激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法及装置

技术领域

本发明涉及一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率定量分析方法及装置，适用于实现基于覆盖面积、扫描频次等的多种空间视场扫描覆盖率的定量分析，为扫描式激光器产品在轨可靠搜索目标，基于不同视场不同激光发散角的扫描参数系统设计，提供定量分析方法和决策依据。

背景技术

随着航天技术的进步和空间任务的多样化发展，对于空间非合作目标姿态的测量需求越来越迫切。应用激光获取空间非合作目标的点云，具有作用距离远、测距精度高、受外部光照环境影响小，具备全天时工作能力等特点，是空间非合作目标位姿测量的常用测量体制。对于扫描式激光测量敏感器，李萨如扫描模式是常用的一种激光光束扫描模式，通过李萨如扫描模式可以实现激光测量敏感器测量视场的覆盖测量，具有控制简单、对摆镜响应能力要求低的特点。

但是，李萨如扫描模式对视场的扫描分布是不均匀的(如图2所示)，不同的激光器李萨如扫描模式参数，李萨如扫描图案的形状也是不同的，因此为了实现空间目标的捕获测量，需要对激光器李萨如扫描模式的视场覆盖率进行定量分析，定量给出激光器对视场进行扫描的覆盖率。常规用地面实验的方法进行测量分析，费时费力，且难以形成定量的分析结果，影响激光测量敏感器关键参数的选定、优化工作。

发明内容

为实现激光器李萨如扫描模式对空间视场的覆盖率定量分析，本发明提供一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率定量分析方法，该方法能够实现基于覆盖面积、基于扫描频次等的多种空间视场扫描覆盖率定量分析，为扫描式激光器产品在轨可靠搜索目标，基于不同视场不同激光发散角的扫描参数系统设计，提供定量分析方法和决策依据；本方法具有计算速度快，准确度高，使用灵活，工程应用效果好的特点。

本发明提供的技术方案如下：

第一方面，一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法，包括如下步骤：

S1，获取激光器相关特性参数，包括激光器扫描视场、激光器单帧扫描点数ρ、激光器单帧扫描时间、激光光束的发散角ω、激光器李萨如扫描模式参数；

S2，建立激光器的李萨如扫描离散数字模型；

S3，构建出射激光的数字模型，激光出射的强度分布利用高斯模型进行仿真；

S4，构建数字化的扫描视场区域数组：根据步骤S1获取的激光器单帧扫描点数ρ，确定数字化扫描视场区域数组为[kρ,kρ]，其中k≥1且为正整数，用数字化扫描视场区域数组记录激光光束扫过的频次或强度；

S5，执行李萨如扫描仿真：根据步骤S2建立的激光器李萨如扫描离散数字模型、步骤S1获取的激光器相关特性参数、以及步骤S3建立的出射激光的数字模型，对数字化的扫描视场区域进行仿真扫描，对扫描过程中处于激光束范围内的扫描视场区域数组进行赋值计数；

S6，根据数字化扫描区域数组记录的数据，对扫描视场区域数组进行统计分析，确定视场内的激光扫描覆盖率。

第二方面，一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析装置，包括：

激光器特性参数获取模块，用于获取激光器相关特性参数，包括激光器扫描视场、激光器单帧扫描点数ρ、激光器单帧扫描时间、激光光束的发散角、激光器李萨如扫描模式参数；

李萨如扫描离散数字模型构建模块，用于建立激光器的李萨如扫描离散数字模型；

出射激光数字模型构建模块，用于构建出射激光的数字模型，激光出射的强度分布利用高斯模型进行仿真；

扫描视场区域数组构建模块，用于根据获取的激光器单帧扫描点数ρ，确定数字化扫描视场区域数组为[kρ,kρ]，其中k≥1且为正整数，用数字化扫描视场区域数组记录激光光束扫过的频次或强度；

李萨如扫描仿真执行模块，用于根据建立的激光器李萨如扫描离散数字模型、获取的激光器相关特性参数、以及建立的出射激光的数字模型，对数字化的扫描视场区域进行仿真扫描，对扫描过程中处于激光束范围内的扫描视场区域数组进行赋值计数；

