地基激光主动成像探测系统也即成像激光雷达, 具有测量和跟踪精度高、成像分辨率高等优点, 可用于空间目标精确定位、跟踪和特征识别。随着计算机图形学和三维可视化技术的飞速发展, 使得成像仿真技术成为解决这一问题的有效手段之一。利用成像仿真技术能够生成高可信度的空间目标激光主动成像结果, 从而预先进行成像探测性能分析、图像处理和空间目标识别算法开发研究, 为地基激光雷达系统的开发和优化设计提供参考和依据。
1 国内外激光主动探测系统成像仿真情况
1.1 国外的成像仿真情况
国外比较重视成像仿真在空间目标地基激光主动探测系统中的应用价值, 开发的仿真系统已经直接应用到实际研究中。比较典型的是卫星可视化和信号工具SVS T (Satellite Visualization and Signature To ol) 和高级跟踪时域分析仿真工具TASAT。
美国波音公司开发的应用于地基激光主动探测系统的可视化工具软件SVST, 能够提供良好的用户操作界面和可视化仿真环境, 生成原始图像和焦平面图像, 实现新型激光武器系统体系结构的可视化, 在较短时间内解决系统设计问题。
波音公司通过成像仿真进一步验证了激光主动成像探测的技术优势, 指出激光主动成像与可见光被动成像相比, 能够获得亮度更高、细节更清楚、质量更好的空间目标图像, 因此部署激光主动成像系统是十分必要和有效的。目前, SVST已经应用到了波音公司武器系统概念和设计仿真的实际研究中 (如天基激光雷达) , 能够辅助制定打击敌方卫星/导弹的作战方案, 以可视化形式模拟太空作战环境, 且可进行系统升级和功能扩展。
T A S A T由美国空军研究实验室 (A F R L) 开发, 目的是高精度仿真地基光电探测系统和动能武器系统对卫星、导弹等目标进行被动/主动式光电跟踪过程和成像过程, 评估系统性能, 优化系统设计。TASAT能够仿真精确的卫星运行轨道、导弹弹道、大气及光学系统模糊效果、传感器噪声、自适应光学的大气效应等, 具有轨道/弹道动态分析、图像渲染与生成、点扩散函数分析、光学传感器分析、图像处理算法研究、视轴干扰与控制等功能。
经多次外场试验, 验证了TASAT的有效性与正确性。AFRL也在不断扩展TASA T的功能, 修正仿真理论模型, 最终提高仿真精度。TASAT在对目标进行跟踪、成像试验中发挥了积极作用。Logicon Technol ogy Solutions公司和波音公司利用TASAT详细研究了不同轨道高度卫星在被动成像和主动照明成像条件下的偏振特征 (Stoke s参数、偏振度、三维Mueller矩阵等) , 发现主动照明下目标的偏振特性更加明显, 由此提出了在地基平台利用偏振特征对目标卫星进行识别的方法。
1.2 国内的成像仿真情况
目前国内没有开展空间目标地基激光主动探测系统成像仿真研究的报道。在针对一般地面目标的激光成像雷达仿真方面, 国内大部分主要是分析激光雷达系统性能, 给出数值结果及关系式等, 而给出仿真图像的很少。成像仿真理论模型较为简单, 主要做法是从原始图像到焦平面图像的变换, 即给定一幅原始图像后, 考虑各种效应和影响 (模糊、噪声等) , 用图像处理的方法生成新的图像, 而没有研究“原始图像如何生成”这一关键性问题。此外, 目标大都是二维平面物体。
2 成像仿真的意义和价值
从国内外的相关研究发展现状可以看出, 成像仿真在整个激光主动探测系统的研究、开发与实际应用中具有重要意义: (1) 在系统整体开发设计方面, 实现整个成像场景和激光照明的可视化, 实时演示典型空间目标运动过程和成像过程, 实现卫星轨道参数和相关数据的收集管理和分析, 使仿真环境具备沉浸感, 有利于研究人员建立清晰的全景构思;为系统参数的优化确定、顶层设计提供必要依据, 有利于缩短研究和开发周期, 提高试验和研制质量, 节省资源和经费。 (2) 在具体分析研究方面, 提高数值仿真的可信度和工作效率, 为研究人员提供了有效的分析工具和观察数据交互作用的手段, 使其能够研究系统中参变量与外部环境之间的关系, 获得探测系统的静态和动态特征;为研究合作式、非合作式空间目标的探测、识别方法提供了多样性的素材和量化参数, 奠定了数据基础, 使得图像处理算法稳定性和可靠性的测评更有说服力。
3 可行的仿真思路和方法
国外的空间目标地基激光主动探测成像仿真情况, 对于我国研发部署针对空间目标的激光主动探测系统和开发针对地面目标的激光雷达成像仿真软件, 都有较好的参考价值。
关于地基激光主动探测成像仿真研究, 可行的仿真思路为:采用模块化的思想, 针对具体的探测体制建立系统仿真模型, 见图1所示, 包括激光雷达、空间目标、大气三个模块, 每个模块都有描述其物理特征的相应参数和理论模型。激光雷达模块包括激光器、光学系统和像探测器三部分, 目的是分析系统的成像性能、初始激光状态以及系统电子噪声等。大气模块包括大气衰减和大气湍流两部分。大气衰减会引起激光光束能量衰减, 大气湍流主要引起光束抖动和扩展, 改变光斑光强均匀度, 使得目标图像失真或模糊。空间目标模块包括目标的几何信息和表面材质特性信息, 目的是分析和研究目标的激光散射特性。
成像仿真的核心内容是生成空间目标成像的灰度图。当卫星进入主动探测系统的观测范围时, 开始进行主动成像仿真。仿真流程见图2所示, 首先根据初始参数生成初始激光高斯光束, 模拟大气衰减和大气湍流对光束传输的影响, 获得光束传输至目标处的光强分布, 根据空间目标几何信息及表面材质特性求得经目标反射后的光强分布, 将结果进行归一化处理转化为灰度值, 生成原始图像。根据成像系统的点扩散函数对原始图像进行卷积运算以及添加系统噪声, 模拟成像系统的成像模糊效应和噪声的影响, 最终生成焦平面图像。为有效兼顾仿真精度和计算速度, 需要设定合适的仿真参数。
4 结语
21世纪的外层空间是各世界大国谋求未来战争主动权的战略制高点。地基激光主动成像探测系统在空间目标监视与识别方面具有显著的技术优势。深入开展空间目标激光主动探测成像仿真技术, 实时显示典型空间目标的运行过程和激光主动照明成像结果, 优化探测系统参数指标, 开发空间目标跟踪识别算法, 指导激光主动探测系统的研发和部署, 对于我国国防安全有着重要的现实意义和深远的军事利益。
摘要：成像仿真技术能够解决地基激光主动成像探测系统研发部署过程复杂的问题, 有效指导工程实践。本文介绍了国内外成像仿真在地基激光主动探测系统中的应用情况, 在此基础上分析了成像仿真技术的重要作用和现实价值, 并结合目前的仿真研究现状提出了开展激光主动探测系统成像仿真研究的可行的思路和方法。
关键词：成像仿真,地基激光雷达,主动探测系统
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