《基于一维距离像的空间目标识别技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于一维距离像的空间目标识别技术研究（58页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 分类号 TN97 学号 09040028 U D C 密级 公 开 硕士学位论文 基于一维距离像的空间目标识别技术研究基于一维距离像的空间目标识别技术研究基于一维距离像的空间目标识别技术研究基于一维距离像的空间目标识别技术研究 硕士生姓名 李阳 学 科 领 域 信息与通信工程 研 究 方 向 空间目标探测与识别技术 指 导 教 师 庄钊文 教授 国防科学技术大国防科学技术大国防科学技术大国防科学技术大学研究生院学研究生院学研究生院学研究生院 二二二二一一一一一一一一年年年年十十十十一月一月一月一月 Research on Technology in Identification of Spa
2、ce Targets Based on High Resolution Range profile Candidate：Li Yang Advisor：Zhuang Zhaowen A thesis Submitted in partial fulfillment of the requirements for the professional degree of Master of Engineering in Information Compared with KNN Classifier, SVM has a more optimal performance. 3. Research c
3、arried out on Space Target recognition based on Multi-sensors fusion The characteristic of analysis on Multi-sensors has been made in this thesis, including electromagnetic scattering characteristic, infared characteristic, Orbit characteristic and optical characteristic. This paper puts forward Mul
4、ti-Stage Recognition combined with Multi-sensors characteristic. This method can discriminate target attribute with the information of Multi-Sensors sufficiently. Summaries are made and prospects of the Space Target Identification of Range Profile and Multi-Sensors fusion Identification have also be
5、en put forward in the final part of the thesis. Key Words：Range Profile, SVM, Target Identification, Multi-Sensors Fusion 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究背景研究背景研究背景研究背景 雷达（Radio Detecting And Ranging）英文意思是无线电探测与测距，是一种 对远距离目标进行全天时、全天候跟踪和探测的无线电装置，在军事和民用方面 得到了广泛的应用和发展。雷达目标识别的研究开始于上世纪 50 年代末期。美国 的
6、 D.K.Barton 用 AN/FPS16 型跟踪雷达记录跟踪了苏联刚刚发射的第二颗人造卫 星 Sputnik的回波信号，发现回波信号振幅起伏中有与角反射器相类似的周期分 量存在，因此 Barton 断言，这颗苏联人造卫星上带有角反射器，并由此推理出当 时的前苏联卫星跟踪网是由第二次世界大战时使用的低威力雷达所组成。Barton 当时的推断深刻地改变了雷达自身的内涵，标志着雷达测量已由米制测量走向特 征测量阶段。进入二十世纪中叶，随着目标电磁特性的研究和宽带、超宽带技术、 半导体技术、现代信号处理技术、计算机技术的突飞猛进以及模式识别技术的推 广应用，使得雷达不仅能发现目标和知道目标的距离和
7、方向，而且有可能识别出 目标类型和形状。今天，目标识别作为雷达新的功能之一已经在诸如海情监控系 统、弹道导弹防御系统、空中防务系统及地球物理、射电天文、气象预报、埋地 物探测、空间科学技术等领域发挥出巨大作用1。 空间目标识别是对外层空间运行的目标进行的类型、属性识别和威胁判断。 空间目标主要是指在轨的人造卫星、空间碎片、失效卫星、 “太空垃圾” 。根据美 国 NASA/GODDARD 公布的卫星状况报告，目前地球轨道空间目标中几何尺寸 10cm 以上的目标约有 8000 多个，包括空间碎片、有效载荷、平台、箭体，其中 空间碎片约为 5000 多个，有效载荷、平台、箭体约为 2000 多个。大
8、约 75%的空 间目标分布在地球轨道高度 3002000km 的近地轨道， 因此空间目标识别与监视的 重点是对近地目标观测； 在轨道高度 20000km 左右的中高轨道大约有 9%的空间目 标分布；在轨道高度 36000km 左右的地球同步轨道大约有 9%的空间目标分布 2。 空间碎片种类繁多，主要有超过使用寿命的卫星、废弃的火箭箭体、航天器 在空间运行过程中抛下的一些无用部件、卫星解体后产成的碎片、磨损脱落的表 面材料以及由于发生泄漏的核反应堆产生的微滴等。在地球轨道上现有 10000 个 以上尺寸在 110cm 之间的空间碎片，另有数以千万计的尺寸在 1mm1cm 之间的 空间碎片。 尺寸
