基于微機電系統激光雷達測量技術的航天器隱藏目標點測量方法

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

航天器也叫空間飛行器，可按照天體力學規律在空間環境中進行自主飛行，可用于探索、開發未知的軌道領域。但因天體環境性質的不同，處于不同空間軌道時，航天器質量大小及行進狀態都會發生一定改變，進而使航行軌跡中部分節點被其它節點覆蓋，出現目標點隱藏情況。為解決上述問題，在激光雷達與MEMS技術的支持下，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據的方式，獲取與雷達測量相關的性能指標，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，以測量上機位數據作為過渡變量，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選頻裝置，可使頻率處于特定區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]。總的來說，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壓電源的輸出作用，可引起激光測量上機位中數據總量的不斷提升。

1.2 激光測量上機位數據采集

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通信協議，對所有經過該設備的目標數據都采取差模分配方式。在雷達濾波器保持單獨的接收與發送狀態時，不需要很強的驅動能力，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，且在此條件下，濾波器可在一定時間內快速達到極值工作狀態，進而使可測量數據在上機位中大量堆積，當該數值結果達到理想區段狀態時，即可觸發MEMS支持下的雷達濾波器數據采集行為。

(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據共享參量，u代表航天器行駛軌跡中可隱藏目標點的最大數量結果。

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參量的比值，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據的物理條件，不會隨離散型雷達濾波器執行時間的增加而出現偏差[3]。一般情況下，上機位數據的采集結果越接近真實數值，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鍵參數，當MEMS激光雷達處于相對于本地環境靜止的狀態時，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角速度分量與其自身隱藏偏移誤差的總和。當輸出結果無線接近0時，雷達測量性能指標體現出的物理特性即為低敏零偏，反之則為高敏零偏[4]。

1.3.3 穩定性隱藏

穩定性隱藏是指雷達測量性能指標在航天器行駛周期內，始終保持一定的應用分布狀態，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：助推段的持續時間相對較長，通常可達3～5 min，且助推段的目標對象單一，由航天器燃料燃燒產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測。中段(自由段)則是指在航天器助推段完成后，設備結構繼續上升并最終穿過大氣層外側，在大氣外層空間再次回到大氣層內的物理飛行過程。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構的行駛軌跡，進而保證航行過程中出現的目標點不會覆蓋已隱藏的目標點[5-6]。再入段的持續時間最短，通常只能保持為30 s左右，航天器目標點運動任務的不斷增加，隱藏在行駛軌跡中節點會不斷逼近測量位置，造成一定程度的結構體航行軌跡偏移。

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

2.3 目標特征模型建立

相對于航天器結構體來說，目標特征模型以一種反射率函數的方式，將行駛軌跡中隱藏節點徑向距離與存在區域整合至一個物理公式中。根據MEMS激光雷達測量上機位數據采集結果來看，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，表現在特征模型中就是存在固定的節點頻譜展寬，這種現象稱之為非定性隱藏效應，反映了航天器目標點的瞬時特性，其實質是表征了行駛軌跡中各目標點中心的瞬時微動速率條件。過量微動會導致航天器隱藏目標點姿態角出現變化，所謂姿態角即相鄰節點間對稱軸與MEMS激光雷達測量視線間的夾角，可表示為|α|。目標點姿態角變化可直接反應在雷達測量信號的回波幅度λ、回波相位f上，聯立公式(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，π代表全回波周期，R(|α|)代表與姿態角相關的三角定義函數，sin|α|、cos|α|分別代表姿態角的正弦值與余弦值，w、i分別代表既定正弦利用系數和余弦利用系數。

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MEMS激光雷達測量下航天器隱藏目標點測量方法的應用。

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點及主節點的具體位置條件，以便消除靠近隱藏目標點位置的過度伸展區域，突出因節點重合而被遮蓋的隱藏目標點。通常情況下，經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的基礎上，假設航天器在空間環境中所處位置恰好與地球保持水平對立，則根據立體視覺處理原則，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信息，但當航行次數不斷增加時，重復落在同一目標點處的節點量增加，更易引發隱藏性測量行為，因此最佳測量點應該根據航天器行駛數量結果進行具體分析。常見的測量點位置包含頂位、中位、底位三種狀態。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。為保證測量結果的相對準確，在實際應用過程中，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值量相對較大，在帶入公式進行計算時，易導致嚴重的應用障礙。而在目標比例測算方法的支持下，可以不進入空間環境實測，僅根據MEMS激光雷達記錄結果，設置相同比例但數值較小的真實應用模型，進而降低后續的公式計算壓力[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，否則會對節點測量結果的精度產生較大影響。隨著航天器行駛時間的延長，處于軌跡內部中隱藏目標節點的數量也會隨之增加，此時為降低物理遮擋事件的發生幾率，MEMS激光雷達的測量位置必須處于連續性變動狀態，進而滿足目標點測量的應用條件。設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，聯立公式(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果表示為：

(3)

4 測量研究與應用

在RCS平臺上模擬航天器行駛軌跡，分別在平臺主體結構的保護單元和監控單元中，記錄航天器在空間環境中的各項行進指標。

4.1 MEMS激光雷達測量環境

RCS平臺保護單元由兩臺RCS-9611CS設備組成，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設備后面都有獨立的接口組織，可通過數據傳輸線與RCS平臺的監控單元相連。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的數據參量；狀態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時，相應的指示燈便會隨之亮起；功能性按鍵由復位、取消、確認及相關狀態加減按鍵組成，可在物理顯示屏中數據達不到理想狀態的情況下，通過參量增減的方式，使指示結果逐漸趨于理想狀態。

RCS平臺監控單元為一臺搭載MEMS激光雷達測量指令的執行計算機，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后，按下RCS-9611CS設備的確認按鈕，并記錄物理顯示屏中的數據信息，以用于后續對比。

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，分析圖5可知，在前20 min的監測時間內，QQW指標呈現明顯的上升趨勢，20～30 min之間雖然也處于上升階段，但總體上升幅度已經縮小，30 min之后，QQW指標基本能夠保持穩定狀態，數值結果也從最初0位置上升至0.04左右。綜上可知，在應用MEMS激光雷達測量技術的條件下，QQW指標出現階段性的增長趨勢，最終數值結果與初始結果相比上升明顯，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

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PIT，在滿足節點時間條件的前提下，將這些系數輸入oringe軟件中，其中，PDT指標代表oringe軟件根據PIT系數生成的指向性目標測量系數結果。生成目標測量系數的完整對比表單結構(已知指向性目標測定系數與航天器隱藏目標點測量結果保持反比關系)，如圖6所示。

圖6 指向性目標測量系數變化圖

分析圖6可知，隨著實驗時間的增加，PIT系數保持均勻下降趨勢，每次的下降幅度均為0.01，PDT系數也保持持續下降的變化趨勢，但整體下降幅度明顯大于PIT系數，且最終實驗數據結果達到0。綜上可知，在MEMS激光雷達測量技術的作用下，指向性目標測量系數出現明顯的下降趨勢，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據的方式，描述相關性能指標，并以此作為目標特征模型的建立條件，對軌道內隱藏的特征值進行似然性估計。從實用性能力的角度來看，應用這種方式建立的航天器隱藏目標點測量方法能夠調節節點微動頻率，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，不需要對各項數值結果進行精準計算，只需對其所屬物理數值空間進行限定，大大降低由數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。