激光扫描覆盖率模块，用于根据数字化扫描区域数组记录的数据，对扫描视场区域数组进行统计分析，确定视场内的激光扫描覆盖率。

第三方面，一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析设备，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实施第一方面所述的激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法。

第四方面，一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实施第一方面所述的激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法。

根据本发明提供的一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法及装置，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法及装置，对李萨如视场空间覆盖率进行定量分析，相比传统解析方法，在计算上和流程上更加简单、避免了大量公式的代入运算；

(2)本发明提供的一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法及装置，对李萨如视场空间覆盖率进行定量分析，相比传统实验方法，大幅缩短分析测量周期，定量分析精度更高；

(3)本发明提供的一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法及装置，对李萨如视场空间覆盖率进行定量分析，测试用例和参数调整更加灵活，便于在敏感器设计阶段配合进行敏感器多参数的优化验证，为敏感器多参数优化、精度分配提供定量的分析依据。

附图说明

图1为本发明中一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法的流程图；

图2为典型的空间覆盖不均匀的李萨如扫描图案；

图3为视场覆盖率95.17％时的可视化表示(黑色部分为激光未扫描到的区域)；

图4为激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法示例图。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1，获取激光器相关特性参数，包括激光器扫描视场FOV、激光器单帧扫描点数ρ、激光器单帧扫描时间、激光光束的发散角ω、激光器李萨如扫描模式参数m(坐标横轴方向正弦扫描信号的角频率)、n(坐标纵轴方向正弦扫描信号的角频率)；

S2，建立激光器的李萨如扫描离散数字模型；

S3，构建出射激光的数字模型，激光出射的强度分布利用高斯模型进行仿真，用于后续仿真激光光束对空间的扫描的仿真；

S4，构建数字化的扫描视场区域数组：根据步骤S1获取的激光器单帧扫描点数ρ，确定数字化扫描视场区域数组为[kρ,kρ]，其中k≥1且为正整数，用数字化扫描视场区域数组记录激光光束扫过的频次或强度；

S5，执行李萨如扫描仿真：根据步骤S2建立的激光器李萨如扫描离散数字模型、步骤S1获取的激光器相关特性参数、以及步骤S3建立的出射激光的数字模型，对数字化的扫描视场区域进行仿真扫描，对扫描过程中处于激光束范围内的扫描视场区域数组进行赋值计数；赋值计数方法分为两种，一种是加值法：计数激光器一帧扫描过程中，每个区域数组元素被扫描到的频次，每扫到一次，对应的区域数组元素加一，用于分析不同视场区域被激光器光束扫描到的概率大小；另一种方法是最大强度值法：在激光器的一帧扫描过程中，只记录每个区域数组元素被激光器光束扫描到的最大强度值，用于分析激光有效扫描覆盖率；

S6，根据数字化扫描区域数组记录的数据，对扫描视场区域数组进行统计分析，确定视场内的激光扫描覆盖率。

在一种优选的实施方式中，步骤S2中，建立的激光器李萨如扫描离散数字模型，是根据激光器扫描的实际工作方式构建的，其特征要符合激光器扫描的实际方式与行为特征。公式为如下：

其中，ρ为单帧扫描点数，t为仿真序列值，λ

在一种优选的实施方式中，步骤S3中，激光出射的强度分布利用高斯模型进行仿真，具体如下：

其中，h

在一种优选的实施方式中，步骤S4中，参数k通常取值范围为3～10。

在一种优选的实施方式中，步骤S6中，所述视场内的激光扫描覆盖率通过下式确定：

其中，η

根据本发明的第二方面，提供了一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析装置，包括：

激光器特性参数获取模块，用于获取激光器相关特性参数，包括激光器扫描视场、激光器单帧扫描点数ρ、激光器单帧扫描时间、激光光束的发散角、激光器李萨如扫描模式参数；

李萨如扫描离散数字模型构建模块，用于建立激光器的李萨如扫描离散数字模型；

出射激光数字模型构建模块，用于构建出射激光的数字模型，激光出射的强度分布利用高斯模型进行仿真；

扫描视场区域数组构建模块，用于根据获取的激光器单帧扫描点数ρ，确定数字化扫描视场区域数组为[kρ,kρ]，其中k≥1且为正整数，用数字化扫描视场区域数组记录激光光束扫过的频次或强度；

