一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法和装置，该方法针对光子时刻序列，按照光子先后顺序，判断光子是否被探测；探测方式为：在0‑1的均匀分布范围内，生成随机数δ，判断随机数δ与单个光子探测效率η＝1‑e

A Simulation Analysis Method and Device for Laser Ranging Effect of Space Debris

The invention discloses a simulation analysis method and device for space debris laser ranging effect. The method judges whether photons are detected according to the sequence of photons according to the time sequence of photons. The detection mode is: within the uniform distribution range of 0_1, generating random number delta, judging random number Delta and single photon detection efficiency_= 1 x E

【技术实现步骤摘要】
一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法和装置
本专利技术涉及激光测距中的探测效果分析与仿真技术，特别涉及一种回波数量低、回波展宽大的空间碎片激光测距效果仿真分析方法和装置。
技术介绍
激光测距技术是一种高精度距离测量方式，通过测量激光脉冲在目标与探测器之间的飞行时间获得目标距离，精度优于雷达一至两个数量级，在空间目标测量领域中具有广泛应用。对激光测距效果进行仿真分析，对获得先验测距结果及评估实测结果具有重要意义。第一，可以获得回波的散点分布仿真图，便于直观分析，选择后续回波识别处理的方法；第二，可以根据预估的回波和噪声强度获得探测概率和虚警概率，从而设计探测器的响应阈值；第三，可依据实测结果与仿真结果的差异，排查测距过程可能出现的问题。空间碎片无角反射器，存在反射回波数量低、回波展宽大的特点。空间碎片激光测距如果采用传统的基于划分区间计算探测概率的仿真分析方法，会因为过于依赖区间划分长度，出现仿真结果与实测结果不一致的虚假周期性现象，使仿真结果失去参考价值。因此需要研究建立一种针对空间碎片激光测距的有效的仿真分析方法，提高仿真结果与实测结果的一致性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法和装置，能够在无需对光子进行区间划分的前提下，完成对空间碎片激光测距效果的仿真分析，提高仿真效果与实测效果的一致性。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的。一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法，该方法包括：针对光子时刻序列，按照光子先后顺序，判断光子是否被探测；探测方式为：在0-1的均匀分布范围内，生成随机数δ，判断随机数δ与单个光子探测效率η＝1-e-1的大小关系；如果δ≤η，那么该光子被成功探测，如果δ>η，那么该光子未被探测，则继续判断后一个光子，直到所有光子判断完成；基于光子探测结果，生成仿真的探测器输出信号。优选地，在按照顺序判断光子是否被探测时，若当前光子判定为被探测，则不再探测探测器死时间内到达的光子，直接探测死时间之后的光子；若当前光子不被探测，则继续判断后一个光子，直到所有光子判断完成。优选地，所述基于光子探测结果，生成仿真的输出信号为：在成功探测的光子上叠加探测器时间抖动的影响，生成仿真的输出信号。优选地，所述叠加探测器时间抖动的影响为：认为探测器时间抖动符合高斯分布，随机生成符合时间抖动分布的随机数Δ，那么仿真的探测器输出信号序列为Lx＝Rxi+Δ，其中Rxi为到达探测器的光子序列中的第i个光子的光子本身距离，x表示该光子是探测器成功探测到的第x个光子。优选地，该方法进一步包括：将仿真的探测器输出信号进行显示，获得空间碎片激光测距的散点分布仿真图。优选地，所述光子时刻序列由目标反射光子和噪声光子组成，并对这些光子按照时刻进行排序。优选地，该方法进一步包括：按照以下公式计算探测过程的探测概率PD和虚警概率Pfalse；PD＝e-W·(1-e-s-n)Pfalse＝1-e-W+e-W-s-n-e-W-s-n-Q其中，W为回波分布范围之前的噪声光子数，s为经空间碎片反射后的回波光子数，n为回波分布范围内的噪声光子数，Q为回波分布范围之后的噪声光子数。优选地，该方法进一步包括：改变经空间碎片反射后的回波光子数s和噪声强度vnoi，得到探测概率和虚警概率随二者的变化曲线图；其中，噪声强度vnoi的改变会影响Q、n和W的值。本专利技术还提供了一种空间碎片激光测距效果仿真分析装置，该装置包括探测模块和仿真模块；所述探测模块，用于针对光子时刻序列，按照光子先后顺序，判断光子是否被探测；探测方式为：在0-1的均匀分布范围内，生成随机数δ，判断随机数δ与单个光子探测效率η＝1-e-1的大小关系；如果δ≤η，那么该光子被成功探测，直到所有光子判断完成；所述仿真模块，用于基于光子探测结果，生成仿真的探测器输出信号。优选地，该装置进一步包括概率计算模块，用于按照公式(8)和(9)计算探测过程的探测概率PD和虚警概率Pfalse；PD＝e-W·(1-e-s-n)(8)Pfalse＝1-e-W+e-W-s-n-e-W-s-n-Q(9)其中，W为回波分布范围之前的噪声光子数，s为经空间碎片反射后的回波光子数，n为回波分布范围内的噪声光子数，Q为回波分布范围之后的噪声光子数。有益效果：(1)本专利技术在考察每个光子是否被探测时，通过引入随机数来对比该光子探测概率大小以判断光子被探测与否，无需强制探测器进行不合物理实际的“光子累积”，无需对光子进行复杂的区间划分，只需对光子简单排序并进行探测概率计算，但却能反映更真实的探测结果。(2)本专利技术在判断某个光子被成功探测后，略过对探测器死时间内到达的光子进行判断的过程，符合探测器探测过程中需要一定死时间来恢复到待测状态的物理特性，并且相比于对每个光子判断后再剔除死时间内被探测的光子的方式，具有更高的仿真效率，可简化操作、节约时间。(3)本专利技术考虑了探测器时间抖动随机数带来的光子输出响应差异，能够体现输出过程中探测器响应时间带来的统计性差异，更符合探测过程物理本质。(4)本专利技术在对光子进行排序时，将回波分布情况假定为高斯分布，而将噪声分布情况假定为均匀分布，极大地简化了仿真步骤，却能够在较大程度上反映光子分布的实际情况。(5)本专利技术可通过对统一的光子序列中每个光子探测概率的计算，得到测距过程的探测概率和虚警概率，从而为实验过程中探测器响应阈值的设计、数据处理算法的选择提供参考，也能评价整个激光测距过程的难易度。总之，本专利技术综合考虑了探测器本身的即时响应的物理特性，避免了人为设立区间进行光子的强制累积和分段，更符合物理过程实际，并且能够真实客观体现探测概率/虚警概率随回波和噪声的变化，得到的测距结果散点分布仿真图，有助于后续设计探测器响应阈值，方便选择合适的数据处理方法，以及排查测距过程可能出现的问题，是一种灵敏度高、可信度强的空间碎片激光测距效果仿真分析方法。附图说明图1为探测概率与虚警概率随回波和噪声强度的变化关系仿真图。图2为统一的光子序列{Ri}示意图。图3为空间碎片No.24809探测光子的散点分布图；其中(a)为仿真结果；(b)为实测结果。图4为本专利技术操作流程示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法，该方法的前期分析和实际使用过程如下：步骤一、将空间碎片材料反射率、距离、大气透射率等参数代入空间碎片回波光子数方程，获得回波光子数，并估计回波光子分布；依据天光背景亮度、探测器暗噪声等参数估计噪声数量及分布。其中，认为回波分布服从高斯分布，噪声分布服从均匀分布。空间碎片等非合作目标仅依靠其表面漫反射特性反射激光，其平均回波光子数方程为其中，λ为激光波长，h为Planck常数，c为光速，Et为激光发射能量，T为大气透过率，Kt，Kr分别为发射系统和接收系统光学效率，D为望远镜接收口径，θt为入射激光发散角，R为空间碎片距离，S为空间碎片等效散射截面积，r为空间碎片等效反射系数。例如，某空间碎片平均回波光子数为0.1的统计意义是，每发射10个脉冲平均才有一个回波光子到达探测器。步骤二、认为探测器类似具有传递函数功能的“黑箱子”，对到达光敏面的光子进行“即时判断”，以考察本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法，其特征在于，针对光子时刻序列，按照光子先后顺序，判断光子是否被探测；探测方式为：在0‑1的均匀分布范围内，生成随机数δ，判断随机数δ与单个光子探测效率η＝1‑e‑1的大小关系；如果δ≤η，那么该光子被成功探测，如果δ>η，那么该光子未被探测，则继续判断后一个光子，直到所有光子判断完成；基于光子探测结果，生成仿真的探测器输出信号。

