[发明专利]基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统

权利要求书

1.一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，其特征在于，该系统包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和工控机；发射单元包括：固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机完成实时数据处理，所述工控机包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作；

所述激光扩束系统包括两个反射镜、一个分束棱镜、一个3倍扩束镜、一个5-10倍变倍扩束镜和中性渐变衰减片；固体激光器的激光输出依次经过第一反射镜、分束棱镜、第二反射镜、衰减片和一个5-10倍变倍扩束镜，输出探测空间碎片的探测激光，分束棱镜将90％以上激光能量输送给第二反射镜，其余的激光能量经过分束镜输入到3倍扩束镜输入端，该3倍扩束镜输出端注入单模光纤，传输给Pin光探测模块，生成记录参考信号：

所述接收单元的接收的反射信号注入多模光纤，由多模光纤将反射信号输入APD光探测模块；生成所述多角度回波数据；

所述数据预处理模块，对接收的多角度激光回波数据执行数据预处理；所述空间物体质心距离估计模块估算质心距离；所述目标图像重构模块利用空间碎片的凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；所述图像处理模块对重构图像进行图像处理；所述质心距离解算模块结合理论质心对初始质心距离估计进行校正。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固体激光器包括多种波长的红外光、可见光固体激光器或光纤激光器。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述固体红外光激光器为被动调Q激光器，中心波长1064nm，重频脉冲宽度93ps。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述APD光探测模块和Pin光探测模块响应时间均为35ps。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，激光脉冲高速采集器的模拟带宽为4.25GHz，采样率50GSPS。

6.一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法，使用如权利要求1-5中任一项所述的系统，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1，工控机接收数据采集单元采集的多角度激光回波数据后，对所述数据进行数据预处理，计算得到该数据的峰值点距离变化规律和转动周期；

步骤2，工控机将多个周期回波数据进行整合排列，将相邻周期采集到的回波数据依次补全到所述相邻周期采集到的回波数据的间隙，补全后得到转动一周内采样间隔小于原始数据的回波波形数据序列；

步骤3，取峰值点距离的平均值作为质心距离的初始估计，然后利用空间碎片的凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；

步骤4，对重构图像进行图像处理，解算得到质心位置，并结合理论质心对初始质心距离估计进行校正；

步骤5，校正质心距离后，再次利用凸面对应的180°的回波数据进行目标反投影重构获得目标横截面二维轮廓像；

步骤6，判断解算得到的质心确定结果与理论质心的距离是否小于一个像素对应的校正误差；如果否，返回执行步骤4；如果是则结束计算。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤1还包括：使用差分过滤方式滤除异常值，设置阈值为0.015m和-0.015m。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4包括：使用重滤波反投影图像进行阈值分割处理后得到阈值分割图像，用方形标记图像的灰度重心作为质心确定结果，并用圆形标记图像的中心作为理论质心。