鐘紅軍，張俊，梁士通，王龍

(北京控制工程研究所，北京 100190)

1 引言

天基探測(cè)與感知技術(shù)是目前制約我國(guó)近地軌道資源開發(fā)和防護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)空間碎片監(jiān)視、碰撞評(píng)估分析、空間情報(bào)收集等極具研究?jī)r(jià)值和軍事意義。歐美等國(guó)家自上世紀(jì)70年代開始，制定了較為詳細(xì)的空間目標(biāo)探測(cè)計(jì)劃，建立了較為完備的態(tài)勢(shì)感知體系，部署了具有作戰(zhàn)實(shí)力的各類攻防武器[1]，我國(guó)太空資源安全已經(jīng)面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

2000年以來(lái)，美國(guó)天基感知與逼近偵察等攻防技術(shù)發(fā)展迅猛，各類尖端裝備齊上，實(shí)踐領(lǐng)域已經(jīng)從地基拓展到天基，性能指標(biāo)、功能上均優(yōu)越于我國(guó)，并部署了SBSS系列衛(wèi)星、ORS-5衛(wèi)星等低軌監(jiān)視衛(wèi)星以及GSSAP衛(wèi)星、EAGLE衛(wèi)星等高軌監(jiān)視衛(wèi)星，建立了地基—天基全局感知體系以及正在開發(fā)的臨近感知體系，能夠覆蓋所有軌道空間的所有目標(biāo)，包括碎片、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、近地目標(biāo)等，具有優(yōu)異的近程接近操作和遠(yuǎn)程感知能力[2]。

空間目標(biāo)探測(cè)正向著更小、更暗、更精、更專、效率更高的方向發(fā)展。碎片觀測(cè)尺寸低軌道從10cm向1cm、高軌從50cm向10cm發(fā)展，跟蹤精度低軌道從500m向10m級(jí)發(fā)展、高軌道從10km量級(jí)向500m發(fā)展[2]。空間目標(biāo)探測(cè)已在以下技術(shù)方面取得了創(chuàng)新性發(fā)展:

(1)增強(qiáng)探測(cè)能力模式的大規(guī)模應(yīng)用

MSX可見光探測(cè)器采用了多CCD拼接方法，將視場(chǎng)從單個(gè)的1.4°提升到6.6°，可將捕獲時(shí)間延長(zhǎng)為原來(lái)4倍，提高了目標(biāo)捕獲成功率。SBSS采用萬(wàn)向架機(jī)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)3π視場(chǎng)的捕獲能力，將對(duì)GEO衛(wèi)星的跟蹤能力提升50%以上。STARE采用納星星座技術(shù)，能夠?qū)?0cm大小的碎片交會(huì)概率評(píng)估提升到99%，24h內(nèi)的碰撞虛警率降低2個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)多種平臺(tái)的協(xié)作與共享策略

2000年以前，對(duì)于LEO≥10cm、GEO≥1m空間較大碎片和衛(wèi)星的觀測(cè)、編目主要依靠地基雷達(dá)和光電設(shè)備完成。2000年以后，隨著天基平臺(tái)的廣泛建立，逐步搭建了廣域監(jiān)視告警系統(tǒng)，將訪問時(shí)間最短縮到24h內(nèi)，最慢可在幾天內(nèi)完成捕獲[3，4]。特別是近年來(lái)，HST、WISE等天基望遠(yuǎn)鏡助力態(tài)勢(shì)感知，可對(duì)極暗弱的空間目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，太空監(jiān)視網(wǎng)逐漸覆蓋1mm目標(biāo)，填補(bǔ)了以前的空白。國(guó)際空間站等大型空間設(shè)施為避免微小目標(biāo)的頻繁碰撞，裝備了專屬的SDS系統(tǒng)，可對(duì)周圍的目標(biāo)進(jìn)行全域感知，大幅提升了空間站的安全系數(shù)。專屬監(jiān)視載荷的部署為我國(guó)空間站的安全發(fā)展提供了重要材料。

(3)核心算法上的級(jí)聯(lián)式突破

經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)積累，歐美在不同觀測(cè)模式下星點(diǎn)提取取得突破。包括恒星跟蹤和目標(biāo)跟蹤模式。對(duì)于恒星跟蹤模式，積分時(shí)間長(zhǎng)短決定了觀測(cè)目標(biāo)為點(diǎn)狀或帶狀形貌，對(duì)于目標(biāo)跟蹤模式，積分時(shí)間長(zhǎng)短決定了恒星為點(diǎn)狀或帶狀形貌[5，6]。兩種模式在處理暗弱目標(biāo)觀測(cè)提取時(shí)尤其如此。

(4)算法的硬件化加速了產(chǎn)品迭代流程

除使用FPGA做圖像預(yù)處理[7-9]、星點(diǎn)提取等模塊，P.C.Zimmer在使用sCMOS提升探測(cè)能力同時(shí)，提出GPU加速技術(shù)通過(guò)并行處理多幀多區(qū)域數(shù)據(jù)[10]，加快了實(shí)時(shí)處理，表明使用GPU技術(shù)后，在理論信噪比極限20%以內(nèi)的目標(biāo)幾乎可以全部實(shí)時(shí)處理。

