本發(fā)明涉及激光漫反射測距領(lǐng)域，特別涉及一種微弱回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法。
背景技術(shù)：
：衛(wèi)星激光測距(SatelliteLaserRanging，SLR)是空間目標(biāo)測量中精度最高的技術(shù)之一，其測量精度已達(dá)到毫米級。常規(guī)激光測距的對象是裝有角反射器的合作式空間目標(biāo)。當(dāng)探測目標(biāo)為非合作目標(biāo)，如空間碎片，采用漫反射激光回波進(jìn)行測距時(shí)，由于空間碎片反射面積小，漫反射的回波光子數(shù)少，探測的異常值較多，信噪比較低；或者當(dāng)探測目標(biāo)為深空的合作目標(biāo)時(shí)，因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)，同樣面臨探測的異常值較多，信噪比較低的問題。目前常用的回波光子數(shù)據(jù)處理方法有以下幾種：一、人工屏幕處理方法，該方法精度高，對弱信號的適應(yīng)性好，但依賴于判讀人員經(jīng)驗(yàn)，檢測效率及自動(dòng)化程度低。二、快速回波辨識(shí)方法，該方法具有快速、有效的特點(diǎn)，對低軌衛(wèi)星有很高的探測概率(接近100％)，但對于高軌衛(wèi)星探測成功率比較低(在1％以下)。三、相關(guān)檢測方法，該方法原理簡單，但距離窗大小、門限閾值、天氣狀況對探測效果影響較大。四、針對低信噪比信號的N/M(M＞N)檢測方法,該方法適應(yīng)性好，但存在處理過程計(jì)算量較大，無法滿足實(shí)時(shí)性要求的不足。五、泊松(Poisson)統(tǒng)計(jì)濾波方法，該方法是目前月球激光測距(LunarLaserRanging,LLR)和衛(wèi)星激光測距采用的主流方法，澳大利亞斯特龍羅山天文臺(tái)(MtStromloObservatory)站應(yīng)用泊松統(tǒng)計(jì)濾波方法實(shí)現(xiàn)了無人職守的全自動(dòng)回波信號的處理，但該方法的檢測結(jié)果受泊松統(tǒng)計(jì)濾波影響較大。目前，采用上述現(xiàn)有的回波光子處理方法對于低信噪比的回波光子信號難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于，提供一種回 波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，使其克服回波光子信號信噪比低、異常觀測值多，能在提高低信噪比回波光子信號的處理精度的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，依據(jù)本發(fā)明提出的一種回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中包括以下步驟：能量積累檢測步驟，包括回波光子信號壓縮處理，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償積累，每步滑動(dòng)、找出有效光子及其O-C值(測量值-引導(dǎo)值)；及時(shí)間相關(guān)檢測步驟，包括初步處理，抗差估計(jì)處理、迭代處理和數(shù)據(jù)輸出。本發(fā)明還可采用以下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中所述能量積累檢測步驟，根據(jù)目標(biāo)參考軌道數(shù)據(jù)對回波光子信號進(jìn)行壓縮處理，將回波光子能量集中到同一個(gè)波門內(nèi)，在能量積累檢測窗口采用運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償積累的方法找出若干個(gè)有效回波光子，逐個(gè)檢測，獲得每個(gè)有效回波光子的O-C值。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中所述初步處理，是利用所述有效回波光子的O-C值擬合為初始多項(xiàng)式函數(shù)g,并獲得當(dāng)前時(shí)刻預(yù)測值，通過預(yù)測值與測量值比較確定當(dāng)前時(shí)刻測量值是否為有效值。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中所述抗差估計(jì)處理，是以初步處理步驟確定的有效值和能量積累檢測步驟獲得的每個(gè)有效回波光子的O-C值為基礎(chǔ)擬合多項(xiàng)式函數(shù)g，獲得估計(jì)殘差序列，再利用抗差估計(jì)重新估計(jì)初始多項(xiàng)式函數(shù)g′進(jìn)行二次檢測，確定當(dāng)前時(shí)刻測量值是否為有效值并輸出有效值。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中所述迭代處理，是當(dāng)確定當(dāng)前時(shí)刻測量值為有效值后，在有效序列中增加當(dāng)前時(shí)刻的有效序列值，并去掉最舊的有效序列值，采用迭代方法重復(fù)初步處理步驟和抗差估計(jì)處理步驟，完成整個(gè)處理過程。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中將經(jīng)過迭代處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中所述有效回波光子的個(gè)數(shù)為2/信噪比。