專利名稱：一種目標回波信號的歸一化方法
技術領域：
本發明屬于光束控制領域，具體的涉及基于目標回波信號的光束瞄準系統中一種目標回波信號的歸一化方法，用于實現運動目標回波信號的歸一化處理。
背景技術：
激光瞄準系統在有源跟蹤、目標照明以及自由空間通信等諸多領域起著關鍵作用。但是當光束傳輸穿過大氣時，由于機械振動、大氣湍流和跟蹤器的局限性以及光學未對準引起的隨機誤差和偏差，會導致瞄準離軸和到達目標信號的損失。在大多數激光控制系統中，常出現兩種瞄準誤差，即對準視軸偏差(瞄準的靜態偏差，可校準)和光束抖動(暫時性的隨機誤差)，如圖1所示。要實現光束瞄準，首先即要估計出光束瞄準視軸偏差(即靜態偏差)。上世紀九十年代初，由Lukesh等人提出一種新的估計技術根據目標反射回來的信號強度的統計值估計抖動和視軸誤差。該技術只針對光束尺寸大于目標尺寸的情況而開發的，它需要知道光束的輪廓和目標的形狀/反射比，如圖2所示。本發明即是要解決該技術中回波信號的歸
一化問題。基于目標回波信號統計的瞄準方法為直接用激光束(高斯脈沖)照射目標，由于光束抖動的存在，導致光斑在目標平面內以一定的分布形式(二維高斯分布)隨機漂移，則其回波信號的強度也隨著目標相對光束中心的角位置變化而不斷變化，通過對目標回波信號(光脈沖信號)進行統計分析，能夠實時估計出目標相對于光斑統計中心的視軸偏差，并實時調整使激光束中心對準目標。最初該技術是直接對運動目標進行試驗，通過分析返回的信號，逐步建立起了統計模型，并從理論上進行了大量的探索，取得了一些突破，現已能夠較準確地估計出目標相對光束的統計中心的視軸偏差大小。但是由于該技術的回波信號估計模型需要一定的統計樣本容量，即需要采集一定數量的回波脈沖信號，整個數據采集過程要持續較長時間，此過程中，由于運動目標的高速移動，瞄準光束的傳輸距離、入射角度等都在不斷變化，導致回波脈沖信號能量受到很大影響，不利于統計分析，如圖3所示。因此需要對該時間段內接收的回波信號進行統一的歸一化處理，以便于進一步的分析處理。
發明內容
本發明的技術解決問題克服現有技術的不足，提出一種目標回波信號的歸一化方法，消除了由于運動目標的高速移動使瞄準光束的傳輸距離和入射角等的變化導致的回波脈沖信號變化，提高了估計樣本的準確性，為下一步的高精度瞄準誤差估計和偏差校準提供了可能。本發明采用的技術方案為一種目標回波信號的歸一化方法，步驟如下第一步，根據運動目標軌跡確定運動目標相對地面的垂直高度H和跟蹤望遠鏡的瞬時天頂角β ；
第二步，已知地球半徑R，由幾何關系計算得光束傳輸距離Z和光束入射方向和目標表面法線的夾角α，可分別表示為Z = (R2COS2 β +H2+2HR) 1/2-R cos β(1)
r π. RsinP/0χα = arcsin---(ζ)
R + H第三步，實時測量出射高斯光束單脈沖能量Q，根據已知的光束半寬度FWHM，垂直大氣透過率、，光學系統透過率^，目標反射面積A以及目標反射率P，跟蹤望遠鏡的口徑D，計算目標在天頂角β處的理論最大回波單脈沖能量Qmax( β)，可表示為
tools] Qmax(P)=T^rpP- Qcqscc2^Ia(3)
腿0 α π Z2FWHM2 R2第四步，利用基于回波信號的光束瞄準系統，接收該天頂角β處的回波脈沖信號
能量第五步，則歸一化回波強度q定義為與Qmax(i3 )的比值，即q = AiP)_(4)
Qmax(P)所述第五步歸一化回波強度q的計算方法為表示為聯合式(1，2，3，4)得
q = — FW 2R2 -R + H 2 l/2[(R2 cos2 β + H2 + 2HRe )1/2 - R cos β]2 Qe (β) (5)