(5)特性測(cè)量研究的深入與工程化發(fā)展

“探”與“測(cè)”僅是態(tài)勢(shì)感知的第一階段，即采用各種測(cè)量手段，地基或天基，光電或雷達(dá)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤與識(shí)別，在此基礎(chǔ)上，基于空間動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的定軌與編目，開發(fā)對(duì)應(yīng)設(shè)備和方法，建立目標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，為航天器防護(hù)、碰撞預(yù)警、在軌服務(wù)等提供支撐； “感”與“知”是態(tài)勢(shì)感知的第二階段，也是主要目的，即綜合各種測(cè)量手段，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)特性的詳盡分析與高階測(cè)量，積極搜集對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)極具價(jià)值的情報(bào)信息，對(duì)保護(hù)軌道資源、進(jìn)行精確打擊意義重大，也是空間力量 (太空攻防體系)進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)的有效前提。目前光度學(xué)與位置測(cè)量的結(jié)合，光譜學(xué)與光度學(xué)的互相配合等，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)特性的定量捕捉、反演解析功能，BRDF的輻射定標(biāo)技術(shù)使得解析未知目標(biāo)特性成為常規(guī)例程。這也是近年來(lái)國(guó)外研究的熱點(diǎn)和亮點(diǎn)問題。

對(duì)于空間中的暗弱目標(biāo)，提升探測(cè)能力需要提高相機(jī)的探測(cè)靈敏度，提升探測(cè)范圍需要提高相機(jī)的探測(cè)視場(chǎng)。隨著視場(chǎng)和靈敏度的大幅增加，探測(cè)相機(jī)圖像中背景恒星和空間目標(biāo)的數(shù)量指數(shù)級(jí)增加，導(dǎo)致圖像和數(shù)據(jù)在軌實(shí)時(shí)處理的難度指數(shù)級(jí)增加；反過(guò)來(lái)說(shuō)，由于相機(jī)在軌圖像和數(shù)據(jù)處理能力的約束，也限制了相機(jī)探測(cè)視場(chǎng)和探測(cè)靈敏度的進(jìn)一步提升。

本文面向航天器在軌探測(cè)、預(yù)警和規(guī)避等需求，針對(duì)目前空間碎片探測(cè)效率偏低、探測(cè)范圍和探測(cè)能力有限的問題，設(shè)計(jì)了一種天基空間碎片遠(yuǎn)距離廣域探測(cè)、識(shí)別和跟蹤方案，提出了一種背景稠密恒星和空間目標(biāo)同步捕獲和跟蹤方法，用于解決大視場(chǎng)下稠密星云背景下的空間目標(biāo)實(shí)時(shí)提取和跟蹤的關(guān)鍵問題，闡述了系統(tǒng)方案，分析了系統(tǒng)指標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)，并仿真了系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力。

2 任務(wù)特性分析

2.1 任務(wù)需求與指標(biāo)分析

LEO軌道目前集中了全球90%的碎片和70%的航天器，在太陽(yáng)同步軌道上裝備若干顆衛(wèi)星，通過(guò)多視場(chǎng)銜接的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)軌道空間目標(biāo)的觀測(cè)、定軌已經(jīng)成為目前的共識(shí)策略，優(yōu)勢(shì)在于:

(1)彌補(bǔ)單個(gè)視場(chǎng)盲區(qū)。對(duì)于單一視場(chǎng)體制，只能將視場(chǎng)之內(nèi)的目標(biāo)捕獲到，可觀測(cè)天區(qū)一般對(duì)應(yīng)某一歷元某一天區(qū)數(shù)據(jù)，目標(biāo)的隨機(jī)向量運(yùn)動(dòng)決定了難以采用定向捕獲方式。

(2)目標(biāo)不同歷元數(shù)據(jù)累積的需求。使用開普勒定律直接定軌，其定軌精度受制于模型誤差和數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)目和質(zhì)量，模型誤差主要包括太陽(yáng)光壓等各種攝動(dòng)因素、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自身的機(jī)動(dòng)變換，數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)目，主要指整個(gè)軌道在天球坐標(biāo)系的采樣數(shù)目，數(shù)據(jù)質(zhì)量主要取決于探測(cè)相機(jī)自身的各種誤差，數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)的相關(guān)特性。一般短時(shí)的采樣數(shù)據(jù)具有較高的冗余度，在某一方向的精度較高，其他方向則含有較大誤差。

(3)提升觀測(cè)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。天球坐標(biāo)系下，平臺(tái)自身、碎片或航天器目標(biāo)遵從同一引力定律，由太陽(yáng)方向變化導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌道不一，單一視場(chǎng)覆蓋的可見弧段較短，觀測(cè)效率難以提升。而多個(gè)視場(chǎng)優(yōu)化后，可保證整個(gè)軌道范圍內(nèi)，目標(biāo)皆能超過(guò)探測(cè)器靈敏度，實(shí)現(xiàn)多次觀測(cè)的目的。

因此，近幾年主要的目標(biāo)是突破大視場(chǎng)覆蓋技術(shù)、高靈敏度探測(cè)和處理技術(shù)、跟蹤及識(shí)別技術(shù)，研制相關(guān)樣機(jī)并在軌驗(yàn)證，達(dá)到如下目標(biāo):①目標(biāo)大小:LEO≥10cm；②探測(cè)距離:1400km；③48h反應(yīng)機(jī)制；④預(yù)警功能。