前述的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，其中所述有效回波光子的個(gè)數(shù)可根據(jù)目標(biāo)的信噪比自適應(yīng)選取。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。借由上述技術(shù)方案,本發(fā)明的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：一、本發(fā)明的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，通過對檢測的回波光子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和抗差估計(jì)處理，能夠有效的抑制噪聲的影響，提高實(shí)時(shí)有效回波檢測的概率。二、本發(fā)明的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法，能在提高低信噪比回波光子信號的處理精度的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。附圖說明圖1是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法步驟示意圖。圖2是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法回波光子積累示意圖。圖3是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法一個(gè)實(shí)施例處理目標(biāo)10517的處理結(jié)果示意圖。圖4是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法一個(gè)實(shí)施例處理目標(biāo)17590的處理結(jié)果示意圖。圖5是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法一個(gè)實(shí)施例處理目標(biāo)23769的處理結(jié)果示意圖。具體實(shí)施方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法其具體實(shí)施方式、步驟、結(jié)構(gòu)、特征及其功效詳細(xì)說明。請參閱圖1所示，是本發(fā)明回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法步驟示意圖。本發(fā)明回波光子信號實(shí)時(shí)處理方法包括能量積累檢測步驟S1和時(shí)間相關(guān)檢測步驟S2。其中能量積累檢測步驟S1包括兩個(gè)處理過程，即回波光子信號運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償積累S11、每步滑動(dòng)找出有效光子及其O-C值S12；時(shí)間相關(guān)檢測步驟S2包括四個(gè)處理過程，即初步處理S21、抗差估計(jì)處理S22、迭代處理S23和數(shù)據(jù)輸出S24,其中O-C表示測量值減去引導(dǎo)值,其中測量值指回波光子產(chǎn)生的時(shí)刻時(shí)延τk，引導(dǎo)值指目標(biāo)參考軌道轉(zhuǎn)化的時(shí)延優(yōu)選的，能量積累檢測步驟S1中，根據(jù)目標(biāo)參考軌道數(shù)據(jù)對回波信號進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償積累，將回波光子能量集中到同一個(gè)回波波門內(nèi)，在能量積累檢測窗口M中，找出p個(gè)有效回波光子，其中p<M，將窗口向前滑動(dòng)，逐個(gè)檢測，獲得m個(gè)有效回波的O-C值，用于后續(xù)的時(shí)間相關(guān)檢測。優(yōu)選的，能量積累檢測步驟S1中，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償積累優(yōu)選為從參考軌道出發(fā)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。請參閱圖2所示，根據(jù)參考軌道數(shù)據(jù)，得到各脈沖發(fā)射時(shí)刻tk測量目標(biāo)相對激光的徑向距離并轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的時(shí)延再根據(jù)時(shí)延產(chǎn)生回波光子采集回波波門Mk，回波波門Mk中心時(shí)刻對應(yīng)時(shí)延實(shí)際測量中，回波光子產(chǎn)生的時(shí)刻時(shí)延τk與目標(biāo)參考軌道轉(zhuǎn)化的時(shí)延存在時(shí)延誤差如式1所示：τ^k=τk-t^k∈(-TG/2TG/2)]]>………………式1其中，TG為波門寬度。取積累區(qū)間內(nèi)某個(gè)回波光子信號作為基準(zhǔn)信號,本優(yōu)選實(shí)施例中選擇第一個(gè)回波為基準(zhǔn)信號，其他回波光子通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償與其對齊。