田偉杰，王曉峰2，羅 杰

(1.山西大學 物理電子工程學院，太原 030006；2.山西大學 電子信息工程系，太原 030006)

0 引言

激光雷達是一種以光束測探定點位置為執(zhí)行目的的雷達檢測系統(tǒng)。激光束作為系統(tǒng)中的探測信號，可在保持不同特征量條件的情況下，向目標檢測位置發(fā)射既定目標回波，再通過對比發(fā)射信號與探測信號的方式，確定待測定目標的具體狀態(tài)信息。常規(guī)情況下，在對信號條件進行規(guī)范化處理后，可獲得與測定目標有關(guān)的所有雷達信號條件，常見參數(shù)形態(tài)包含距離、速度、姿態(tài)、方位、高度、形狀等。根據(jù)過往應(yīng)用經(jīng)驗來看，激光雷達測量常被用于對探測或識別飛機、導(dǎo)彈或各類航天器結(jié)構(gòu)。微機電系統(tǒng)也叫MEMS，是由微能源、動作器或執(zhí)行器、傳感器三部分組成的智能化獨立系統(tǒng)[1]。MEMS作為作為典型的多學科交叉研究手段，涉及電子技術(shù)、物理學、能源化學、機械技術(shù)等多個方面，在工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域均具有較為廣闊的發(fā)展前景。

航天器也叫空間飛行器，可按照天體力學規(guī)律在空間環(huán)境中進行自主飛行，可用于探索、開發(fā)未知的軌道領(lǐng)域。但因天體環(huán)境性質(zhì)的不同，處于不同空間軌道時，航天器質(zhì)量大小及行進狀態(tài)都會發(fā)生一定改變，進而使航行軌跡中部分節(jié)點被其它節(jié)點覆蓋，出現(xiàn)目標點隱藏情況。為解決上述問題，在激光雷達與MEMS技術(shù)的支持下，建立一種全新的航天器隱藏目標點測量方法。通過采集測量上機位數(shù)據(jù)的方式，獲取與雷達測量相關(guān)的性能指標，再利用航天器目標特征模型，選擇適宜的測量點位置，最終得到準確的隱藏目標比例測算結(jié)果。

1 MEMS激光雷達基本測量特性

MEMS激光雷達測量特性分析是利用濾波器獲取性能指標的處理過程，以測量上機位數(shù)據(jù)作為過渡變量，其具體分析過程如下。

1.1 離散型雷達濾波器

雷達濾波器是激光電容、MEMS電感及電阻元件組成的離散型濾波電路。雷達濾波器可對航天器電源線中特定頻率的頻點及頻點以外頻率進行濾除處理，進而得到一個處于固定頻率的測量電源信號，也可消除頻段固定的電源干擾信號。本文選用型號為20DBAS5型號的雷達濾波器，在目標點測量過程中充當基礎(chǔ)選頻裝置，可使頻率處于特定區(qū)段的隱藏航天器目標直接通過，進而最大程度衰減干擾覆蓋目標在行駛軌跡中所占物理比重。

凡是可以直接通過雷達濾波器的航天器隱藏目標信號都滿足離散型衰減原理，可在保證自我衰減周期得到滿足的前提下，利用波的振動作用，抑制其它頻率成分的增長趨勢[2]?？偟膩碚f，離散型雷達濾波器是過濾航天器隱藏目標點信號波的物理元件，其運行過程完全遵循直流穩(wěn)壓電源的輸出作用，可引起激光測量上機位中數(shù)據(jù)總量的不斷提升。

1.2 激光測量上機位數(shù)據(jù)采集

激光測量上機位是離散型雷達濾波器獲取航天器隱藏目標信息的物理通道，其排列方式滿足RS-422通信協(xié)議，對所有經(jīng)過該設(shè)備的目標數(shù)據(jù)都采取差模分配方式。在雷達濾波器保持單獨的接收與發(fā)送狀態(tài)時，不需要很強的驅(qū)動能力，就能使航天器隱藏目標點信息在測量位置保持連貫排列狀態(tài)，且在此條件下，濾波器可在一定時間內(nèi)快速達到極值工作狀態(tài)，進而使可測量數(shù)據(jù)在上機位中大量堆積，當該數(shù)值結(jié)果達到理想?yún)^(qū)段狀態(tài)時，即可觸發(fā)MEMS支持下的雷達濾波器數(shù)據(jù)采集行為。

