一种空间目标形态测量系统的仿真研究

论文摘要

作为空间机动平台的主要探测模式,采用激光成像雷达体制的空间目标形态测量技术有十分重要的应用。由于空间应用的特殊性,空间目标形态测量需要大量的计算机仿真,本文即在此应用背景下展开研究。根据系统的应用背景与需求,通过理论分析,本文构建了空间目标形态测量系统的物理模型。在模型中,选用的主要工作体制是调频连续波（FM-CW）方式的半导体激光非扫描成像雷达。通过对FM-CW方案的分析,以信号处理流程为脉络,提出了模块化的系统总体设计方案。对方案涉及的关键器件与核心技术作的详细理论分析,完善并细化了系统模型。从分析结果中,确定了系统的各项关键技术指标,对系统模型进一步的量化。基于系统模型,本文在虚拟仪器LabVIEW开发环境中,进行了仿真系统的算法研究与程序的设计、开发。采用由顶向下的模块化设计,把仿真系统主要功能模块设计为相互关联的“目标输入模块”、“激光雷达模块”与“报表输出模块”。作为系统核心的“激光雷达模块”,需要仿真从激光产生到成像结果显示的全过程。对其中关键的探测器子模块,本文对底层的单像素信号处理、顶层的面阵探测进行了详细的流程设计与算法研究,首次在仿真环境中再现了FM-CW体制的激光成像雷达系统。而作为仿真系统的输入输出端,目标模块与报表模块都着重考虑了仿真系统与外界的数据交互,实现从3DMax目标输入到成像结果的JPEG图像输出与EXCEL数据表输出。在完成了模块间的集成与系统前面板设计后,本文成功构建了用于空间目标形态测量的仿真系统。接下来,以激光雷达图像和系统模型中的技术指标为评估标准,在空间目标形态测量的应用背景下,我们对仿真系统进行了测试。在理想信噪比状态下,远距离（10km1km）的目标指示测试能较好的还原出目标的运动轨迹,从不同距离（8km、5km、3km）目标的测距结果分析,距离精度小于1.00m;中距离（1km以内）的成像测试中,仿真系统获得了正在变姿变轨的运动卫星的激光雷达4维图像,可从成像结果准确的判断出目标的形态,成像距离精度小于0.20m。近距离（500m以内）的高精度成像测试中,仿真系统能够精确的还原悬停目标的形态信息,距离精度达到厘米量级。除了距离精度,系统的距离分辨力也影响着系统性能。通过分析,啁啾波形的非线性畸变会导致距离分辨力下降。本文应用联合时频分析（JTFA）,通过构建数学模型,设计出一种啁啾畸变算法,开发出可产生非线性畸变的啁啾发生模块。利用添加此模块的仿真系统,实验了校正前非线性度2%的啁啾波与闭环校正后非线性度0.05%的啁啾波对于成像结果的影响,证明了非线性啁啾对系统的影响,并提出了解决方案。综上,本文构建的理论模型与仿真系统满足了总体设计的各项性能指标,基于该系统进行的仿真实验取得到了指导性的结论,对空间目标形态测量系统的可行性与实用化有着重要意义,对进一步完善系统设计提供了重点研究方向。同时,本文研究成果作为系统的仿真平台,也将为后续的仿真研究提供了系统层面的支持,有着很强的实用价值与创新意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 相关研究综述
• 1.2.1 激光测距雷达
• 1.2.2 激光成像雷达
• 1.2.3 激光雷达仿真
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 用于空间目标形态测量的系统模型
• 2.1 工作体制的选择
• 2.1.1 系统需求
• 2.1.2 频率调制连续波的工作原理
• 2.2 系统方案设计
• 2.2.1 FM-CW信号处理方案
• 2.2.2 系统总体设计方案
• 2.3 关键技术研究
• 2.3.1 激光光源与光学系统
• 2.3.2 啁啾调制系统
• 2.3.3 自混频器件
• 2.4 系统的技术指标
• 2.5 本章小结
• 第3章 仿真系统的设计与实现
• 3.1 仿真开发平台介绍
• 3.1.1 G语言特点
• 3.1.2 LabVIEW的优势
• 3.2 仿真系统总体设计
• 3.3 激光雷达模块
• 3.3.1 LabVIEW中的信号处理
• 3.3.2 单像素信号处理
• 3.3.3 面阵信号探测
• 3.4 目标输入模块
• 3.4.1 目标源的获取
• 3.4.2 LabVIEW中的文件I/O技术
• 3.4.3 目标文件读入
• 3.5 报表模块
• 3.5.1 LabVIEW中ActiveX技术应用
• 3.5.2 利用ActiveX技术输出图像
• 3.5.3 利用Excel模板输出报告
• 3.6 系统集成
• 3.6.1 全局变量
• 3.6.2 前面板交互设计
• 3.7 本章小结
• 第4 章 仿真系统的测试与分析
• 4.1 目标指示阶段的测试与结果
• 4.1.1 目标设定
• 4.1.2 系统参数选择
• 4.1.3 测试结果与分析
• 4.2 目标运动姿态的测试与结果
• 4.2.1 偏航方向变姿
• 4.2.2 俯仰方向变姿
• 4.2.3 横滚方向变姿
• 4.3 目标近距离悬停姿态测试与结果
• 4.4 本章小结
• 第5 章 基于仿真系统的啁啾波形畸变实验
• 5.1 非线性度对系统距离分辨力的影响
• 5.2 联合时频分析
• 5.2.1 短时傅里叶变换（STFT）
• 5.2.2 时频分布（WVD）
• 5.2.3 连续小波变换（CWT）
• 5.3 啁啾波形畸变模块的设计与实现
• 5.3.1 LabVIEW中的JTFA实现
• 5.3.2 带畸变功能的啁啾波发生器
• 5.4 啁啾波形畸变对系统的影响研究
• 5.4.1 周期非线性畸变实验
• 5.4.2 随机非线性畸变实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 1 仿真系统顶层程序框图
• 附录 2 畸变子VI的程序框图
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