為可探測(cè)1400km、10cm目標(biāo) (對(duì)于600km軌道衛(wèi)星，可探測(cè)2000km的低軌目標(biāo))，設(shè)計(jì)了以下系統(tǒng)指標(biāo):

① 單個(gè)探頭視場(chǎng):15°×15°；

②探頭數(shù)量:9個(gè)；

③ 子系統(tǒng)視場(chǎng)角:45°×45°；

④ 更新率，多檔可調(diào):0.5Hz、1Hz、2Hz；

⑤探測(cè)能力:≥13Mv。

探測(cè)能力主要是由探測(cè)距離、可探測(cè)目標(biāo)尺寸和平臺(tái)軌道決定，目前設(shè)置為13Mv。系統(tǒng)采用多頭探測(cè)體制，主要借鑒了STARE和SBSS演示驗(yàn)證星的相關(guān)技術(shù)，不僅達(dá)到視場(chǎng)覆蓋的目的，也可方便頭部相同目標(biāo)的證認(rèn)、隨訪等特性。單個(gè)探頭視場(chǎng)為15°，在探頭數(shù)量和視場(chǎng)大小之間達(dá)到平衡，保證既能捕獲目標(biāo)，又為實(shí)際圖像的處理留夠足夠的空間。量化參數(shù)主要考慮探測(cè)器的精度等指標(biāo)。更新率主要適應(yīng)不同曝光率，可對(duì)不同距離的目標(biāo)進(jìn)行針對(duì)性探測(cè)。

2.2 目標(biāo)特性分析

(1)空間目標(biāo)特性

空間碎片在軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，周期地經(jīng)過(guò)日照區(qū)和地球陰影區(qū)。在日照區(qū)，空間碎片主要受到太陽(yáng)輻射、地球反射、地球輻射等影響，其中太陽(yáng)輻射起主要作用，可見光波段觀測(cè)具有較大優(yōu)勢(shì)；在陰影區(qū)，則主要受地球輻射的影響?？臻g碎片在軌道不同位置受到的輻射是不同的，而其溫度也隨之改變。在陰影區(qū)，空間碎片的平衡溫度約為150K；在日照區(qū)，空間碎片的平衡溫度約為300K。根據(jù)維恩位移定律可知，當(dāng)黑體溫度為300K(空間碎片日照區(qū)溫度)時(shí)，峰值波長(zhǎng)在9.7μm附近；當(dāng)黑體溫度為150K(空間碎片陰影區(qū)溫度)時(shí)，峰值波長(zhǎng)在19.3μm附近。

空間碎片按尺寸大小，有如下分類:

1)大尺寸空間碎片——尺寸為米級(jí)及以上空間碎片，包括報(bào)廢的衛(wèi)星整體，使用過(guò)的火箭末級(jí)殘荷。由于尺寸較大，該類空間碎片具有較高的能量和破壞力，能被地面觀測(cè)設(shè)備直接探測(cè)。

2)中等尺寸空間碎片——尺寸介于毫米級(jí)與分米級(jí)的碎片。這類碎片大多由于航天器爆炸解體，或之間碰撞所產(chǎn)生。由于尺寸較小，很難被地面觀測(cè)設(shè)備直接探測(cè)。

3)小尺寸空間碎片——尺寸在毫米級(jí)以下的空間碎片。如航天器表面剝落的油漆碎片，或發(fā)動(dòng)機(jī)噴射的固體燃料粉末。雖然碎片質(zhì)量很小，但是空間碎片的主要組成部分。

(2)探測(cè)距離與星等的關(guān)系

相機(jī)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將空間目標(biāo)成像于光電轉(zhuǎn)換器上，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送數(shù)據(jù)處理單元，經(jīng)星點(diǎn)提取和星圖識(shí)別，確定相機(jī)光軸矢量在慣性坐標(biāo)系下的指向，通過(guò)相機(jī)在飛行器、星光導(dǎo)航系統(tǒng)及艦船上的安裝矩陣，確定其在慣性坐標(biāo)系下的三軸姿態(tài)。恒星靜止不動(dòng)，空間目標(biāo)相對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，基于相機(jī)中恒星和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以監(jiān)測(cè)空間目標(biāo)。空間目標(biāo)的等價(jià)星等可通過(guò)下式得到:

其中，Es為目標(biāo)反照的太陽(yáng)的能量，E0為零等星的能量。

絕大部分低軌碎片目標(biāo)位于800km和1400km兩個(gè)高度[11]。衛(wèi)星軌道高度600km，探測(cè)距離為1400km，則最高可探測(cè)2000km的目標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)300～2000km空間目標(biāo)的覆蓋探測(cè)。目標(biāo)的亮度特征與距離有關(guān)，目標(biāo)0.2反射率，可獲得目標(biāo)探測(cè)距離與星等的關(guān)系如圖1所示。

(3)目標(biāo)相位角與星等的關(guān)系

亮度特征與距離有關(guān)，假設(shè)衛(wèi)星軌道高度600km，空間目標(biāo)尺寸為10cm，目標(biāo)反射率0.2，固定距離L=1400km，目標(biāo)相位角與星等之間的關(guān)系如圖2和表1所示。

