基于激光反射层析重构的空间碎片质心探测方法

With the rapid development of space technology, space debris type space junk accumulates and poses a great threat to the safety of on orbit spacecraft. Therefore, the detection, identification and cleanup technology of space debris are getting more and more attention from the relevant departments of various countries. At present, centimeter-level space debris, which pose a greater threat to spacecraft, mainly uses high-power laser propulsion cleaning methods. This not only requires accurate positioning of debris but also high-precision detection of its centroid position. The traditional space debris centroid detection method is limited by the long-range resolution of the imaging means, and it is difficult to achieve centroid detection accuracy on the order of centimeter or millimeter. Laser reflection tomography with resolution and distance has nothing to do, the echo signal contains a large number of target information features, at this stage can achieve long-range high-precision debris center of mass detection of the most potential means. Based on the principle of laser reflection tomography, combined with the centroid feature and motion law of space debris, the paper explores the detection mode of space centroid of laser reflection tomography, analyzes the influence factors of laser echo modulation and deconvolution algorithm, and establishes the reconstruction of centroid of typical debris target Methods and carry out experimental research, analysis of the accuracy of detection center of mass. In the end, a new high-precision detection method of centroid of space debris is obtained, which provides technical support for high-power laser cleaning of centimeter-scale debris.

随着空间技术的快速发展，空间碎片式太空垃圾不断累积，对在轨航天器的安全产生了很大威胁，因此对于空间碎片的探测识别和清理技术越来越受到各国有关部门的重视。目前对航天器构成较大威胁的厘米级空间碎片主要采用大功率激光推进清理的方式，这不但要求对碎片准确定位还要求高精度探测其质心位置。传统的空间碎片质心探测方法受限于成像手段的远距离分辨率，难以达到亚厘米甚至毫米量级的质心探测精度。激光反射层析具有分辨率与距离无关、回波信号包含大量目标信息的特点，是现阶段可实现远距离高精度碎片质心探测的最具潜力手段。本项目基于激光反射层析原理，结合空间碎片质心特征和运动规律，探讨激光反射层析空间碎片质心探测模式，分析激光回波调制影响因素与解卷积算法，建立典型碎片目标的质心重构方法并开展实验研究，分析质心探测精度。最终得到一种新型空间碎片质心高精度探测方法，为实现厘米级碎片的大功率激光清理提供技术支撑。

厘米级空间碎片由于数目较多难以主动规避、预警，已经对在轨航天器形成很大威胁。目前，对于这类空间碎片清理的一种有效措施是大功率激光清除，而空间碎片的精确定位和碎片质心距离的高精度测量是其中的关键。作为一种新型远距离、高分辨率的成像方法，激光反射层析具有成像分辨率与探测距离无关的优势，是远距离空间暗目标探测的有效途径。围绕本项目的研究内容和研究目标，课题组主要开展了以下三个方面的研究：.1） 基于激光反射层析重构的空间碎片质心探测模式研究.2） 激光反射层析重构中的激光回波解卷积算法研究.3） 碎片目标的质心重构方法研究.通过上述研究取得了以下重要结果：.1） 建立了激光反射层析回波波形仿真模型，分析其调制因素.2） 设计构建激光反射层析实验平台，并开展距离1 km的激光反射层析实验.3） 结合激光反射层析体制和图像轮廓特点，提出多角度回波波形配准方法.4） 根据回波波形调制因素，对典型目标和发射脉冲提出相应有效的回波解卷积算法.5） 通过对激光反射层析成像重建图像进行解算，提出碎片质心重构方法.6） 最终得到远距离质心确定方案，并形成百公里厘米级碎片质心探测方案.课题组在研究中获取和反演的关键数据包括：.1） 典型空间碎片目标激光反射层析回波波形仿真数据集，用于分析回波波形调制因素和论证百公里厘米级碎片质心探测可行性.2） 典型空间碎片目标1 km激光反射层析实验回波波形数据集，用于验证多角度回波波形配准和回波波形解卷积算法.3） 基于回波波形解卷积算法反演得到的典型空间碎片目标反射率分布数据，用于实现目标图像重构和验证质心重构算法.4） 基于质心距离估计方法获取的典型空间碎片目标质心距离数据，用于分析质心定位精度影响因素.本项目取得的这些成果，包括多角度回波波形配准算法、回波解卷积算法、质心重构算法和构建的激光反射层析实验平台等，验证了星载百公里厘米级碎片质心探测的可行性，为百公里级星载激光反射层析技术的实现奠定了基础。最终得到一种新型空间碎片质心高精度探测方法，为实现厘米级碎片的大功率激光清理提供技术支撑。