9、小于 0.01cm 的空间碎片在近地轨道上数量很多，长期与卫星碰撞可能造 成明显的累积影响，这类小碎片的主要影响是使航天器表面产生凹陷和剥蚀。尺 寸在 0.011cm 之间的碎片会对航天器产生明显的影响，其损害的严重程度取决于 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 2 页 航天器的耐受性和防护措施。尺寸大于 1cm 的碎片会对航天器结构造成损害。图 1.1 所示为空间卫星与碎片在轨道的分布。 图 1.1 空间卫星与碎片的轨道分布 随着空间技术的快速发展，现代战争对空间的依赖性也在逐渐增强，空间攻 防对抗已经被越来越多国家视为国防战略的重要方面。另外随着人类航天活动的 增加，空间碎片也日益增
10、多，对于卫星等航天器的生存造成极大的威胁，因此对 于卫星和碎片等空间目标进行监视也变得非常重要。其中对空间目标的识别是空 间监视任务中不可缺少的基本任务，是天基武器系统的关键技术之一3。 1.2 空间目标识别研究与技术的现状空间目标识别研究与技术的现状空间目标识别研究与技术的现状空间目标识别研究与技术的现状 世界各国都特别重视开展自己国家的空间目标监视识别系统的研究，美国、 英国、法国、德国、俄罗斯、印度、中国和日本等国家都具有一定的探测空间目 标的能力。 (一)美国空间监视系统 美国空间监视网(Space Surveillance Network)能够监测、跟踪、编目和识别围 绕地球运动的人
11、造物体，包括还在工作的和已经停止工作的卫星、废弃的火箭箭 体或解体的碎片等。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 3 页 图 1.2 美国空间监视网 美国空间监视系统能探测跟踪近地轨道上直径大于 1020 厘米的所有目标。 对于高轨道区域，该监视系统主要使用 lm 孔径的光学望远镜进行监视，探测到的 最小目标的直径约为 1 米。该监视网使用这些观测设备已经对 2 万 7 千个目标进 行了跟踪编目。 1998 年 4 月，美国空间司令部制定了发展空间军事力量、实施空间战的长远 规划，首次明确提出“控制空间、全球交战、力量集成、全球伙伴”的空间作战 战略概念。位于夏延山的地下综合设施的空间监
12、视中心(SSC)协调指挥空间监视网 的观测设备，对进出地球轨道的所有空间目标进行探测、识别与跟踪，详细掌握 围绕地球运行的各种飞行体，感知空间态势。表 1.1 给出了美国监视空间的能力和 2020 年的目标4。 表 1.1 美国监视空间的能力和 2020 年目标 监视空间能力 1998 2012 2020 重大目标实时描述 精确探测跟踪 尺寸 低轨道/静止轨道 定位 低轨道/静止轨道 重大目标的及时监控 编目/监视 0% 50% 100% 30cm/30cm 10cm/20cm 1cm/10cm 1km/5km 500m/2km 10m/100m 几天几小时 近实时 预言性的 近实时 (二)俄
13、罗斯空间监视系统 为了适应现代战争的需要，俄罗斯的军事力量中也建立了“宇宙空间监视系 统”。该系统不间断地搜索地球轨道空间，识别和跟踪各种军用航天器，测定卫 星的轨道参数，并向俄罗斯武装力量发送原始信息通报(包括卫星类型、编号与国 籍，通报卫星第一圈的轨道参数以及由于摄动引起的每圈轨道的参数变化等)，为 实施空间攻防对抗提供情报信息。 俄罗斯空间目标监视系统(SSS)主要由“天窗”空间监视跟踪系统、“克拉斯 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 4 页 诺雅尔斯克”相控阵雷达、“顿河-2”型多功能相控阵雷达、 “Hen House”相控 阵雷达和“Dog House”相控阵雷达和空间监视中
14、心(SSC)等组成。该系统装备有 10 台光学望远镜，分为三类，包括短距望远镜、普通光学望远镜和远距望远镜。 短距望远镜能够跟踪 2001000 千米高度的军事目标；普通光学望远镜可以观察 到 20000 千米的目标；远距望远镜能观察到 3600040000 千米高度的地球同步轨 道上的目标。该监视系统每天能产生约 5 万多条的观测数据，维持对近 5000 个目 标的编目工作，其中大部分为低轨目标5。 目前，世界上一些主要国家雷达的探测性能如下：美国的 Haystack 雷达可以 检测到轨道高度 1000km、尺寸大小为 1cm 的目标，可以估计较小目标(比如宇宙 垃圾和高轨目标)的运动状态和
15、轨道特性 6。日本的 MU(Middle and Upper Atmosphere)雷达可以检测到的目标轨道高度为 500km，尺寸为 2cm。美国的 Goldstone 雷达可以检测到轨道高度为 1000km、 直径为 3mm 的导体球， Eglin 雷达 对轨道高度在 3000km 以内、雷达散射截面大于-35dBsm 的碎片的检测概率达 0.997。德国高频物理研究所的跟踪与成像雷达系统 TIRA（Tracking and Imaging Radar）由一个 L 波段窄带单脉冲跟踪雷达、一个口径为 34m 的抛物面天线和一个 Ku 波段高分辨成像雷达组成，该雷达系统可以检测到在 1000
16、km 轨道高度上、尺 寸为 2cm 的空间目标。 在国内，中国科学院陕西天文台的流星雷达在理论上完全可以观测 200km 1200km 轨道高度范围内的尺寸大于 1m 的空间碎片8。2004 年在中国科学院紫金 山天文台， “中国科学院空间目标与碎片观测研究中心”宣布成立。该中心的成立 将为我国在空间领域建立起一套安全预警系统。 1.3 HRRP 成像理论概论成像理论概论成像理论概论成像理论概论与多传感器融合识别与多传感器融合识别与多传感器融合识别与多传感器融合识别 空间目标多传感器融合的主要任务是能够用空间目标特性测量的雷达、红外、 无线电信号侦收等设备，研究基于电磁散射特征、红外特征、无线电信号辐射特 征和轨道特征及综合情报信息进行空间目标融合识别，并以此为基础实现