(1)

其中:ε代表雷達濾波器的基本離散條件，p′代表MEMS激光雷達所具有的測量數(shù)據(jù)共享參量，u代表航天器行駛軌跡中可隱藏目標點的最大數(shù)量結(jié)果。

1.3 雷達測量性能指標

雷達測量性能指標分為如下幾種常見類型。

1.3.1 線性刻度因子隱藏

目標點線性刻度因子是航天器角速度輸出與輸入?yún)⒘康谋戎?，表征測量所得目標點輸出/輸入與實際目標點輸出/輸入的具體偏離程度。線性是描述激光測量上機位數(shù)據(jù)的物理條件，不會隨離散型雷達濾波器執(zhí)行時間的增加而出現(xiàn)偏差[3]。一般情況下，上機位數(shù)據(jù)的采集結(jié)果越接近真實數(shù)值，雷達測量性能指標中線性刻度因子隱藏量的物理值也就越大。

1.3.2 低敏零偏與高敏零偏

低敏零偏、高敏零偏是描述航天器隱藏目標點的關(guān)鍵參數(shù)，當MEMS激光雷達處于相對于本地環(huán)境靜止的狀態(tài)時，其入射測量速度的實際輸出值并不可能為0。此時，MEMS激光雷達測量到的是航天器目標自轉(zhuǎn)角速度分量與其自身隱藏偏移誤差的總和。當輸出結(jié)果無線接近0時，雷達測量性能指標體現(xiàn)出的物理特性即為低敏零偏，反之則為高敏零偏[4]。

1.3.3 穩(wěn)定性隱藏

穩(wěn)定性隱藏是指雷達測量性能指標在航天器行駛周期內(nèi)，始終保持一定的應(yīng)用分布狀態(tài)，且所有被隱藏目標點都不易受到其它目標點的物理覆蓋。常規(guī)情況下，MEMS激光雷達測量所涉及性能指標的總量越大，航天器目標點的穩(wěn)定性隱藏能力也就越強。

2 基于MEMS激光雷達測量的航天器目標特征建模

在MEMS激光雷達測量特性分析的基礎(chǔ)上，針對航天器目標的運動特性、估計隱藏目標點特征值的最大似然量，完成目標特征模型的建立。

2.1 航天器目標運動特性

航天器目標的運動過程可劃分為助推段、中段(自由段)、再入段三個進程，如圖1所示。

圖1 航天器目標運動過程示意圖

在三個物理階段中航天器目標都保持獨特的運動特性狀態(tài)：助推段的持續(xù)時間相對較長，通?？蛇_3～5 min，且助推段的目標對象單一，由航天器燃料燃燒產(chǎn)生的輻射特性較為明顯，對于MEMS激光雷達來說，可利用這種輻射特性對隱藏目標點進行及時的探查監(jiān)測。中段(自由段)則是指在航天器助推段完成后，設(shè)備結(jié)構(gòu)繼續(xù)上升并最終穿過大氣層外側(cè)，在大氣外層空間再次回到大氣層內(nèi)的物理飛行過程。航天器目標點依靠在助推段終點獲取的燃燒能量在類似真空的空間環(huán)境中作慣性飛行，故在自由段作用在航天器目標點上的力學效果是可以進行精準計量的，可有效掌握整個航天器結(jié)構(gòu)的行駛軌跡，進而保證航行過程中出現(xiàn)的目標點不會覆蓋已隱藏的目標點[5-6]。再入段的持續(xù)時間最短，通常只能保持為30 s左右，航天器目標點運動任務(wù)的不斷增加，隱藏在行駛軌跡中節(jié)點會不斷逼近測量位置，造成一定程度的結(jié)構(gòu)體航行軌跡偏移。