In 2 T^fcppQAD2 [(R + H)2 -R2 sin2 β]1/2eJeV 7 V ‘本發明與現有的技術方法相比的有益效果是(1)本發明實現了基于目標回波信號的光束瞄準系統中的回波信號的歸一化處理。(2)本發明消除了由于運動目標的高速移動使瞄準光束的傳輸距離和入射角等的變化導致的回波脈沖信號變化，提高了估計樣本的準確性，為下一步的瞄準誤差準確估計和偏差精確校準奠定了基礎。
圖1為本發明中光束瞄準誤差模型；圖2為本發明中瞄準系統結構及目標平面內遠場光斑分布圖；圖3為本發明中空間運動目標和地基瞄準系統間的位置關系；圖4為本發明光束瞄準控制系統和目標平面坐標映射關系；圖5為本發明光回波信號歸一化前瞄準誤差估計結果；圖6為本發明光回波信號歸一化后瞄準誤差估計結果。
具體實施例方式本發明所涉及的光束瞄準誤差模型如圖1所示1表示光束發射系統，2表示瞄準偏差，3表示光束遠場輻射分布，4表示光束抖動，5表示空間目標。本發明所使用的光束瞄準系統如圖2所示由光束發射系統6輸出的準直高斯光束7指向空間運動目標8，并將從目標反射的光信號9，由接收系統10接收，輸入到瞄準誤差估計模塊11估計出目標相對于光束統計中心的偏差大小，并將偏差信號返回給光束發射系統，控制光束校準偏差，形成閉環的瞄準系統；并設在整個瞄準過程中，目標位置相對瞄準視場不變，或目標處于瞄準系統的精跟蹤狀態。目標平面內光束瞄準過程如圖2中右圖所示，12表示光束遠場輻射分布光斑中心，13表示空間目標。本發明所涉及的空間運動目標和地基瞄準系統間的位置關系如圖3所示14表示空間目標，15表示地基光束瞄準系統，16表示地球。本發明所涉及的光束瞄準系統的數學模型的坐標系如圖4所示17表示發射光束，18表示快速反射鏡(用于控制發射光束偏轉)，19表示光束遠場輻射分布，20表示光束抖動，21表示瞄準偏差，22表示光束遠場輻射分布中心，23表示空間目標。以光束的統計中心作為目標平面內的光斑位置；其光束的出射方向是由快速反射鏡FSM(Fast Steering Mirror)控制光束偏轉實現；目標平面內的坐標系是快反鏡所形成的坐標系沿光束垂直映射到目標平面內的視軸坐標系；光束統計中心相對目標的視軸偏差大小以及光束的抖動大小以角位移大小即視軸角位移來表示。設以高斯激光光束照射以點目標，則接受到N個回波脈沖觀測值，第η個觀測值的信號強度可表示為
一
權利要求
1. 一種目標回波信號的歸一化方法，其特征在于步驟如下第一步，根據運動目標軌跡確定運動目標相對地面的垂直高度H和跟蹤望遠鏡的瞬時天頂角β ；第二步，已知地球半徑R，由幾何關系計算得光束傳輸距離Z和光束入射方向和目標表面法線的夾角α，可分別表示為
2.根據權利要求1所述的一種目標回波信號的歸一化方法，其特征在于所述第五步歸一化回波強度q的計算方法為聯合式(1，2，3，4)得
全文摘要
一種目標回波信號的歸一化方法，步驟為根據運動目標軌跡確定目標相對地面的垂直高度H和跟蹤望遠鏡的天頂角β；由幾何關系計算得光束傳輸距離Z和光束入射方向和目標表面法線的夾角α；實時測量出射高斯光束單脈沖能量Q，根據已知的光束半寬度FWHM，大氣透過率τa，光學系統透過率τ0，目標反射面積A以及目標反射率ρ，計算目標在天頂角β處的最大回波單脈沖能量Qmax(β)；利用基于回波信號的光束瞄準系統，接收該天頂角處的回波脈沖信號能量歸一化回波強度q定義為與Qmax(β)的比值。本發明實現了基于目標回波信號的光束瞄準系統中信號的歸一化處理，解決了隨出射光脈沖能量、光束傳輸距離和入射角變化的運動目標回波信號的歸一化問題。
文檔編號G01S17/66GK102323592SQ20111023041
公開日2012年1月18日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者任戈, 周磊, 譚毅 申請人:中國科學院光電技術研究所