圖1 空間目標(biāo)在觀測(cè)相機(jī)處探測(cè)星等與距離的關(guān)系Fig.1 Relationship between magnitude and range of the space target detected at the space observation site

表1 目標(biāo)相位角與星等之間的關(guān)系Tab.1 Relationship between solar phase angle and magnitude of space target

由圖2可知，在目標(biāo)相位角從0°變化到60°范圍內(nèi)，目標(biāo)星等逐漸從12.28Mv上升到13.04Mv，因此為保證大部分時(shí)間目標(biāo)可見性，探測(cè)靈敏度設(shè)計(jì)為13Mv。

圖2 空間目標(biāo)在觀測(cè)相機(jī)處探測(cè)星等與觀測(cè)相位角的關(guān)系Fig.2 Relationship between magnitude and observation phase angle of the space target detected at the space observation site

(4)目標(biāo)探測(cè)數(shù)量與視場(chǎng)角的關(guān)系

圖3為低軌空間目標(biāo)大于10cm的數(shù)量分布圖。由圖3可知，800～1000km和1400～1600km有兩個(gè)峰值，其密度超過(guò)1000個(gè)/km3。

圖3 空間目標(biāo)在近地軌道空間的密度分布Fig.3 The density distribution of space objects in LEO space

對(duì)于一定目標(biāo)距離，其可探測(cè)數(shù)量為目標(biāo)密度×視場(chǎng)角×目標(biāo)所占體積，由此可以推出，不同軌道高度的觀測(cè)平臺(tái)，隨其觀測(cè)距離遠(yuǎn)近的可觀測(cè)目標(biāo)數(shù)量。

以下分別計(jì)算了平臺(tái)軌道在600km、800km、1000km，觀測(cè)距離分別為0～1400km，單個(gè)探測(cè)相機(jī)15°視場(chǎng)內(nèi)可探測(cè)目標(biāo)的數(shù)量，如圖4所示。

圖4 不同觀測(cè)軌道可觀測(cè)空間目標(biāo)數(shù)量 (FOV=15°)Fig.4 The observable number of space objects in different observation orbits(FOV=15°)

由圖4可知，對(duì)于600km觀測(cè)平臺(tái)，不考慮地球陰影影響，其向軌道內(nèi)觀測(cè)時(shí)，可觀測(cè)目標(biāo)數(shù)量從2到6，向軌道外觀測(cè)時(shí)，可觀測(cè)數(shù)量大幅增加，當(dāng)觀測(cè)距離達(dá)到1400km時(shí)，可觀測(cè)目標(biāo)數(shù)量92個(gè)。對(duì)于800km觀測(cè)平臺(tái)，可觀測(cè)目標(biāo)數(shù)量由近至遠(yuǎn)為12～73顆，對(duì)于1000km觀測(cè)平臺(tái)，可觀測(cè)目標(biāo)數(shù)量由近至遠(yuǎn)為6～56顆。

當(dāng)距離從0km增加到1400km時(shí)，觀測(cè)數(shù)量呈遞增趨勢(shì)，由于1600km外空間目標(biāo)較少，到軌道高度1600km處可觀測(cè)數(shù)量達(dá)到峰值，繼續(xù)增加探測(cè)距離，可觀測(cè)數(shù)目增加較少。

2.3 背景恒星分析

任務(wù)需求給出了探測(cè)鏈條能夠探測(cè)和處理的目標(biāo)星等，結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)，可以確定單個(gè)視場(chǎng)內(nèi)可觀測(cè)目標(biāo)的密度。以目前的靈敏度 (13Mv)、視場(chǎng) (15°)估計(jì)，像平面所包括最高星數(shù)約25000顆，如表2所示。對(duì)于6K×6K的探測(cè)器，單星平均所占像元數(shù)約1500個(gè)像元，可以預(yù)知，像平面將充斥大量恒星，背景不僅包括暗黑的天空背景，還包括由恒星散射光造成的整個(gè)像面的不均勻分布，這對(duì)恒星目標(biāo)的提取、剔除，進(jìn)而捕獲目標(biāo)提出重大挑戰(zhàn)。

表2 背景恒星數(shù)量與不同探測(cè)星等和視場(chǎng)之間的關(guān)系Tab.2 Relationship between the number of background stars and different magnitudes and fields of view

3 系統(tǒng)方案

3.1 總體方案

對(duì)系統(tǒng)探測(cè)靈敏度、探測(cè)精度、探測(cè)效率三大因素進(jìn)行綜合分析，提高探測(cè)靈敏度和探測(cè)精度，將極大約束視場(chǎng)大小，而探測(cè)效率迫切要求視場(chǎng)具備較大面積覆蓋。

在總體資源有限情況下，根據(jù)項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)需求，確定以下總體實(shí)現(xiàn)方案:

(1)單探頭采用大視場(chǎng)15°，提高單視場(chǎng)的探測(cè)范圍；

(2)多探頭采用多視場(chǎng)的拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)之間的廣域銜接與關(guān)聯(lián)覆蓋問題；

(3)探測(cè)器采用sCMOS實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測(cè)；

(4)背景稠密恒星和空間目標(biāo)的同步捕獲和跟蹤方法；

(5)使用FPGA和GPU聯(lián)合實(shí)現(xiàn)焦平面的高性能探測(cè)與提取問題。

3.2 高靈敏度探測(cè)技術(shù)

