专利名称：一种目标回波信号的归一化方法
技术领域：
本发明属于光束控制领域，具体的涉及基于目标回波信号的光束瞄准系统中一种目标回波信号的归一化方法，用于实现运动目标回波信号的归一化处理。
背景技术：
激光瞄准系统在有源跟踪、目标照明以及自由空间通信等诸多领域起着关键作用。但是当光束传输穿过大气时，由于机械振动、大气湍流和跟踪器的局限性以及光学未对准引起的随机误差和偏差，会导致瞄准离轴和到达目标信号的损失。在大多数激光控制系统中，常出现两种瞄准误差，即对准视轴偏差(瞄准的静态偏差，可校准)和光束抖动(暂时性的随机误差)，如图1所示。要实现光束瞄准，首先即要估计出光束瞄准视轴偏差(即静态偏差)。上世纪九十年代初，由Lukesh等人提出一种新的估计技术根据目标反射回来的信号强度的统计值估计抖动和视轴误差。该技术只针对光束尺寸大于目标尺寸的情况而开发的，它需要知道光束的轮廓和目标的形状/反射比，如图2所示。本发明即是要解决该技术中回波信号的归
一化问题。基于目标回波信号统计的瞄准方法为直接用激光束(高斯脉冲)照射目标，由于光束抖动的存在，导致光斑在目标平面内以一定的分布形式(二维高斯分布)随机漂移，则其回波信号的强度也随着目标相对光束中心的角位置变化而不断变化，通过对目标回波信号(光脉冲信号)进行统计分析，能够实时估计出目标相对于光斑统计中心的视轴偏差，并实时调整使激光束中心对准目标。最初该技术是直接对运动目标进行试验，通过分析返回的信号，逐步建立起了统计模型，并从理论上进行了大量的探索，取得了一些突破，现已能够较准确地估计出目标相对光束的统计中心的视轴偏差大小。但是由于该技术的回波信号估计模型需要一定的统计样本容量，即需要采集一定数量的回波脉冲信号，整个数据采集过程要持续较长时间，此过程中，由于运动目标的高速移动，瞄准光束的传输距离、入射角度等都在不断变化，导致回波脉冲信号能量受到很大影响，不利于统计分析，如图3所示。因此需要对该时间段内接收的回波信号进行统一的归一化处理，以便于进一步的分析处理。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提出一种目标回波信号的归一化方法，消除了由于运动目标的高速移动使瞄准光束的传输距离和入射角等的变化导致的回波脉冲信号变化，提高了估计样本的准确性，为下一步的高精度瞄准误差估计和偏差校准提供了可能。本发明采用的技术方案为一种目标回波信号的归一化方法，步骤如下第一步，根据运动目标轨迹确定运动目标相对地面的垂直高度H和跟踪望远镜的瞬时天顶角β ；
第二步，已知地球半径R，由几何关系计算得光束传输距离Z和光束入射方向和目标表面法线的夹角α，可分别表示为Z = (R2COS2 β +H2+2HR) 1/2-R cos β(1)
r π. RsinP/0χα = arcsin---(ζ)
R + H第三步，实时测量出射高斯光束单脉冲能量Q，根据已知的光束半宽度FWHM，垂直大气透过率、，光学系统透过率^，目标反射面积A以及目标反射率P，跟踪望远镜的口径D，计算目标在天顶角β处的理论最大回波单脉冲能量Qmax( β)，可表示为
tools] Qmax(P)=T^rpP- Qcqscc2^Ia(3)
腿0 α π Z2FWHM2 R2第四步，利用基于回波信号的光束瞄准系统，接收该天顶角β处的回波脉冲信号
能量第五步，则归一化回波强度q定义为与Qmax(i3 )的比值，即q = AiP)_(4)
