据权利要求I所述的星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，其特征在于所述的探测器采用四象限探测器。
3.根据权利要求I所述的星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，其特征在于通过小波变换进行奇异点检测，是先将信号x(t)在不同尺度上用一个平滑函数θ (t)进行平滑处理，然后再对信号x(t)的一阶导数或二阶导数进行分析以检测出其信号突变位置。
4.根据权利要求I所述的星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，其特征在于所述的卡尔曼滤波算法如下
5.根据权利要求I所述的星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，其特征在于 最小二乘曲线拟合的原理为对于给定数据点{(xi, yi)} (i = 1，2，3，...，m)，首先设定η (假定m>n)次多项式Pn (x)为那么多项式Pn(x)须满足五=|_[巧(+)-兄]2}2 =min，为了方便计算，考虑
6.根据权利要求I所述的星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，其特征在于在检测处目标运行中的奇异点后，结合探测器总能量的变化，判定是否有非目标星体导致的光束偏移出现。
全文摘要
本发明涉及一种星对星SAL成像中跟瞄光束偏移修正方法，该方法包括下列顺序的步骤利用探测器对目标实施跟踪，实时检测目标运动的角方位和速度；对获取的目标运动角方位曲线进行小波变换，检测目标运行中的奇异点，判断是否有非目标星体导致的光束偏移出现，若判断结果为是，则利用卡尔曼滤波算法进行滤波，通过最小二乘曲线拟合出最小二乘拟合多项式，启动记忆跟踪程式，在记忆跟踪条件下对目标实施成像；否则，返回第一步；在记忆跟踪下对目标成像的过程中，继续对探测器获取的位置偏差信息进行处理，直到检测非目标星移出视场，恢复正常跟踪。本发明能够解决跟瞄光束由于易受干扰而偏移的问题、实现了光束偏移实时检测和修正。
文档编号G01S7/497GK102721968SQ20121020864
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者孙杜娟, 李今明, 李政, 王勇, 石亮, 胡以华, 赵楠翔, 郝士琦, 雷武虎 申请人:中国人民解放军电子工程学院