3.2.1 焦平面功能選型

焦平面功能方案包括單探測(cè)器方案和多探測(cè)器方案。多探測(cè)器拼接方案一方面可以提高探測(cè)分辨率和目標(biāo)探測(cè)精度；另一方面可將探測(cè)器分為幾個(gè)不同部分，進(jìn)行不同的成像和處理功能劃分，如將探測(cè)器分4塊，其中1塊主要用于姿態(tài)估計(jì)，其余3塊主要用于恒星跟蹤，如圖5所示。第1塊姿態(tài)估計(jì)模塊可設(shè)置較短的積分時(shí)間，主要用于慣性姿態(tài)確定和恒星背景的確定，探測(cè)靈敏度較低，在完成處理后，可以提供精確的局部天區(qū)星表和預(yù)測(cè)坐標(biāo)，簡(jiǎn)化其余第2～4塊探測(cè)器的信息提取。第2～4塊探測(cè)器的積分時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，達(dá)到空間目標(biāo)的探測(cè)靈敏度，利用慣性跟蹤技術(shù)，直接提取恒星背景和空間目標(biāo)。探測(cè)器固定安裝關(guān)系可地面進(jìn)行標(biāo)定，得到各探測(cè)器像面相對(duì)其他探測(cè)器像面的參數(shù)。

圖5 焦平面姿態(tài)功能示意圖Fig.5 The attitude diagram on the focal plane

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)方案、降低相機(jī)工程實(shí)現(xiàn)難度，本文選用了單探測(cè)器方案，選用大面陣高分辨率高靈敏度探測(cè)器，輔以本文提出的背景恒星和空間目標(biāo)同步捕獲和跟蹤技術(shù)，完成慣性姿態(tài)計(jì)算和空間目標(biāo)探測(cè)。

3.2.2 探測(cè)器選型

可見光探測(cè)相機(jī)可選擇的低噪聲探測(cè)器主要包括以下幾類，其優(yōu)缺點(diǎn)參見表3。

表3 幾類高靈敏度探測(cè)器比較Tab.3 Comparison of several high sensitivity detectors

EMCCD通過(guò)一個(gè)芯片級(jí)聯(lián)放大機(jī)制，實(shí)現(xiàn)硅體中的光電子倍增，最終可獲得極低的讀出噪聲，讀出噪聲與讀出速率無(wú)關(guān)，可工作于高幀率模式。忽略熱噪聲，若將EMCCD等效為常規(guī)CCD器件，其讀出噪聲可低至0.1e。EMCCD需致冷，工作電壓高，系統(tǒng)體積功耗大。

ICCD主要通過(guò)像增強(qiáng)原理提升探測(cè)靈敏度。像增強(qiáng)器的光陰極將光轉(zhuǎn)換為電子后，電信號(hào)經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速進(jìn)入微通道板，在微通道板的光纖通道內(nèi)，電子經(jīng)過(guò)不斷的撞擊倍增后打在熒光屏上，重新激發(fā)出光子圖像，最終由中繼元件再次經(jīng)光電轉(zhuǎn)換為電信號(hào)成像在CCD上。ICCD屬于真空器件，易損壞，不易小型化，壽命短。

EBCCD不同于ICCD，以背照式CCD替換了內(nèi)部的熒光屏及后續(xù)組件。其工作原理是入射光子經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)直接照射在光陰極上生成電荷，電荷經(jīng)加速入射在CCD上，形成電子轟擊效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的放大。但是在10～20keV電子轟擊下會(huì)產(chǎn)生輻射損傷，使得暗電流增大，轉(zhuǎn)移效率跟著下降，壽命較短。

sCMOS技術(shù)是目前為止性能最佳的技術(shù)，在噪聲、速度、動(dòng)態(tài)范圍和視場(chǎng)/分辨率均有優(yōu)勢(shì)。如5.5M像素的sCMOS傳感器可提供一個(gè)大的視場(chǎng)和高分辨率，在30f/s情況下，sCMOS讀出噪聲RMS＜2e，在100f/s下讀出噪聲RMS＜3e。

圖6 sCMOS的QE曲線Fig.6 QE curve of sCMOS

由于探測(cè)目標(biāo)數(shù)量巨大，在通光孔徑有限的條件下，實(shí)現(xiàn)13Mv的高靈敏度，因此選用了高靈敏度大面陣sCMOS器件，像元分辨率6144×6144。前述仿真表明，當(dāng)通光孔徑160mm，焦距233mm，探測(cè)靈敏度可實(shí)現(xiàn)13Mv，信噪比SNR優(yōu)于3。另外，積分時(shí)間設(shè)置5～250ms可調(diào)，以適應(yīng)低軌探測(cè)目標(biāo)的高相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

3.2.3 基于FPGA和GPU的流水線處理技術(shù)

FPGA是一種可編程進(jìn)行功能定制的半成型數(shù)字電路器件。FPGA內(nèi)部包含數(shù)量眾多的邏輯門電路和專用資源，可通過(guò)編程定制字功能。FPGA器件與DSP器件對(duì)比，可以通過(guò)并行結(jié)構(gòu)完成數(shù)字信號(hào)處理功能尤其擅長(zhǎng)大數(shù)據(jù)吞吐量、計(jì)算等。DSP+FPGA的硬件系統(tǒng)架構(gòu)，結(jié)合了DSP開發(fā)維護(hù)方便、性能優(yōu)越和FPGA可并行高速處理的特點(diǎn)，在星敏感器中得到廣泛應(yīng)用。

