摘要
由远及近大距离范围下非合作目标的相对运动参数精确测量是自主交会对接、空间在轨维护领域的难点问题，现阶段基于机器视觉的测量方法存在探测距离近、实时性不佳等缺点。空间目标自身的进动、自旋、翻滚、振动等运动会对探测信号产生多普勒调制边带，为基于多普勒边带提取目标相对运动参数提供了可能，有望从中反演出非合作目标的速度、角速度、姿态角和尺寸等多维信息。近红外频段的相干探测激光雷达在探测灵敏度和精度上具有天然的优势，因此，基于微多普勒激光雷达的空间非合作目标多维运动参数测量技术成为了研究的热点。 本论文首先从微波雷达较为成熟的“单散射点理论”出发，建立了立方体卫星的微波微多普勒回波模型，并给出回波信号的仿真结果；根据激光频段与微波频段目标散射特性的差异，建立了激光频段的“面散射模型”，并以此为基础建立了立方体卫星的激光微多普勒回波模型，给出了回波信号的仿真结果。其次，根据仿真回波信号时变非平稳的特点，采用时频分析理论中的短时傅里叶变换方法计算了典型参数下立方体卫星微波微多普勒信号的时频谱和立方体卫星激光微多普勒信号的时频谱，总结了不同仿真参数下目标的时频特征变化规律；针对实际信号信噪比低的特点，提出基于图像增强技术的时频谱图像预处理方法，使得时频图的低频细节保留，边缘噪声得到抑制，内部纹理平滑，从而为基于时频特征的多维参数提取奠定基础。然后，提出了一种基于时频特征的立方体卫星多维运动参数测量方法（CubeSatRelativeAttitudeMeasurementAlgorithm，CRAMA），并提出了一种基于最小二乘思想的时频图自适应阈值处理方法。CRAMA算法不需要目标尺寸作为先验信息便可以解算出立方体卫星目标的自旋频率、姿态角和边长三个参数指标。仿真结果表明：信噪比较高时，立方体卫星自旋频率的提取准确率达100%，姿态角提取的绝对误差控制在2°以内，相对误差小于2%，立方体边长提取的绝对误差小于3mm，相对误差小于6%。最后，设计并搭建了波长1064nm的全光纤激光相干探测系统。探测了不同自旋频率下的模拟立方体卫星，给出了回波采集结果、时频特征提取结果、自旋频率和姿态角的参数提取结果。实验结果表明：两个目标的自旋频率绝对误差小于0.2Hz，相对误差小于7.5%；立方体主体目标的姿态角提取绝对误差小于5°，带矩形帆板的立方体目标姿态角提取绝对误差小于10°。
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