空间目标激光相干探测技术研究

论文摘要

空间目标探测是当前空间活动中必不可少的部分,对航天器具有威胁的1-10cm的空间目标的检测是重中之重。针对该类型的空间目标的探测,本文设计出收发合一的空间目标探测的相干探测光学系统。该探测系统采用激光雷达的发射/接收形式、相干探测的检测方案和闭环波前畸变补偿系统。整篇文章均围绕该系统进行研究与分析,致力于提高整个系统的相干探测性能。（1）广泛查阅国内外各种文献与资料,对空间目标探测的现状和目前的技术状况进行了全面的介绍。通过分析与比较,设计出了收发合一的空间目标检测系统,该系统使用相干技术进行微弱接收信号的探测,同时使用闭环控制波前补偿由湍流引起的波前畸变。（2）针对空间目标探测,推导出了激光雷达探测方程。对该雷达方程中的大气损耗、激光远场发散角、接收天线孔径、空间目标距离和空间目标姿态角等参数进行了分析,并通过数值仿真得出上述参数对接收功率影响的理论值。（3）对于激光雷达的相干检测系统,分析导出了相干检测的外差效率理论表达式,然后得出信噪比与外差效率成正比的关系。通过对大气湍流和背向散射光的分析,得出了接收信号光的理论表达式。着重分析了系统参数和大气湍流（采用Zernike多项式进行湍流波前的模拟）对外差效率产生影响。为使外差效率最大,我们通过数值仿真得到了系统参数的优化方案。（4）分析比较了各种现有的波前补偿技术,提出了能显著提高相干探测性能的基于梯度下降算法的补偿系统,并从理论上证明了梯度下降补偿算法的收敛性。对并行随机微扰梯度预测算法和一般梯度预测算法进行了收敛性能的比较。通过数值计算,对该系统算法的收敛速度、复杂度和波前补偿的误差进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间目标探测的特点和关键技术
• 1.3 相干检测技术概况
• 1.4 空间目标探测国内外研究概况
• 2 激光相干探测空间目标的系统结构
• 2.1 引言
• 2.2 激光雷达探测的系统结构比较
• 2.3 激光相干探测空间目标系统结构
• 2.4 本章小结
• 3 激光相干探测空间目标的功率损耗
• 3.1 激光相干探测空间目标的模型
• 3.2 光功率的损耗因素分析
• 3.3 本章小结
• 4 激光相干探测空间目标的相干理论
• 4.1 引言
• 4.2 激光相干探测原理
• 4.3 激光相干探测的接收信号光场理论模型
• 4.4 激光相干探测的系统性能影响因素分析
• 4.5 本章小结
• 5 激光相干探测空间目标的波前补偿
• 5.1 引言
• 5.2 波前畸变补偿方案的比较分析
• 5.3 波前畸变的最小梯度下降补偿
• 5.4 梯度下降算法补偿畸变波前的分析
• 5.5 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献