為解決更高靈敏度在線處理問題，GPU具有大容量并行處理能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)探測(cè)和態(tài)勢(shì)感知領(lǐng)域。GPU特點(diǎn):(1)當(dāng)出現(xiàn)多個(gè)探測(cè)單元時(shí)，GPU可分核處理每個(gè)單元；(2)當(dāng)出現(xiàn)大規(guī)模并行運(yùn)行程序時(shí)，可分線程處理。

按照目前在導(dǎo)航星敏感器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們采用如圖7所示的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的提取、識(shí)別與跟蹤。其中，F(xiàn)PGA完成整幅星圖的預(yù)處理、點(diǎn)源提取等任務(wù)，GPU技術(shù)主要功能是處理復(fù)雜耗時(shí)的算法，完成姿態(tài)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的捕獲跟蹤。高精度高效率星表設(shè)計(jì)將協(xié)助多目標(biāo)識(shí)別與跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)真實(shí)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別。

圖7 目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)流程圖Fig.7 The algorithm realization flow chart of space target detection and recognition system

表4 目標(biāo)探測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)GPU算法模塊Tab.4 GPU algorithm modules of space target detection and recognition system

3.3 同步捕獲與跟蹤技術(shù)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像特性與恒星相同，在單幀圖像中可提取，但無(wú)法識(shí)別，只能通過(guò)多幀比對(duì)，根據(jù)目標(biāo)相對(duì)于恒星背景運(yùn)動(dòng)的信息進(jìn)行識(shí)別和分類。識(shí)別、分類算法包含以下3個(gè)部分:

(1)圖像預(yù)處理；

(2)恒星慣性姿態(tài)模式；

(3)碎片探測(cè)模式。

背景恒星和空間目標(biāo)的常規(guī)探測(cè)和跟蹤流程圖如圖8所示，對(duì)于大視場(chǎng)高靈敏度探測(cè)，圖像中背景恒星數(shù)量已達(dá)25000顆，將圖像中的背景恒星剔除計(jì)算量巨大，難以實(shí)時(shí)完成，目前采用圖像壓縮下傳方式，地面進(jìn)行事后處理分析。由于衛(wèi)星存儲(chǔ)量和下傳數(shù)據(jù)通道的限制，導(dǎo)致在軌探測(cè)數(shù)據(jù)利用率較低。

圖8 目標(biāo)探測(cè)和跟蹤常規(guī)處理流程圖Fig.8 The routine processing chart of space target detection and tracking

本文提出了一種目標(biāo)同步捕獲和跟蹤新方法，其流程見圖9。將圖像像面分為上一幀圖像的原跟蹤區(qū)域和新的圖像探測(cè)區(qū)域，在原有已探測(cè)區(qū)域中，采用目標(biāo)的窗口跟蹤模式；在新探測(cè)區(qū)域進(jìn)行全圖捕獲搜索，采用硬件技術(shù)實(shí)時(shí)提取內(nèi)部的亮點(diǎn)，完成疑似隊(duì)列的建立和新進(jìn)入視場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)捕獲，大幅減少目標(biāo)圖像提取時(shí)間。在慣性空間姿態(tài)計(jì)算方面，僅跟蹤計(jì)算預(yù)先選定的極少量背景恒星，大幅降低稠密背景星云的干擾和影響，減小數(shù)據(jù)處理量。

圖9 本文提出的目標(biāo)同步捕獲和跟蹤方法流程圖Fig.9 The flow chart of synchronous method for space target acquisition and tracking proposed in this paper

在系統(tǒng)上采用FPGA完成圖像的硬件化處理，將新探測(cè)圖像區(qū)域的捕獲流程與原探測(cè)區(qū)域的跟蹤流程同步并行化處理，提高處理的實(shí)時(shí)性。設(shè)衛(wèi)星在軌運(yùn)動(dòng)角速度為0.06°/s，探測(cè)相機(jī)視場(chǎng)15°×15°，數(shù)據(jù)更新率為1Hz，相比常規(guī)全圖處理流程，采用本文提出的改進(jìn)同步處理流程，可將圖像捕獲搜索的處理數(shù)據(jù)量降為原有數(shù)據(jù)量的4‰，將捕獲搜索的背景恒星數(shù)量由25000顆降為100顆，具有在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)。

如圖10所示，將像平面分為225塊，每一塊對(duì)應(yīng)大致1°×1°視場(chǎng)范圍。將進(jìn)入視場(chǎng)的天區(qū)設(shè)為捕獲區(qū)域，其他區(qū)域定為跟蹤區(qū)域。當(dāng)圖像幀時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度為1°時(shí)，圖示箭頭塊將作為捕獲區(qū)域，其他區(qū)域?yàn)楦檯^(qū)域，具體區(qū)域大小可根據(jù)光軸角速度大小進(jìn)行設(shè)置。

圖10 像平面目標(biāo)捕獲和跟蹤功能分配區(qū)域示意圖Fig.10 The schematic diagram of allocation area for space objects acquisition and tracking on focal plane