2.2 特征值的最大似然量估計

航天器目標點特征值的最大似然量是指在多種運動特性影響下，而產(chǎn)生的一種隨機化均值標準差，對運動狀態(tài)所經(jīng)歷時間、航天器結(jié)構(gòu)密度、隱藏目標點質(zhì)量分數(shù)等多項物理指標產(chǎn)生相關(guān)性影響。一般情況下，目標點特征值具備相對良好的統(tǒng)計性能，當航天器處于其它空間環(huán)境下時，其結(jié)構(gòu)體周圍所承載的重力系數(shù)、壓力系數(shù)等條件均發(fā)生改變，但由于這些目標點不具備明顯的具象化物理結(jié)構(gòu)，因此與似然量估計相關(guān)的航行噪聲向量并不會出現(xiàn)明顯改變。噪聲向量是空間環(huán)境賦予航天器的均值統(tǒng)計系數(shù)，受到MEMS激光雷達測量結(jié)果的直接影響[7]。為保證最終所獲得最大似然量估計結(jié)果具有較強的應(yīng)用說明能力，應(yīng)在有效確定航天器目標點運動特性指標的前提下，結(jié)合噪聲向量，并根據(jù)隱藏目標點結(jié)構(gòu)體條件的變化情況，得到精準數(shù)值結(jié)果。

2.3 目標特征模型建立

相對于航天器結(jié)構(gòu)體來說，目標特征模型以一種反射率函數(shù)的方式，將行駛軌跡中隱藏節(jié)點徑向距離與存在區(qū)域整合至一個物理公式中。根據(jù)MEMS激光雷達測量上機位數(shù)據(jù)采集結(jié)果來看，若航天器在行駛過程中存在非勻速運動，則隱藏目標點的位置信息就是時變的，表現(xiàn)在特征模型中就是存在固定的節(jié)點頻譜展寬，這種現(xiàn)象稱之為非定性隱藏效應(yīng)，反映了航天器目標點的瞬時特性，其實質(zhì)是表征了行駛軌跡中各目標點中心的瞬時微動速率條件。過量微動會導(dǎo)致航天器隱藏目標點姿態(tài)角出現(xiàn)變化，所謂姿態(tài)角即相鄰節(jié)點間對稱軸與MEMS激光雷達測量視線間的夾角，可表示為|α|。目標點姿態(tài)角變化可直接反應(yīng)在雷達測量信號的回波幅度λ、回波相位f上，聯(lián)立公式(1)可將航天器隱藏目標點的特征模型表示為：

(2)

其中:Ω代表以回波幅度作為橫坐標、回波相位作為縱坐標航天器目標點的取值區(qū)間，j代表隱藏目標點在航天器行駛軌跡中的回波分子系數(shù)，π代表全回波周期，R(|α|)代表與姿態(tài)角相關(guān)的三角定義函數(shù)，sin|α|、cos|α|分別代表姿態(tài)角的正弦值與余弦值，w、i分別代表既定正弦利用系數(shù)和余弦利用系數(shù)。

3 航天器隱藏目標點測量

利用航天器目標特征模型標準，在立體視覺處理原則的支持下，選擇適宜測量點位置，實現(xiàn)MEMS激光雷達測量下航天器隱藏目標點測量方法的應(yīng)用。

3.1 隱藏目標的立體視覺處理

航天器隱藏目標立體視覺處理原則可按照立體相機原理，對獲取到的節(jié)點圖像進行功能性加工。在MEMS激光雷達測量到航天器隱藏目標點的位置圖像后，立體視覺處理原則可依序執(zhí)行重新映射功能，再通過立體幾何方法對已獲取到的行駛軌跡圖像進行變換，以完整消除目標點可能出現(xiàn)的畸變行為，進而完成測量信息的校正處理[8]。接下來，按照航天器目標特征模型標準。重新計算測量圖像中邊緣節(jié)點及主節(jié)點的具體位置條件，以便消除靠近隱藏目標點位置的過度伸展區(qū)域，突出因節(jié)點重合而被遮蓋的隱藏目標點。通常情況下，經(jīng)過處理后的航天器隱藏目標點圖像寬度和高度分別可達到600和400像素。圖2為經(jīng)過立體視覺處理后的航天器圖像。

圖2 航天器立體視覺處理圖像

在圖2的基礎(chǔ)上，假設(shè)航天器在空間環(huán)境中所處位置恰好與地球保持水平對立，則根據(jù)立體視覺處理原則，可將目標點的軌跡分布圖像表示為圖3，其中呈線性排列的為普通行駛目標點，呈散點排布的為隱藏目標點。

