地基光电望远镜对空间碎片探测能力的评估模型

为了提高地基光电望远镜观测空间碎片的运行效率,建立了地基光电望远镜探测能力评估仿真模型.综合考虑碎片几何过境、碎片信号辐射量、背景源信号辐射量、光信号在传感器平面的投影等影响,获得碎片信号的探测信噪比,并作为过境碎片能否被探测到的依据.采用1m望远镜进行地球同步轨道碎片观测实验,并对模型进行验证.结果表明:仿真观测的第谷2星表中4颗背景亮星与观测实验结果一致;由于碎片形状等光学特性不同,碎片辐射量星等值的实验值与仿真值最大相差1.58倍,误差值在合理范围内.基于信噪比探测原理的地基光电望远镜探测能力评估仿真模型合理有效,可为观测设备建设、观测策略制定等提供参考.     

LEO空间目标的非协同共视观测及初轨确定

测角数据的初轨确定(IOD)是通过光学观测技术进行空间目标编目的 关键,然而对于低地球轨道(LEO)空间目标,地基光学观测所获得的数据弧长较短且不包含距离信息.因此,在进行IOD时,所得轨道的误差往往较大,难以应用于进一步的工作中.针对上述问题,研究了LEO空间目标的非协同共视观测技术及其初轨确定,并基于统计学提出了一种利用非协同共视观测技术定位空间目标的新方法.结合中国科学院空间目标与碎片观测网的光学测角数据进行了实验验证,结果表明,所提方法对Ajisai卫星定位的均方根(RMS)误差小于100 m,对空间碎片CZ-2C R/B定位的RMS误差小于200 m,优于传统的三角视差法.随后,将上述定位结果用于IOD,所得轨道半长轴的误差在1 km左右.     

基于轨迹预判的空间小目标在轨检测方法研究

空间目标监视和检测是维护空间环境安全的重要保障，天基观测是其中的一个重要观测手段。在天基观测图像中，恒星和空间小目标形状、大小相似，影响空间小目标的检测。且空间环境复杂，图像的噪声也会对空间小目标检测造成干扰。针对以上问题，提出了一种基于轨迹预判的空间小目标在轨检测方法。首先对图像进行预处理，包含使用图像滤波剔除坏像元和背景影响以及阈值分割。对相机进行畸变误差校正，再进行坐标系转换以及匹配星表剔除大部分恒星。然后采集多帧图像，对候选目标进行轨迹关联、预判，确定搜索范围。最后实现对空间小目标的检测。本检测方法具有以下几方面的优势：在低信噪比下，实现高检测精度和低虚警率；减少搜索范围，提高在轨实时检测能力；具备对连续帧图像上目标不连续出现的检测能力，适应更复杂的空间环境下目标检测需求。本检测方法的检测能力在硬件系统上得到了验证，实验结果表明，该算法在检测信噪比为2的目标时也具有99.9%的检测率和0.002%的虚警率，为在轨空间小目标检测提供参考。     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

天基合成孔径激光雷达成像理论初步

合成孔径激光雷达(SAL)具有成像距离远、分辨率高、速度快等特点,在天基空间目标成像领域有重要的应用前景。针对天基SAL成像中回波信号弱、噪声大、成像质量差等问题,提出在交会点附近连续长时间观测的思路。基于简单假设,建立采用光学外差探测的天基SAL成像理论数学模型,获得回波数据方程,给出成像处理流程、成像分辨率和图像信噪比,数学仿真了不同信噪比下的天基SAL空间目标成像。理论分析和仿真成像结果表明:当回波数据信噪比高时,任何子段数据均可形成空间目标的高分辨率图像;当回波信号微弱、数据信噪比低时,采用连续长时间观测数据形成目标子图像,将所有子图像进行叠加,提升了目标图像信噪比,改善了成像质量。     