3.4 多視場(chǎng)信息融合技術(shù)

3.4.1 多視場(chǎng)信息融合

針對(duì)視場(chǎng)目標(biāo)銜接與關(guān)聯(lián)覆蓋問題，提出采用多頭多視場(chǎng)拼接技術(shù)，提出多視場(chǎng)拼接方案。探測(cè)相機(jī)系統(tǒng)包含多個(gè)探測(cè)頭部，會(huì)生成大量的背景恒星和微小空間目標(biāo)信息，對(duì)各頭部星圖、背景星點(diǎn)、空間目標(biāo)進(jìn)行信息融合，實(shí)現(xiàn)各相機(jī)慣性姿態(tài)識(shí)別穩(wěn)定、指向測(cè)量精度提升、空間探測(cè)目標(biāo)在各頭部連續(xù)識(shí)別跟蹤不丟失的目標(biāo)。包括光軸聯(lián)合標(biāo)校、多個(gè)頭部目標(biāo)信息融合、多目標(biāo)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)跟蹤等模塊。

圖11 多視場(chǎng)信息融合主要算法模塊Fig.11 The main algorithm modules for multi-view information fusion

3.4.2 多視場(chǎng)布局與重疊技術(shù)

針對(duì)空間目標(biāo)的隨訪問題，提出采用柵欄技術(shù)實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)重疊與關(guān)聯(lián)。采用多個(gè)衛(wèi)星、多個(gè)探測(cè)相機(jī)方式實(shí)現(xiàn)廣域視場(chǎng)關(guān)聯(lián)和覆蓋問題，提高空間目標(biāo)的探測(cè)效率，提高目標(biāo)定軌精度。

至少布局2個(gè)同軌道觀測(cè)平臺(tái) (SA、SB)，每個(gè)軌道平臺(tái)布局至少2個(gè)頭部 (SA-A、SAB、SB-A、SB-B)，可實(shí)現(xiàn)如下指標(biāo):1.對(duì)同一天區(qū)重復(fù)觀測(cè) (如SA-A與SB-B結(jié)合)，為空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大弧段關(guān)聯(lián)提供精確的方法，為實(shí)現(xiàn)幾何定軌提供數(shù)據(jù)；2.能夠?qū)壍烂娴哪繕?biāo)不斷巡訪，提高目標(biāo)的探測(cè)概率；3.多次觀測(cè)之間預(yù)留足夠的銜接，即疊加視場(chǎng)的方法，保證已經(jīng)證認(rèn)的目標(biāo)能比較流暢地轉(zhuǎn)入下一視場(chǎng)進(jìn)行跟蹤。

采用空間機(jī)動(dòng)方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地球與太陽(yáng)的陰影弧段，如柵欄A和柵欄B的觀測(cè)，這樣既提高了效率，也能在幾何定軌方法后，計(jì)算柵欄A中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在柵欄B的出沒時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多時(shí)段該目標(biāo)的探測(cè)。

該技術(shù)結(jié)合掃描技術(shù)，包括平臺(tái)萬(wàn)象架掃描和光路掃描，可逐漸覆蓋整個(gè)3π立體空間，能夠高效率探測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

圖12 多視場(chǎng)的布局與重疊方法示意圖Fig.12 The schematic diagram of layout and overlapping method for multiple fields of view

4 仿真結(jié)果

4.1 目標(biāo)硬件實(shí)時(shí)提取

為了提升相機(jī)數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性，使用FPGA完成整幅星圖的預(yù)處理、點(diǎn)源提取等任務(wù)，仿真圖像的背景恒星數(shù)量、分辨率等參數(shù)設(shè)置按照本項(xiàng)目總體參數(shù)設(shè)置。處理流程如下:

設(shè)原始灰度值為Grayi，j，計(jì)算得到區(qū)域圖像閾值為meani，j+γσ，當(dāng)Grayi，j＞meani，j+γσ時(shí)，該像元為高亮像元，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記signi，j=1，其他未剔除的像元視為0。

為了便于簡(jiǎn)化分析和顯示，僅列出2.1°視場(chǎng)范圍內(nèi)的圖像處理結(jié)果，表5為提取像元數(shù)與提取星數(shù)之間的關(guān)系，圖13、14為該視場(chǎng)范圍內(nèi)的目標(biāo)提取效果。

表5 背景參數(shù)與提取像素點(diǎn)提取星數(shù)關(guān)系Tab.5 Relationship between background parameters and number of stars extracted from the detected pixels

圖13 γ=2,γ=4提取的效果圖Fig.13 The extracted renderings with γ=2, γ=4

圖14 空間目標(biāo)的提取效果圖Fig.14 The effect drawing of space object extraction

圖14中，藍(lán)色為提取全部的點(diǎn)狀目標(biāo)，紅色為星表暗星 (13Mv)，綠色為星表中亮于12Mv的恒星。當(dāng)背景參數(shù)γ=2時(shí)，能將圖中500顆恒星提出，提取成功率達(dá)到98.6%，說(shuō)明FPGA硬件提取空間目標(biāo)的方案可行。