圖3 航天器目標點軌跡分布圖像

3.2 測量點選擇

MEMS激光雷達測量位置并不是航空器行駛軌跡的最高處，雖然從上之下的拍攝能夠完全記錄整個軌跡中的所有細節(jié)信息，但當航行次數(shù)不斷增加時，重復(fù)落在同一目標點處的節(jié)點量增加，更易引發(fā)隱藏性測量行為，因此最佳測量點應(yīng)該根據(jù)航天器行駛數(shù)量結(jié)果進行具體分析。常見的測量點位置包含頂位、中位、底位三種狀態(tài)。其中，頂位測量是指將MEMS激光雷達放置在航天器行駛軌跡的最高處，所測得目標點圖像相對較為清晰，能夠完全體現(xiàn)航天器的行駛特征，但對航行時間具有嚴格限制，適用于短距離、對隱藏目標點要求相對精確的測量條件[9]。中位是指將MEMS激光雷達放置在航天器行駛軌跡的中心位置處，所測得目標點圖像清晰度不計頂位測量，但其應(yīng)用不受航行時間限制，無論航天器的全部行駛軌跡有多長，該方法都能有效抑制目標點隱藏行為的發(fā)生幾率，適用于長時間、對清晰度要求相對較低的測量條件。底位測量是指將MEMS激光雷達放置在航天器行駛軌跡的最低處，所測得目標點圖像并不真實，但卻能準確記錄每一個隱藏目標點所在的具體位置條件，且應(yīng)用過程不受航行時間等物理條件的限制，適用于只需記錄航天器隱藏目標點的測量條件。為保證測量結(jié)果的相對準確，在實際應(yīng)用過程中，需要多次改變MEMS激光雷達的放置位置，進而獲取到真實的航天器行駛軌跡與隱藏目標點信息。

3.3 目標比例測算

目標比例測算是一種常用的航天器隱藏目標點測量方式。通常情況下，MEMS激光雷達記錄的航天器行駛軌跡數(shù)值量相對較大，在帶入公式進行計算時，易導(dǎo)致嚴重的應(yīng)用障礙。而在目標比例測算方法的支持下，可以不進入空間環(huán)境實測，僅根據(jù)MEMS激光雷達記錄結(jié)果，設(shè)置相同比例但數(shù)值較小的真實應(yīng)用模型，進而降低后續(xù)的公式計算壓力[10]。在采取目標比例測算方法的過程中，MEMS激光雷達的測量位置不易距離航天器隱藏目標點過遠，且測量拍攝角度也不宜過大，否則會對節(jié)點測量結(jié)果的精度產(chǎn)生較大影響。隨著航天器行駛時間的延長，處于軌跡內(nèi)部中隱藏目標節(jié)點的數(shù)量也會隨之增加，此時為降低物理遮擋事件的發(fā)生幾率，MEMS激光雷達的測量位置必須處于連續(xù)性變動狀態(tài)，進而滿足目標點測量的應(yīng)用條件。設(shè)k代表測量目標點的縮放比例條件，H代表航天器行駛軌道的物理寬度系數(shù)，聯(lián)立公式(2)可將MEMS激光雷達測量下的航天器隱藏目標點比例測算結(jié)果表示為：

(3)

4 測量研究與應(yīng)用

在RCS平臺上模擬航天器行駛軌跡，分別在平臺主體結(jié)構(gòu)的保護單元和監(jiān)控單元中，記錄航天器在空間環(huán)境中的各項行進指標。

4.1 MEMS激光雷達測量環(huán)境

RCS平臺保護單元由兩臺RCS-9611CS設(shè)備組成，通常情況下以并列相連的方式接入MEMS激光雷達測量環(huán)境中，MEMS激光雷達測量原理如圖4所示。

