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1、华中科技大学 硕士学位论文 空间目标激光相干探测技术研究 姓名：李邦旭 申请学位级别：硕士 专业：光电信息工程 指导教师：元秀华 20090521 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 空间目标探测是当前空间活动中必不可少的部分， 对航天器具有威胁的 1-10cm 的 空间目标的检测是重中之重。针对该类型的空间目标的探测，本文设计出收发合一的 空间目标探测的相干探测光学系统。该探测系统采用激光雷达的发射/接收形式、相干 探测的检测方案和闭环波前畸变补偿系统。整篇文章均围绕该系统进行研究与分析， 致力于提高整个系统的相干探测性
2、能。 (1) 广泛查阅国内外各种文献与资料， 对空间目标探测的现状和目前的技术状况进 行了全面的介绍。通过分析与比较，设计出了收发合一的空间目标检测系统，该系统 使用相干技术进行微弱接收信号的探测，同时使用闭环控制波前补偿由湍流引起的波 前畸变。 (2) 针对空间目标探测， 推导出了激光雷达探测方程。 对该雷达方程中的大气损耗、 激光远场发散角、接收天线孔径、空间目标距离和空间目标姿态角等参数进行了分析， 并通过数值仿真得出上述参数对接收功率影响的理论值。 (3) 对于激光雷达的相干检测系统，分析导出了相干检测的外差效率理论表达式， 然后得出信噪比与外差效率成正比的关系。通过对大气湍流和背向散
3、射光的分析，得 出了接收信号光的理论表达式。着重分析了系统参数和大气湍流（采用 Zernike 多项式 进行湍流波前的模拟）对外差效率产生影响。为使外差效率最大，我们通过数值仿真 得到了系统参数的优化方案。 (4) 分析比较了各种现有的波前补偿技术， 提出了能显著提高相干探测性能的基于 梯度下降算法的补偿系统，并从理论上证明了梯度下降补偿算法的收敛性。对并行随 机微扰梯度预测算法和一般梯度预测算法进行了收敛性能的比较。通过数值计算，对 该系统算法的收敛速度、复杂度和波前补偿的误差进行了分析。 关键词：关键词：相干检测 激光雷达 大气湍流 空间目标 波前补偿 华 中 科 技 大 学 硕 士 学
4、位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract In this paper, a novel laser coherent detection system has been designed for space object measurement, which applies laser radar technology, coherent detection, and closed-loop control subsystem for wavefront compensation. The heterodyne efficiency is invest
5、igated for the system in order to improve the performance of coherent detection under turbulent atmosphere condition. The research on the system generality includes the laser radar equation, coherent detection, and wave-front compensation. (1) The characters and applications of space debris detectio
6、n have been reviewed. We design a laser coherent detection system by comparing several types of laser radar. In the system, receiving antenna and transmitting antenna are combined together. Coherent detection technology is used to detect weak signal, and closed-loop control system is employed to com
7、pensate distortion of the wavefront. (2) The radar equation is derived from the model of space debris detection. We analyzed the impact of various factors, such as the atmospheric loss, far-field divergence angle of the laser, the aperture of receiving antenna, the distance between debris and earth,
8、 and the attitude angle of space debris. The theoretical results has been calculated by using numerical simulation. (3) The theoretical expression of heterodyne efficiency of the coherent laser radar system has been accurately derived from the coherent theory. SNR(signal to noise ratio) is proportio
9、nal to heterodyne efficiency. The signal optical field was studied by taking the atmospheric turbulence and backscatter effection into account. System parameters and atmospheric turbulence can influence heterodyne efficiency deeply. Some suggestions have been proposed in order to maximize the hetero
10、dyne efficiency. (4) Wave-front distortion compensation using gradient descent algorithm is studied theoretically. We have designed a subsystem based on gradient descent algorithm and 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III theoretically proved the convergence of gradient descent algorit
11、hm. It is shown that parallel stochastic perturbative gradient descent algorithm is more suitable to Wave-front compensation than other gradient descent algorithms. The parallel stochastic perturbative gradient descent algorithm can compensate wavefront distortion effectively and improve the perform
12、ance of coherent detection greatly. Key words: coherent detection laser radar space debris atmospheric turbulence wave-front compensation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年
13、 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 1.1 引
14、言 20 世纪空间技术取得了长足的发展，创下了人类迈向太空的新时代。然而，与此 同时也制造了大量的太空垃圾空间碎片。联合国和平利用外层空间委员会对空间 碎片定义的具体表述为：空间碎片是指位于地球轨道或再入稠密大气层的、所有失效 的并且没有理由指望其能继续保有或恢复其原定功能的人造物体及其碎片和零部件， 无论是否可以确定这些物体的所有者1。 这些太空垃圾长期运行在空间轨道上，并随着人类航天活动日益增多。据估计， 目前地球空间轨道上空间碎片的数量在数百万至数千万之间，而地面能够观测到的在 轨运行的人造物体却不到 1 万个。以 2003 年 6 月 24 日美国公布的资料为例，登录在 案的在轨物体数
15、目有 9106 个，其中真正有效的航天器为 1003 个，即 89%的在轨物体 为空间碎片。表 1-1 与表 1-2 分别给出了空间碎片的分布与数量的估算数据2。 表 1-1 空间碎片分类与分布 碎片分类 航天器 火箭 破碎的碎片 合计 低轨道 1 292 712 3 743 5 747 中轨道 107 24 3 134 地球同步轨道 465 133 3 601 转移轨道 75 276 147 498 其他 359 361 229 949 合计 2 298 1 506 4 125 7 929 表 1-2 空间碎片数量的估算 尺寸/cm 目标数量/件 占总百分比/(%) 质量/t 10 8 00
16、0 0.02 1998.6 110 110 000 0.31 0.7 0.11 35 000 000 99.67 0.7 合计 35 118 000 100 2 000 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 图 1-1 模拟了空间碎片包围地球的情形： 图 1-1 空间碎片围困地球模拟图 目前，空间碎片问题已引起国际空间界，特别是国际空间站的成员国(或组织)的密 切关注，各航天大国都已经认识到空间碎片是一项既涉及世界各国的利益,也是需要世 界各国联合行动才能解决的问题。1993 年由美、俄、日和欧空局发起成立了“机构间 空间碎片协调委员会”（IADC），以加强各成员机构间的交流，协调一致控制空间碎 片的产生，保护空间环境。我国在 1995 年 6 月也以国家航天局的名义加入了该机构。 这些空间目标的主要危害是与正常的航天器发生碰撞。空间碎片撞击航天器已经 不是小概率事件,而是经常发生,已经严重威胁航天器的安全。 通常，这些空间目标可分为三类：大空间碎片（尺寸大于 10cm）