當(dāng)背景恒星為507顆時(shí)，F(xiàn)PGA共需要提取13883像素點(diǎn)才可滿足提取要求，這對(duì)FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源提出了重大挑戰(zhàn)；后續(xù)在FPGA內(nèi)部采取圖像像素提取與點(diǎn)狀目標(biāo)提取的綜合設(shè)計(jì)方法、可進(jìn)一步降低FPGA像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。

圖15 FPGA處理新目標(biāo)進(jìn)入?yún)^(qū)域所占面積比例和所耗時(shí)間Fig.15 The proportion of area and time for new target entering area during FPGA processing

在平臺(tái)或圖像運(yùn)動(dòng)情況下，像平面將有一部分區(qū)域?yàn)樾履繕?biāo)進(jìn)入?yún)^(qū)域，按前述要求，使用Matlab在PC機(jī)上模擬FPGA處理流程提取新區(qū)域的高亮像點(diǎn)，其處理新區(qū)域所占面積比率、提取像元數(shù)、耗時(shí)量參見圖15。

由圖15可知，提取的像素點(diǎn)數(shù)、提取的星點(diǎn)數(shù)與所占視場(chǎng)面積近似成比例增加，星點(diǎn)提取所耗時(shí)間與視場(chǎng)面積近似成平方關(guān)系。從分析結(jié)果看，F(xiàn)PGA僅對(duì)圖像新探測(cè)區(qū)域的目標(biāo)進(jìn)行處理，是一種高效率處理辦法。

4.2 目標(biāo)識(shí)別與跟蹤

(1)捕獲與跟蹤區(qū)域

為提高運(yùn)算速度，由3.3節(jié)可知，可只需處理整幅圖像的部分區(qū)域。仿真圖像按15°×15°、5°×5°、 3°×3°、 1°×1°不同視場(chǎng)的星圖見圖16。對(duì)于不同的視場(chǎng)大小，軟件提取像素點(diǎn)占比所耗時(shí)間和提取像素?cái)?shù)參見圖16。

圖16 不同視場(chǎng)星圖Fig.16 The star distribution of different fields of view

因此，為能盡快識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，應(yīng)盡可能將新探測(cè)天區(qū)作為捕獲區(qū)域，將視場(chǎng)駐留的區(qū)域設(shè)為跟蹤區(qū)域。這樣既能達(dá)到快速識(shí)別目標(biāo)，又能快速跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，達(dá)到資源有限情況下目標(biāo)的快速提取需求。

(2)目標(biāo)疑似識(shí)別隊(duì)列建立

圖像預(yù)處理效果參見圖17。其中左圖為2°視場(chǎng)的原始圖像，共有約496顆觀測(cè)星，右圖為疑似目標(biāo)圖像，有效提取的4個(gè)疑似目標(biāo)中，其中1/2/3是真實(shí)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，可有效提取。

圖17 左圖：2°視場(chǎng)原始圖像,右圖：疑似目標(biāo)圖像Fig.17 Original image with 2°(left)and unresolved space targets(right)

(3)目標(biāo)跟蹤與分類

在相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)的空間目標(biāo)可認(rèn)為其做勻速直線運(yùn)動(dòng)，因此可以根據(jù)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，采用窗口跟蹤方式進(jìn)行甄別。該跟蹤方法的好處有二:①減少目標(biāo)提取和識(shí)別計(jì)算量，加速目標(biāo)處理實(shí)時(shí)性；②對(duì)于臨界探測(cè)靈敏度目標(biāo)，由于其亮度時(shí)亮?xí)r弱，導(dǎo)致提取時(shí)有時(shí)無(wú)，這些運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，可在有先驗(yàn)信息情況下保持關(guān)聯(lián)，有效解決探測(cè)視場(chǎng)連續(xù)關(guān)聯(lián)。

圖18為使用同步捕獲和跟蹤算法提取的圖像。可以看出，圖中跟蹤區(qū)域的6個(gè)已知目標(biāo)已經(jīng)有效提取。捕獲區(qū)域中的左圖4個(gè)疑似目標(biāo)中，3個(gè)真實(shí)目標(biāo)已全部識(shí)別，對(duì)于其他干擾點(diǎn)，則可全部濾除。

圖18 識(shí)別和跟蹤的目標(biāo)及其軌跡Fig.18 The detected space objects and their trajectories

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種天基空間碎片遠(yuǎn)距離廣域探測(cè)、識(shí)別和跟蹤方案，提出了一種背景稠密恒星和空間目標(biāo)同步捕獲和跟蹤方法，可將圖像捕獲搜索的處理數(shù)據(jù)量降為原有數(shù)據(jù)量的4‰，將捕獲搜索的背景恒星數(shù)量由25000顆降為100顆，具有在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)?？山鉀Q大視場(chǎng)下稠密星云背景下的空間目標(biāo)實(shí)時(shí)提取和跟蹤的關(guān)鍵問題，為空間目標(biāo)圖像和信息數(shù)據(jù)在軌實(shí)時(shí)處理提供了可行途徑。

分別對(duì)不同的天基背景進(jìn)行了仿真建模和地面觀星試驗(yàn)，分析表明，提出的方法能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)提取背景恒星，能夠100%地提取空間運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，濾除干擾因素，并做正確的軌跡關(guān)聯(lián)處理。本文對(duì)未來(lái)建立和研制高效率空間探測(cè)和監(jiān)視衛(wèi)星具有重要參考意義。