圖4 MEMS激光雷達測量原理

每臺RCS-9611CS設(shè)備后面都有獨立的接口組織，可通過數(shù)據(jù)傳輸線與RCS平臺的監(jiān)控單元相連。裝置正面操作平臺由一個物理顯示屏、一排狀態(tài)指示燈和一組功能性按鍵組成。其中，物理顯示屏可顯示與航天器行駛目標點相關(guān)的數(shù)據(jù)參量；狀態(tài)指示燈從左至右以此為運行、報警、跳閘、重合、跳位、合位，當航天器某種特定行駛狀態(tài)時，相應(yīng)的指示燈便會隨之亮起；功能性按鍵由復(fù)位、取消、確認及相關(guān)狀態(tài)加減按鍵組成，可在物理顯示屏中數(shù)據(jù)達不到理想狀態(tài)的情況下，通過參量增減的方式，使指示結(jié)果逐漸趨于理想狀態(tài)。

RCS平臺監(jiān)控單元為一臺搭載MEMS激光雷達測量指令的執(zhí)行計算機，在指令無誤運行的情況下，計算機分屏界面中會分別顯示不同的航天器行駛情況。在確保畫面中圖像達到清晰狀態(tài)后，按下RCS-9611CS設(shè)備的確認按鈕，并記錄物理顯示屏中的數(shù)據(jù)信息，以用于后續(xù)對比。

4.2 航天器隱藏目標點微動頻率

航天器隱藏目標點的微動頻率在物理顯示屏中的表現(xiàn)參量為QQW，已知QQW指標提升有助于促進隱藏目標點的有效測量。按照時間的先后順序，將QQW指標輸入oringe軟件中，進而生成一幅完整的航天器隱藏目標點微動頻率曲線，如圖5所示。

圖5 航天器隱藏目標點微動頻率曲線圖

圖5中橫坐標代表測定時間、縱坐標代表QQW指標系數(shù)，分析圖5可知，在前20 min的監(jiān)測時間內(nèi)，QQW指標呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，20～30 min之間雖然也處于上升階段，但總體上升幅度已經(jīng)縮小，30 min之后，QQW指標基本能夠保持穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值結(jié)果也從最初0位置上升至0.04左右。綜上可知，在應(yīng)用MEMS激光雷達測量技術(shù)的條件下，QQW指標出現(xiàn)階段性的增長趨勢，最終數(shù)值結(jié)果與初始結(jié)果相比上升明顯，對航天器隱藏目標點測量起到適當促進作用。

4.3 指向性目標測量系數(shù)

在oringe軟件中建立全新的Book表格，挑選物理顯示屏中的指向性系數(shù)PIT，在滿足節(jié)點時間條件的前提下，將這些系數(shù)輸入oringe軟件中，其中，PDT指標代表oringe軟件根據(jù)PIT系數(shù)生成的指向性目標測量系數(shù)結(jié)果。生成目標測量系數(shù)的完整對比表單結(jié)構(gòu)(已知指向性目標測定系數(shù)與航天器隱藏目標點測量結(jié)果保持反比關(guān)系)，如圖6所示。

圖6 指向性目標測量系數(shù)變化圖

分析圖6可知，隨著實驗時間的增加，PIT系數(shù)保持均勻下降趨勢，每次的下降幅度均為0.01，PDT系數(shù)也保持持續(xù)下降的變化趨勢，但整體下降幅度明顯大于PIT系數(shù)，且最終實驗數(shù)據(jù)結(jié)果達到0。綜上可知，在MEMS激光雷達測量技術(shù)的作用下，指向性目標測量系數(shù)出現(xiàn)明顯的下降趨勢，可促進航天器隱藏目標點測量行為的順利進行。

5 結(jié)語

MEMS激光雷達測量是一種新型的航天軌跡追蹤手段，可通過整理上機位采集數(shù)據(jù)的方式，描述相關(guān)性能指標，并以此作為目標特征模型的建立條件，對軌道內(nèi)隱藏的特征值進行似然性估計。從實用性能力的角度來看，應(yīng)用這種方式建立的航天器隱藏目標點測量方法能夠調(diào)節(jié)節(jié)點微動頻率，使其達到理想水平高度，并抑制指向性目標系數(shù)的不當攀升，使激光雷達能夠獲取到更加多變的測量位置。整個方法搭建過程相對簡單，不需要對各項數(shù)值結(jié)果進行精準計算，只需對其所屬物理數(shù)值空間進行限定，大大降低由數(shù)值取舍而造成的測量誤差，使提升航天器隱藏目標點測量準確性成為可能。