【技术特征摘要】
1.一种空间碎片激光测距效果仿真分析方法，其特征在于，针对光子时刻序列，按照光子先后顺序，判断光子是否被探测；探测方式为：在0-1的均匀分布范围内，生成随机数δ，判断随机数δ与单个光子探测效率η＝1-e-1的大小关系；如果δ≤η，那么该光子被成功探测，如果δ>η，那么该光子未被探测，则继续判断后一个光子，直到所有光子判断完成；基于光子探测结果，生成仿真的探测器输出信号。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在按照顺序判断光子是否被探测时，若当前光子判定为被探测，则不再探测探测器死时间内到达的光子，直接探测死时间之后的光子；若当前光子不被探测，则继续判断后一个光子，直到所有光子判断完成。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于光子探测结果，生成仿真的输出信号为：在成功探测的光子上叠加探测器时间抖动的影响，生成仿真的输出信号。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述叠加探测器时间抖动的影响为：认为探测器时间抖动符合高斯分布，随机生成符合时间抖动分布的随机数Δ，那么仿真的探测器输出信号序列为Lx＝Rxi+Δ，其中Rxi为到达探测器的光子序列中的第i个光子的光子本身距离，x表示该光子是探测器成功探测到的第x个光子。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：将仿真的探测器输出信号进行显示，获得空间碎片激光测距的散点分布仿真图。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光子时刻序列由目标反射光子和噪声光子组成，并对这些光子按照时刻进行排序。7.如权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛莉，孙斌，黄晨，黄璐，王鲲鹏，吴文堂，王东亚，
申请(专利权)人：北京跟踪与通信技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11