本发明涉及激光漫反射测距领域，特别涉及一种微弱回波光子信号实时处理方法。
背景技术：
：卫星激光测距(SatelliteLaserRanging，SLR)是空间目标测量中精度最高的技术之一，其测量精度已达到毫米级。常规激光测距的对象是装有角反射器的合作式空间目标。当探测目标为非合作目标，如空间碎片，采用漫反射激光回波进行测距时，由于空间碎片反射面积小，漫反射的回波光子数少，探测的异常值较多，信噪比较低；或者当探测目标为深空的合作目标时，因为距离远，同样面临探测的异常值较多，信噪比较低的问题。目前常用的回波光子数据处理方法有以下几种：一、人工屏幕处理方法，该方法精度高，对弱信号的适应性好，但依赖于判读人员经验，检测效率及自动化程度低。二、快速回波辨识方法，该方法具有快速、有效的特点，对低轨卫星有很高的探测概率(接近100％)，但对于高轨卫星探测成功率比较低(在1％以下)。三、相关检测方法，该方法原理简单，但距离窗大小、门限阈值、天气状况对探测效果影响较大。四、针对低信噪比信号的N/M(M＞N)检测方法,该方法适应性好，但存在处理过程计算量较大，无法满足实时性要求的不足。五、泊松(Poisson)统计滤波方法，该方法是目前月球激光测距(LunarLaserRanging,LLR)和卫星激光测距采用的主流方法，澳大利亚斯特龙罗山天文台(MtStromloObservatory)站应用泊松统计滤波方法实现了无人职守的全自动回波信号的处理，但该方法的检测结果受泊松统计滤波影响较大。目前，采用上述现有的回波光子处理方法对于低信噪比的回波光子信号难以同时实现高精度和实时的数据处理。技术实现要素：有鉴于上述现有技术所存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种回 波光子信号实时处理方法，使其克服回波光子信号信噪比低、异常观测值多，能在提高低信噪比回波光子信号的处理精度的同时进行实时处理。为了实现上述目的，依据本发明提出的一种回波光子信号实时处理方法，其中包括以下步骤：能量积累检测步骤，包括回波光子信号压缩处理，运动补偿积累，每步滑动、找出有效光子及其O-C值(测量值-引导值)；及时间相关检测步骤，包括初步处理，抗差估计处理、迭代处理和数据输出。本发明还可采用以下技术措施进一步实现。前述的回波光子信号实时处理方法，其中所述能量积累检测步骤，根据目标参考轨道数据对回波光子信号进行压缩处理，将回波光子能量集中到同一个波门内，在能量积累检测窗口采用运动补偿积累的方法找出若干个有效回波光子，逐个检测，获得每个有效回波光子的O-C值。前述的回波光子信号实时处理方法，其中所述初步处理，是利用所述有效回波光子的O-C值拟合为初始多项式函数g,并获得当前时刻预测值，通过预测值与测量值比较确定当前时刻测量值是否为有效值。前述的回波光子信号实时处理方法，其中所述抗差估计处理，是以初步处理步骤确定的有效值和能量积累检测步骤获得的每个有效回波光子的O-C值为基础拟合多项式函数g，获得估计残差序列，再利用抗差估计重新估计初始多项式函数g′进行二次检测，确定当前时刻测量值是否为有效值并输出有效值。前述的回波光子信号实时处理方法，其中所述迭代处理，是当确定当前时刻测量值为有效值后，在有效序列中增加当前时刻的有效序列值，并去掉最旧的有效序列值，采用迭代方法重复初步处理步骤和抗差估计处理步骤，完成整个处理过程。前述的回波光子信号实时处理方法，其中将经过迭代处理的数据进行数据输出。前述的回波光子信号实时处理方法，其中所述有效回波光子的个数为2/信噪比。前述的回波光子信号实时处理方法，其中所述有效回波光子的个数可根据目标的信噪比自适应选取。