優(yōu)選方法如下：設(shè)能量積累窗口內(nèi)的軌道滿足狀態(tài)方程如式2所示：Xk＝Φk,1(X1)+Wk………………式2其中，X1和Xk為t1和tk時(shí)刻的狀態(tài)向量，Φk,1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)，Wk為狀態(tài)噪聲向量，又設(shè)tk時(shí)刻的觀測模型如式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(jié)(tk)-Y0ΔZk＝Z(tk)-Z0其中，τk為tk時(shí)刻的觀測量，εk分別為觀測量的隨機(jī)誤差，X(tk),Y(tk),Z(tk)為tk時(shí)刻目標(biāo)的位置；X0,Y0,Z0為激光測站的位置。令xk＝Xk-Xk*，Xk*為tk時(shí)刻參考軌道的狀態(tài)向量，則時(shí)延誤差如式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]]>由此可得時(shí)延誤差如式5所示：Δτ^1=τ1-τ^1=H1Φ(t1,t1)x1+ϵ1=H1x1+ϵ1]]>………………式5忽略隨機(jī)誤差的影響，則則時(shí)延誤差如式6所示：Δτ^k=HkΦ(tk,t1)H1-1Δτ^1+ϵk]]>………………式6因此，HkΦ(tk,t1)H1-1就是t1時(shí)刻的觀測量到tk時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償因子。如果tk時(shí)刻和t1時(shí)刻為同一目標(biāo)測量值，則tk時(shí)刻補(bǔ)償之后的值應(yīng)在t1時(shí)刻測量值的鄰域內(nèi)。運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償積累步驟S11中，判斷誤差門限δ的優(yōu)選方法如下所述：參考軌道的誤差會(huì)對光子的能量積累產(chǎn)生影響，本發(fā)明中將參考軌道數(shù)據(jù)的誤差分為徑向速度誤差、徑向加速度誤差和角度誤差，其中角度誤差分為方位角誤差和俯仰角誤差。當(dāng)角度誤差較大時(shí)，目標(biāo)可能不處于激光照射范圍內(nèi)，影響目標(biāo)的捕獲，但對積累誤差沒有影響。由此只需分析參考軌道的徑向速度誤差、徑向加速度誤差對積累的影響。假設(shè)目標(biāo)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣Φ(tk,t1)符合二階運(yùn)動(dòng)模型，且參考軌道數(shù)據(jù)的徑向距離近似為勻加速變化，則如式7所示：R^k≈R^1+v^1·ΔTk+a^1·(ΔTk)2/2]]>………………式7其中，ΔTk＝tk-t1，分別為t1時(shí)刻參考軌道的徑向速度和徑向加速度。將tk時(shí)刻的測量積累到t1時(shí)刻，則：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分別為t1時(shí)刻實(shí)際軌道的徑向速度和徑向加速度。因此，如果tk時(shí)刻和t1時(shí)刻為同一目標(biāo)測量值，其補(bǔ)償后的誤差門限δ滿足：δ<|Δv1·ΔTk+Δa1·ΔTk2/2|]]>………………式9當(dāng)積累區(qū)間較短時(shí)，一階量是主要因素，可忽略加速度的影響，誤差 門限δ可近似為如式10所示，δ＜|Δv|ΔT………………式10通過判斷能量積累檢測窗口M中不同時(shí)刻測量值補(bǔ)償?shù)絫1時(shí)刻的誤差門限，找出p個(gè)有效回波光子，其中p<M。將窗口向前滑動(dòng)，逐個(gè)檢測，獲得m個(gè)有效回波的O-C值，用于多項(xiàng)式擬合。時(shí)間相關(guān)檢測步驟S2中，初步處理步驟S21優(yōu)選實(shí)施方法如下：基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性，激光回波的測量時(shí)間在時(shí)間序列上具有相關(guān)性，分析表明，在較短的時(shí)間內(nèi)，O-C值可以用一次多項(xiàng)式表示。此時(shí)tk時(shí)刻的時(shí)延誤差可以表示成方程式11：Δτ^k=τ^k-τk=g(tk)=a+btk=1tkab]]>………………式11則，m個(gè)時(shí)刻方程聯(lián)立并用矩陣形式表示為如式12所示：Δτ^1Δτ^2···Δτ^m=1t11t2······1tmab]]>………………式12根據(jù)最小二乘原理，可得多項(xiàng)式的系數(shù)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階單位陣)在此采用擬合多項(xiàng)式來檢測新測量回波的有效性。優(yōu)選的，初步處理步驟S21中，以tk時(shí)刻前m個(gè)有效測量為例，擬合后的多項(xiàng)式函數(shù)為g，預(yù)報(bào)tk時(shí)刻測量值g(tk)，則預(yù)報(bào)誤差δvk為式14所示：δvk=τ^k-g(tk)]]>………………式14當(dāng)|δvk|＜δk，δk為門限值，一般取則認(rèn)為tk時(shí)刻測量值為有效點(diǎn)，否則為異常值。時(shí)間相關(guān)檢測步驟S2中，抗差估計(jì)處理步驟S22優(yōu)選實(shí)施方法如下：為提高實(shí)時(shí)檢測的可靠性，采用抗差估計(jì)的方法，對實(shí)時(shí)測量值進(jìn)行二次檢測。由于每次觀測都是相互獨(dú)立的，設(shè)計(jì)能夠適應(yīng)具有淘汰區(qū)的抗差權(quán)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表示抗差權(quán)因子，其中，方差k0可取1.5～3.0，k1可取2.5～5.0。