基于分时积分亚像元融合的地球静止轨道平台消颤振技术

相较于低轨卫星线阵扫描成像模式,地球静止轨道面阵成像的曝光时间相对更长,更容易受到平台颤振的影响而造成图像模糊.为了消除由平台颤振引起的像质退化,本文提出了基于分时积分亚像元融合的方法.由于地球静止轨道的凝视成像特性,相机观察区域在长时间内保持不变,因此分时短曝光可以获得多帧目标内容相同,但模糊尺度更低的短曝光图像.然后对多帧短曝光图像采用基于能量区域质心法的相位相关算法进行亚像元图像配准,计算相对偏移量并进行补偿,位移探测准确度可达0.1像元以内,满足卫星平台应用需求.再按亚像元偏移量对多帧图像进行融合,融合的过程可以提升由于曝光时间缩短而降低的单帧图像信噪比,最终可以获得图像清晰度更高、信噪比与原长曝光图像相当、信息辨识度更好的遥感图像.     

空间目标TLE天基光学混合状态SPKF拟合方法

针对天基光学监视应用中空间目标两行轨道根数拟合估计问题,通过引入UT变换和混合状态空间,将简化的常规摄动预测模型嵌入跟踪滤波过程,提出两行轨道根数拟合估计的天基光学混合状态Sigma点卡尔曼滤波方法.仿真结果表明,该方法可利用仅测角观测资料实现对空间碎片等非合作目标的两行轨道根数序贯滤波拟合估计.     

空间目标TLE天基光学混合状态SPKF拟合方法

针对天基光学监视应用中空间目标两行轨道根数拟合估计问题,通过引入UT变换和混合状态空间,将简化的常规摄动预测模型嵌入跟踪滤波过程,提出两行轨道根数拟合估计的天基光学混合状态Sigma点卡尔曼滤波方法.仿真结果表明,该方法可利用仅测角观测资料实现对空间碎片等非合作目标的两行轨道根数序贯滤波拟合估计.     

动态帧差法及其FPGA设计与实现北大核心CSCD

帧间差分法是运动目标检测的经典方法,但当运动目标速度低到一定数值时,难以检测到运动目标。针对其可检测目标速度的限制,在帧间差分法的基础上,提出了动态帧差法。结合FPGA处理的特点,进行了动态帧差算法的FPGA设计与实现,并构建了一个新的实时运动目标检测系统。系统能够根据目标运动情况自适应调整用于差分图像的帧间距,既适用于较快运动目标的检测,也适用于低速运动目标的检测,扩大了系统可检测运动目标的速度范围。对DDR3端口进行区域划分,解决了在资源有限的FPGA上对图像的多帧存储的问题。多组实验结果证实了动态帧差法及其FPGA设计模块的有效性和实时性。相比其他系统,所研究系统在检测低速运动目标方面具有明显的优势,且可处理1080p@30Hz的彩色视频流。     

地球同步轨道空间目标地基逆合成孔径激光雷达系统分析

对用于地球同步轨道空间目标进行成像观测的地基逆合成孔径激光雷达系统进行了分析.讨论了地球同步轨道空间目标运动特性和观测几何模型,分析了地基逆合成孔径激光雷达系统指标,波形选择为无周期相位编码信号,提出了基于发射和本振参考通道的信号相干性保持方法.根据目标存在振动和三维自转的特点,采用正交基线干涉处理的方法进行运动相位误差估计与补偿.引入自适应光学系统实现大气时变相位误差校正,同时明确了基于正交基线干涉处理的逆合成孔径激光雷达与自适应光学在大气校正方面具有互补性.设计了初步系统方案,仿真验证了目标振动和三维自转对逆合成孔径激光雷达成像有明显的影响.     

Detection method for small and dim targets from a time series of images observed by a space-based optical detection system

To revisit cataloged space targets, a space-based optical detection system normally observes space targets continuously in a target tracking mode. In the time series of images produced by continuous observation, there are not only the target but also complicated background clutter (a mass of stars) and noises. The existing method only can detect the target with an signal-to-noise ratio (SNR) greater than 6 from these images. This paper presents a detection method for the target with an SNR less than 6. The proposed method consists of an SNR enhancement algorithm and an adaptive background and noise suppression algorithm. Simulation and analytical results show the proposed method detects the target submerged in noise and background clutter when SNR is equal to 3 and the detection probability and the false alarm probability both reach very high performance. This proposed method can help solve the problem of revisiting some weak cataloged space targets.     