本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案,本发明的回波光子信号实时处理方法，至少具有下列优点：一、本发明的回波光子信号实时处理方法，通过对检测的回波光子进行运动补偿和抗差估计处理，能够有效的抑制噪声的影响，提高实时有效回波检测的概率。二、本发明的回波光子信号实时处理方法，能在提高低信噪比回波光子信号的处理精度的同时进行实时处理。附图说明图1是本发明回波信号光子实时处理方法步骤示意图。图2是本发明回波信号光子实时处理方法回波光子积累示意图。图3是本发明回波信号光子实时处理方法一个实施例处理目标10517的处理结果示意图。图4是本发明回波信号光子实时处理方法一个实施例处理目标17590的处理结果示意图。图5是本发明回波信号光子实时处理方法一个实施例处理目标23769的处理结果示意图。具体实施方式为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的回波光子信号实时处理方法其具体实施方式、步骤、结构、特征及其功效详细说明。请参阅图1所示，是本发明回波光子信号实时处理方法步骤示意图。本发明回波光子信号实时处理方法包括能量积累检测步骤S1和时间相关检测步骤S2。其中能量积累检测步骤S1包括两个处理过程，即回波光子信号运动补偿积累S11、每步滑动找出有效光子及其O-C值S12；时间相关检测步骤S2包括四个处理过程，即初步处理S21、抗差估计处理S22、迭代处理S23和数据输出S24,其中O-C表示测量值减去引导值,其中测量值指回波光子产生的时刻时延τk，引导值指目标参考轨道转化的时延优选的，能量积累检测步骤S1中，根据目标参考轨道数据对回波信号进行运动补偿积累，将回波光子能量集中到同一个回波波门内，在能量积累检测窗口M中，找出p个有效回波光子，其中p<M，将窗口向前滑动，逐个检测，获得m个有效回波的O-C值，用于后续的时间相关检测。优选的，能量积累检测步骤S1中，运动补偿积累优选为从参考轨道出发来实现运动补偿。请参阅图2所示，根据参考轨道数据，得到各脉冲发射时刻tk测量目标相对激光的径向距离并转化为相应的时延再根据时延产生回波光子采集回波波门Mk，回波波门Mk中心时刻对应时延实际测量中，回波光子产生的时刻时延τk与目标参考轨道转化的时延存在时延误差如式1所示：τ^k=τk-t^k∈(-TG/2TG/2)]]>………………式1其中，TG为波门宽度。取积累区间内某个回波光子信号作为基准信号,本优选实施例中选择第一个回波为基准信号，其他回波光子通过运动补偿与其对齐。优选方法如下：设能量积累窗口内的轨道满足状态方程如式2所示：Xk＝Φk,1(X1)+Wk………………式2其中，X1和Xk为t1和tk时刻的状态向量，Φk,1为状态转移函数，Wk为状态噪声向量，又设tk时刻的观测模型如式3所示：τk＝h(Xk)+εk………………式3其中，h(Xk)=2(ΔXk)2+(ΔYk)2+(ΔZk)2]]>ΔXk＝X(tk)-X0ΔYk＝Y(tk)-Y0ΔZk＝Z(tk)-Z0其中，τk为tk时刻的观测量，εk分别为观测量的随机误差，X(tk),Y(tk),Z(tk)为tk时刻目标的位置；X0,Y0,Z0为激光测站的位置。令xk＝Xk-Xk*，Xk*为tk时刻参考轨道的状态向量，则时延误差如式4所示：Δτ^k=τk-τ^k=h(Xk)-h(Xk*)=∂h∂X|xkxk+ϵk]]>=HkΦ(tk,t1)x1+ϵk]]>………………式4其中，Hk＝2[a1(k)a2(k)a3(k)]a1(k)=ΔXk/Rka2(k)=ΔYk/Rka3(k)=ΔZk/Rk,]]>Rk=(ΔXk)2+(ΔYk)2+(ΔZk)2]]>由此可得时延误差如式5所示：Δτ^1=τ1-τ^1=H1Φ(t1,t1)x1+ϵ1=H1x1+ϵ1]]>………………式5忽略随机误差的影响，则则时延误差如式6所示：Δτ^k=HkΦ(tk,t1)H1-1Δτ^1+ϵk]]>………………式6因此，HkΦ(tk,t1)H1-1就是t1时刻的观测量到tk时刻的运动补偿因子。