采用抗差估計(jì)得多項(xiàng)式的系數(shù)如式17所示：a=(TTP‾-1T)-1TTP‾-1Y]]>………………式17其中，當(dāng)w(vk)＝0時(shí)，則剔除對應(yīng)時(shí)刻的測量值后，重新估計(jì)方差如式18所示：σk=1N-mΣk=1N-mvk2]]>………………式18用于后續(xù)窗口的檢測。優(yōu)選的，抗差估計(jì)處理步驟S22中，如果tk時(shí)刻測量值為有效點(diǎn)，將其加入前面m個(gè)有效測量值中，重新擬合多項(xiàng)式函數(shù)g′進(jìn)行二次檢測，求得估計(jì)殘差序列δv′k如式19所示：δvk′=τ^k-g′(tk)]]>………………式19當(dāng)|δv'k|＜δ′k，δ′k為門限值，一般取3σk,則認(rèn)為tk時(shí)刻測量值為有效點(diǎn)，否則為異常值。優(yōu)選的，迭代處理步驟S23中，當(dāng)確定抗差估計(jì)處理S22的tk時(shí)刻測量值為有效回波光子后，將該有效回波光子數(shù)據(jù)輸出S24，同時(shí)在有效序列中增加tk時(shí)刻的有效序列并去掉最舊的有效數(shù)據(jù)采用迭代方法重復(fù)初步處理S21和抗差估計(jì)處理S22，完成整個(gè)序列的檢測。為驗(yàn)證算法的精度和可靠性，以云南天文臺(tái)漫反射激光測距系統(tǒng)為例，選取了一些體積較大的火箭殘骸進(jìn)行實(shí)際測量，激光器能量為3.4J，脈沖頻率為10hz。實(shí)施例中的約束條件：以當(dāng)天的TLE軌道根數(shù)作為參考軌道。能量積累窗口M＝20(補(bǔ)償門限內(nèi)的光子數(shù)>2)，多項(xiàng)式擬合窗口n＝9。實(shí)施例一2011年1月24日，進(jìn)行了第一次試驗(yàn)，目標(biāo)10517是尺寸為6.4m×2.0m的殘骸，在148s的觀測時(shí)段內(nèi)，共觀測到1004個(gè)測量數(shù)據(jù)，其中有效點(diǎn)73個(gè)，信噪比為1/14。請參閱圖3所示，是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法一個(gè)實(shí)施例處理目標(biāo)10517的處理結(jié)果示意圖，其中a是測量值，b是實(shí)時(shí)處理結(jié)果，c是事后處理結(jié)果。實(shí)施例二2011年1月25日，進(jìn)行了第二次試驗(yàn)，目標(biāo)17590是尺寸為10.4m×3.9m的殘骸，在148s的觀測時(shí)段內(nèi)，共觀測到1141個(gè)測量數(shù)據(jù)，其中有效點(diǎn)75個(gè)，信噪比為1/15。請參閱圖4所示，是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法一個(gè)實(shí)施例處理目標(biāo)17590的處理結(jié)果示意圖，其中a是測量值，b是實(shí)時(shí)處理結(jié)果，c是事后處理結(jié)果。實(shí)施例三2011年2月5日，進(jìn)行了第三次試驗(yàn)，目標(biāo)23769是尺寸為5.9m×2.4m的殘骸，在127s的觀測時(shí)段內(nèi)，共觀測到547個(gè)測量數(shù)據(jù)，其中有效點(diǎn)60個(gè)，信噪比近似為1/10。請參閱圖5所示，是本發(fā)明回波信號光子實(shí)時(shí)處理方法一個(gè)實(shí)施例處理目標(biāo)23769的處理結(jié)果示意圖，其中a是測量值，b是實(shí)時(shí)處理結(jié)果，c是事后處理結(jié)果。表1.本申請方法和對比方法統(tǒng)計(jì)結(jié)果上述三個(gè)實(shí)施例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，可以看出該申請方法利用目標(biāo)的軌道特性，通過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了回波光子能量積累的初檢測；基于有效測量值誤差符合多項(xiàng)式模型的特性，引入滑動(dòng)多項(xiàng)式的迭代抗差估計(jì)，提高了實(shí)時(shí)有效回波檢測的概率，降低了錯(cuò)誤檢測的概率。利用云南天文臺(tái)的多次實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，通過對比實(shí)時(shí)檢測結(jié)果與事后結(jié)果：該方法在有效測量值連續(xù)的情況下(<2s)，基本可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)檢測；當(dāng)有效測量值稀疏時(shí)，錯(cuò)誤檢測的概率則會(huì)有所增加，當(dāng)測量信噪比在1/15以內(nèi)，實(shí)時(shí)檢測概率均優(yōu)于90％，信噪比比原始測量值提高30倍以上。由此，本方法對漫反射測距這種低信噪比的測量數(shù)據(jù)，能夠有效的抑制噪聲 影響，很大層面上解決了當(dāng)前漫反射激光測距的實(shí)時(shí)信號檢測問題。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然并非用以限定本發(fā)明實(shí)施的范圍，依據(jù)本發(fā)明的權(quán)利要求書及說明內(nèi)容所作的簡單的等效變化與修飾，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3