一种基于广义Duffing振子的水中弱目标检测方法

海洋环境中,在水下目标的线谱频率未知或者目标辐射噪声的连续谱很弱时,很难实现水中弱目标的准确检测,本文提出基于广义Duffing振子检测系统的水下目标辐射噪声检测方法.通过对传统周期扰动的Duffing振子信号检测系统的分析和推广,提出了一种可输入非周期、非平稳信号的广义Duffing振子检测系统,可检测输入的无先验信息目标信号.为实现广义Duffing振子系统运动状态的精确、有效判断,提出了一种相空间图形的离散分布列计算方法,通过类网格函数实现了利用统计复杂度对系统输出的嵌入式表征,从而实现了无先验信息时的水中弱目标的嵌入式检测.相同条件下与传统检测方法仿真对比可知,本文提出的方法可以检测到更低信噪比下的目标,并能满足水中检测实时性要求.     

宽吻海豚Click信号的时频滤波检测方法

针对宽吻海豚Click信号检测提出了一种在信号时频图中基于Gabor滤波器的检测方法。该方法首先对声信号进行分段处理,计算每一段信号的时频图;然后设计Gabor滤波器,提取时频图中垂直方向的线条;对Gabor滤波处理后的时频图进行自适应阈值处理,提取时频图中能量较强的区域;最后通过连通域分析确定Click信号的位置.仿真合成不同信噪比的测试信号,本文算法在Click信号和背景噪声平均功率比为15 dB的情况下,Click信号的找全率达到了99%,错误率为0%;对实际采集的声信号进行Click信号检测,找全率为100%。本文方法预期为海豚观测和海豚生物学行为的研究提供一定的技术支持。      

地面可见光相机探测静止轨道目标可行性研究

基于地面可见光相机探测建立了地球静止轨道上空间非自发光目标的数学辐射模型,利用辐射传输的基本原理,分析了平面目标亮度与探测时间、纬度之间的关系,推导了系统探测能力与光学系统参量及曝光时间之间的关系,简要的分析了杂光对系统曝光时间的影响,理论模型与目前相关试验结果基本接近,表明GEO上空间目标的可见光相机探测是可行的.     

国外地球同步轨道目标天基光学监视策略

空间目标观测策略是决定天基光学监视系统性能的关键因素之一,本文对国外已服役和在研的GEO目标天基光学监视系统及其观测策略进行了讨论。首先,概述了GEO目标天基光学监视技术的发展历程;然后,简要分析了GEO目标的轨道特性,并在此基础上讨论了主流的GEO目标监视策略;最后,针对近年来呈现出的监视系统小型化和自主运行的发展趋势,对SBO载荷与3U CubeSat星座的目标监视性能进行了仿真评估。实验结果表明:SBO载荷和CubeSat卫星均可探测1 m直径的GEO目标,单颗SBO载荷探测GEO目标比例大于51%,观测弧长和重访周期分别约1.2°和1.5天,CubeSat星座则可探测超过90%的GEO目标,平均观测弧长和重访周期分别大于67.1°和小于0.4天。由此可见微小卫星通过组网能实现对GEO目标的独立自主监视。     