如果tk时刻和t1时刻为同一目标测量值，则tk时刻补偿之后的值应在t1时刻测量值的邻域内。运动补偿积累步骤S11中，判断误差门限δ的优选方法如下所述：参考轨道的误差会对光子的能量积累产生影响，本发明中将参考轨道数据的误差分为径向速度误差、径向加速度误差和角度误差，其中角度误差分为方位角误差和俯仰角误差。当角度误差较大时，目标可能不处于激光照射范围内，影响目标的捕获，但对积累误差没有影响。由此只需分析参考轨道的径向速度误差、径向加速度误差对积累的影响。假设目标状态转移矩阵Φ(tk,t1)符合二阶运动模型，且参考轨道数据的径向距离近似为匀加速变化，则如式7所示：R^k≈R^1+v^1·ΔTk+a^1·(ΔTk)2/2]]>………………式7其中，ΔTk＝tk-t1，分别为t1时刻参考轨道的径向速度和径向加速度。将tk时刻的测量积累到t1时刻，则：R^1≈R^k-v^1·ΔTk-a^1·(ΔTk)2/2]]>R1≈Rk-v1·ΔTk-a1·(ΔTk)2/2R^1-R1≈R^k-Rk-(v^1-v1)·ΔTk-(a^1-a1)·(ΔTk)2/2]]>=R^n-Rn-Δv1·ΔTn-Δa1·ΔTn2/2]]>………………式8其中，v1、a1分别为t1时刻实际轨道的径向速度和径向加速度。因此，如果tk时刻和t1时刻为同一目标测量值，其补偿后的误差门限δ满足：δ<|Δv1·ΔTk+Δa1·ΔTk2/2|]]>………………式9当积累区间较短时，一阶量是主要因素，可忽略加速度的影响，误差 门限δ可近似为如式10所示，δ＜|Δv|ΔT………………式10通过判断能量积累检测窗口M中不同时刻测量值补偿到t1时刻的误差门限，找出p个有效回波光子，其中p<M。将窗口向前滑动，逐个检测，获得m个有效回波的O-C值，用于多项式拟合。时间相关检测步骤S2中，初步处理步骤S21优选实施方法如下：基于目标运动的连续性，激光回波的测量时间在时间序列上具有相关性，分析表明，在较短的时间内，O-C值可以用一次多项式表示。此时tk时刻的时延误差可以表示成方程式11：Δτ^k=τ^k-τk=g(tk)=a+btk=1tkab]]>………………式11则，m个时刻方程联立并用矩阵形式表示为如式12所示：Δτ^1Δτ^2···Δτ^m=1t11t2······1tmab]]>………………式12根据最小二乘原理，可得多项式的系数的估值如式13所示：a＝(TTP-1T)-1TTP-1Y………………式13其中，a=ab,Y=Δτ^1Δτ^2···Δτ^m,T=1t11t2······1tm,P0=Im]]>(m阶单位阵)在此采用拟合多项式来检测新测量回波的有效性。优选的，初步处理步骤S21中，以tk时刻前m个有效测量为例，拟合后的多项式函数为g，预报tk时刻测量值g(tk)，则预报误差δvk为式14所示：δvk=τ^k-g(tk)]]>………………式14当|δvk|＜δk，δk为门限值，一般取则认为tk时刻测量值为有效点，否则为异常值。时间相关检测步骤S2中，抗差估计处理步骤S22优选实施方法如下：为提高实时检测的可靠性，采用抗差估计的方法，对实时测量值进行二次检测。由于每次观测都是相互独立的，设计能够适应具有淘汰区的抗差权如 式15所示：ψ(vk)=v‾k|v‾k|≤k0k0sign(v‾k)k0<|v‾k|≤k10|v‾k|>k1]]>………………式15w(vk)=1|v‾k|≤k0k0/|v‾k|k0<|v‾k|≤k10|v‾k|>k1]]>………………式16其中，w表示抗差权因子，其中，方差k0可取1.5～3.0，k1可取2.5～5.0。