Qmax(P)所述第五步归一化回波强度q的计算方法为表示为联合式(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 ‘本发明与现有的技术方法相比的有益效果是(1)本发明实现了基于目标回波信号的光束瞄准系统中的回波信号的归一化处理。(2)本发明消除了由于运动目标的高速移动使瞄准光束的传输距离和入射角等的变化导致的回波脉冲信号变化，提高了估计样本的准确性，为下一步的瞄准误差准确估计和偏差精确校准奠定了基础。
图1为本发明中光束瞄准误差模型；图2为本发明中瞄准系统结构及目标平面内远场光斑分布图；图3为本发明中空间运动目标和地基瞄准系统间的位置关系；图4为本发明光束瞄准控制系统和目标平面坐标映射关系；图5为本发明光回波信号归一化前瞄准误差估计结果；图6为本发明光回波信号归一化后瞄准误差估计结果。
具体实施例方式本发明所涉及的光束瞄准误差模型如图1所示1表示光束发射系统，2表示瞄准偏差，3表示光束远场辐射分布，4表示光束抖动，5表示空间目标。本发明所使用的光束瞄准系统如图2所示由光束发射系统6输出的准直高斯光束7指向空间运动目标8，并将从目标反射的光信号9，由接收系统10接收，输入到瞄准误差估计模块11估计出目标相对于光束统计中心的偏差大小，并将偏差信号返回给光束发射系统，控制光束校准偏差，形成闭环的瞄准系统；并设在整个瞄准过程中，目标位置相对瞄准视场不变，或目标处于瞄准系统的精跟踪状态。目标平面内光束瞄准过程如图2中右图所示，12表示光束远场辐射分布光斑中心，13表示空间目标。本发明所涉及的空间运动目标和地基瞄准系统间的位置关系如图3所示14表示空间目标，15表示地基光束瞄准系统，16表示地球。本发明所涉及的光束瞄准系统的数学模型的坐标系如图4所示17表示发射光束，18表示快速反射镜(用于控制发射光束偏转)，19表示光束远场辐射分布，20表示光束抖动，21表示瞄准偏差，22表示光束远场辐射分布中心，23表示空间目标。以光束的统计中心作为目标平面内的光斑位置；其光束的出射方向是由快速反射镜FSM(Fast Steering Mirror)控制光束偏转实现；目标平面内的坐标系是快反镜所形成的坐标系沿光束垂直映射到目标平面内的视轴坐标系；光束统计中心相对目标的视轴偏差大小以及光束的抖动大小以角位移大小即视轴角位移来表示。设以高斯激光光束照射以点目标，则接受到N个回波脉冲观测值，第η个观测值的信号强度可表示为
一
权利要求
1. 一种目标回波信号的归一化方法，其特征在于步骤如下第一步，根据运动目标轨迹确定运动目标相对地面的垂直高度H和跟踪望远镜的瞬时天顶角β ；第二步，已知地球半径R，由几何关系计算得光束传输距离Z和光束入射方向和目标表面法线的夹角α，可分别表示为
2.根据权利要求1所述的一种目标回波信号的归一化方法，其特征在于所述第五步归一化回波强度q的计算方法为联合式(1，2，3，4)得
全文摘要
一种目标回波信号的归一化方法，步骤为根据运动目标轨迹确定目标相对地面的垂直高度H和跟踪望远镜的天顶角β；由几何关系计算得光束传输距离Z和光束入射方向和目标表面法线的夹角α；实时测量出射高斯光束单脉冲能量Q，根据已知的光束半宽度FWHM，大气透过率τa，光学系统透过率τ0，目标反射面积A以及目标反射率ρ，计算目标在天顶角β处的最大回波单脉冲能量Qmax(β)；利用基于回波信号的光束瞄准系统，接收该天顶角处的回波脉冲信号能量归一化回波强度q定义为与Qmax(β)的比值。本发明实现了基于目标回波信号的光束瞄准系统中信号的归一化处理，解决了随出射光脉冲能量、光束传输距离和入射角变化的运动目标回波信号的归一化问题。
文档编号G01S17/66GK102323592SQ20111023041
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者任戈, 周磊, 谭毅 申请人:中国科学院光电技术研究所