Analysis of point-target detection performance based on ATF and TSF

In many real applications such as remote sensing and space surveillance, traditional method based on ideal imaging has already been well-established. It is widely applied to analyze point-target detection performance of electro-optical imaging system, including signal-to-noise ratio (SNR) and noise equivalent temperature difference (NETD). However, this method cannot accurately predict these performance parameters, as it fails to take into account the influence of optical blurring caused by atmospheric turbulence, optics diffraction, optical aberrations, etc. In this sense, the methods, if proposed to thoroughly incorporate degrading factors into object acquisition model, would succeed to describe point-target detection performance to more degree of accuracy. The main focus of this article is to quantitatively analyze the influence of optical blurs upon point-target detection, and to establish close relationship between optical blurring and metrics of point-target acquisition. This point can be interpreted and achieved mathematically: the mathematical analysis based on image acquisition model is to combine Aperiodic Transfer Function (ATF) and Target Size Function (TSF) with analysis of SNR and NETD. In addition, the concept of NETD, traditionally used to describe extended object detection, is generalized and equivalently applied to analyze point-target detection. This refined method can be directly and conveniently used for faithfully predicting detection performance, and provides a more reliable benchmark for improving measurement setup, if we properly estimate the degree of image distortion.     

一种海空背景下红外小目标检测新算法

针对海空背景下红外小目标图像信噪比低、难以检测的情况以及传统检测方法需要图像帧数多、实时性差等缺点,基于Donoho的小波变换阈值化方法,提出了一种更加适合海空背景下红外小目标检测的新算法.该算法采用一种新的阈值求取方法以及更加简单的硬阈值化函数对图像进行处理.通过仿真实验将新算法与传统检测算法进行比较,实验结果表明,无论在处理效果还是实时性上,新算法都优于传统算法.     

日间恒星实时探测的视频图像处理

为了解决船载光学测量设备日间测星数量偏少的问题,研究了暗小目标电视探测技术,以保证惯导系统全天时不间断航向校准。在视频图像处理中,采用中值滤波方法提高信噪比,同时采用基于模糊理论的最大模糊熵阈值分割方法自行构建隶属度函数,自适应求取阈值,实现了星体目标检测与识别。实验结果表明：在原光学设备光学系统不变的情况下,日间可探测的恒星由大于等于3.0星等、小于等于5颗,提高到了大于等于4.5星等,大于等于250颗,满足了惯导系统全天时不间断航向校准的要求。该成果可以推广应用于电视弱小目标探测领域。     

Sea Clutter Suppression and Target Detection Algorithm of Marine Radar Image Sequence Based on Spatio-Temporal Domain Joint Filtering

In marine radar target detection, sea clutter will cause a large number of missed alarms and false alarms, which will affect the accuracy of target detection. In order to suppress sea clutter effectively, a sea clutter suppression and target detection algorithm of marine radar image sequence based on spatio-temporal domain joint filtering is proposed in this paper. The proposed method is to add a sea clutter suppression link before detecting the target. Firstly, the marine radar image sequence is transformed into three-dimensional frequency wavenumber domain by three-dimensional fast Fourier transform (3D-FFT), and then the three-dimensional image spectrum is obtained. According to the fact that the sea clutter spectrum obtained from the image spectrum satisfies the dispersion relation of linear wave theory in the three-dimensional frequency wavenumber domain, a sea clutter model is established. Then, through the established sea clutter model, a spatio-temporal domain joint sea clutter suppressor is designed to filter the image spectrum. After that, the filtered image spectrum is transformed by three-dimensional inverse fast Fourier transform (3D-IFFT) to obtain the image sequence in which sea clutter is suppressed. Finally, target detection is carried out for sea clutter suppressed image sequence. The method is validated by using the real data of X-band marine radar. Compared with the classical Empirical mode decomposition (EMD) method, the improvement of signal-to-noise ratio (SNR) is more obvious, and SNR can be increased by 15.3 db at most. In addition, compared with target detection on original images directly, the proposed method has excellent detection rate and can increase detection rates by at least 8%.     

超微弱光子图像的相关检测及计算机模拟

在超微弱发光的研究中（例如生物发光）,由于发光强度极弱,由像增强器得到的光子图像由于样本（光子）数量太少和受系统暗噪声的影响使其信噪比极低,提出了一种基于统计学的光子图像相关积分方法和基于相关处理的光子图像处理方法,用累积光子来提高图像信噪比并得到相应灰度图像并对该方法进行了计算机模拟,同时展示了光子图像和传统灰度图像的信噪比关系,是进行微弱生物发光信号检测的有效方法。