采用抗差估计得多项式的系数如式17所示：a=(TTP‾-1T)-1TTP‾-1Y]]>………………式17其中，当w(vk)＝0时，则剔除对应时刻的测量值后，重新估计方差如式18所示：σk=1N-mΣk=1N-mvk2]]>………………式18用于后续窗口的检测。优选的，抗差估计处理步骤S22中，如果tk时刻测量值为有效点，将其加入前面m个有效测量值中，重新拟合多项式函数g′进行二次检测，求得估计残差序列δv′k如式19所示：δvk′=τ^k-g′(tk)]]>………………式19当|δv'k|＜δ′k，δ′k为门限值，一般取3σk,则认为tk时刻测量值为有效点，否则为异常值。优选的，迭代处理步骤S23中，当确定抗差估计处理S22的tk时刻测量值为有效回波光子后，将该有效回波光子数据输出S24，同时在有效序列中增加tk时刻的有效序列并去掉最旧的有效数据采用迭代方法重复初步处理S21和抗差估计处理S22，完成整个序列的检测。为验证算法的精度和可靠性，以云南天文台漫反射激光测距系统为例，选取了一些体积较大的火箭残骸进行实际测量，激光器能量为3.4J，脉冲频率为10hz。实施例中的约束条件：以当天的TLE轨道根数作为参考轨道。能量积累窗口M＝20(补偿门限内的光子数>2)，多项式拟合窗口n＝9。实施例一2011年1月24日，进行了第一次试验，目标10517是尺寸为6.4m×2.0m的残骸，在148s的观测时段内，共观测到1004个测量数据，其中有效点73个，信噪比为1/14。请参阅图3所示，是本发明回波信号光子实时处理方法一个实施例处理目标10517的处理结果示意图，其中a是测量值，b是实时处理结果，c是事后处理结果。实施例二2011年1月25日，进行了第二次试验，目标17590是尺寸为10.4m×3.9m的残骸，在148s的观测时段内，共观测到1141个测量数据，其中有效点75个，信噪比为1/15。请参阅图4所示，是本发明回波信号光子实时处理方法一个实施例处理目标17590的处理结果示意图，其中a是测量值，b是实时处理结果，c是事后处理结果。实施例三2011年2月5日，进行了第三次试验，目标23769是尺寸为5.9m×2.4m的残骸，在127s的观测时段内，共观测到547个测量数据，其中有效点60个，信噪比近似为1/10。请参阅图5所示，是本发明回波信号光子实时处理方法一个实施例处理目标23769的处理结果示意图，其中a是测量值，b是实时处理结果，c是事后处理结果。表1.本申请方法和对比方法统计结果上述三个实施例的统计结果如表1所示，可以看出该申请方法利用目标的轨道特性，通过运动补偿实现了回波光子能量积累的初检测；基于有效测量值误差符合多项式模型的特性，引入滑动多项式的迭代抗差估计，提高了实时有效回波检测的概率，降低了错误检测的概率。利用云南天文台的多次实测数据进行了试验，通过对比实时检测结果与事后结果：该方法在有效测量值连续的情况下(<2s)，基本可以实现准确的实时检测；当有效测量值稀疏时，错误检测的概率则会有所增加，当测量信噪比在1/15以内，实时检测概率均优于90％，信噪比比原始测量值提高30倍以上。由此，本方法对漫反射测距这种低信噪比的测量数据，能够有效的抑制噪声 影响，很大层面上解决了当前漫反射激光测距的实时信号检测问题。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明实施的范围，依据本发明的权利要求书及说明内容所作的简单的等效变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。当前第1页1 2 3