李萨如扫描仿真执行模块，用于根据建立的激光器李萨如扫描离散数字模型、获取的激光器相关特性参数、以及建立的出射激光的数字模型，对数字化的扫描视场区域进行仿真扫描，对扫描过程中处于激光束范围内的扫描视场区域数组进行赋值计数；

激光扫描覆盖率模块，用于根据数字化扫描区域数组记录的数据，对扫描视场区域数组进行统计分析，确定视场内的激光扫描覆盖率。

根据本发明的第三方面，一种激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析设备，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实施第一方面所述的激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法。

根据本发明的第四方面，一种可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实施第一方面所述的激光器李萨如扫描模式空间视场覆盖率分析方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置、设备的具体工作过程，可以参考前述方法中的对应过程，在此不再赘述。

(1)获取激光器相关特性参数，包括激光器扫描视场、激光器单帧扫描点数ρ、激光器单帧扫描时间、激光光束的发散角ω、激光器李萨如扫描模式参数m、n，如激光器扫描视场为3.75°×3.75°，激光器单帧扫描点数ρ＝4800；激光器单帧扫描时间为120ms，激光光束的发散角ω为5mrad，激光器李萨如扫描模式参数m＝24，n＝25，m代表坐标横轴方向正弦扫描信号的角频率，n代表坐标纵轴方向正弦扫描信号的角频率；

(2)建立激光器的李萨如扫描离散数字模型，公式为如下：

其中，ρ为激光器单帧扫描点数，取值为4801，t为仿真序列值，可取值为t

(3)构建出射激光的数字模型，激光出射的强度分布利用高斯模型进行仿真，相应的公式为：

其中，n

(4)构建数字化的扫描视场区域数组：根据步骤(1)获取的激光单帧扫描点数，确定数字化扫描视场区域数组为[kρ,kρ]，其中k为整数，用数字化扫描视场区域数组记录激光光束扫过的频次或强度。其中k取值为10，ρ取值为4801，在本次实施方式中，用区域数组[48010,48010]的元素记录激光光束扫过的强度信息。

(5)执行李萨如扫描仿真：根据步骤(2)建立的激光器李萨如扫描离散模型、步骤(1)获取的激光器相关特性参数、以及步骤(3)建立的出射激光的数字模型，对数字化的扫描视场区域进行仿真扫描，对扫描过程中处于激光束范围内的扫描视场区域数组进行赋值计数，赋值计数方法分为两种，一种是加值法：计数激光器一帧扫描过程中，每个区域数组元素被扫描到的频次，每扫到一次，对应的区域数组元素加一，用于分析不同视场区域被激光器光束扫描到的概率大小，另一种方法是最大强度值法：在激光器的一帧扫描过程中，只记录每个区域数组元素被激光器光束扫描到的最大强度值，用于分析激光有效扫描覆盖率。在本实施例中，在激光器的一帧扫描过程中，只记录每个区域数组元素被激光器光束扫描到的最大强度值，分析激光有效扫描覆盖率；

(6)根据数字化扫描区域数组记录的数据，对扫描视场区域数组进行统计分析，分析视场内的激光扫描覆盖率，对于强度大于阈值0.7的强度记录元素，认定为有效的激光扫描强度，用如下公式计算激光扫描覆盖率：

其中，η

本发明方法，对李萨如视场空间覆盖率进行定量分析，相比传统解析方法，在计算上和流程上更加简单、避免了大量公式的代入运算；本发明方法，对李萨如视场空间覆盖率进行定量分析，相比传统实验方法，大幅缩短分析测量周期，定量分析精度更高。

本发明方法，对李萨如视场空间覆盖率进行定量分析，测试用例和参数调整更加灵活，便于在敏感器设计阶段配合进行敏感器多参数的优化验证，为敏感器多参数优化、精度分配提供定量的分析依据。例如，如图4所示，对于一个额定测量视场为30°×30°的李萨如模式扫描激光器来说，在已知激光发散角为5mrad，激光器单帧扫描点数ρ＝4801，激光器李萨如扫描模式参数m＝24，n＝25等参数时，如何设定激光器单帧李萨如扫描视场控制系数，使其能够在保证空间100％覆盖率的情况下，取得最大的单帧李萨如扫描视场，从而使激光扫描覆盖额定测量视场所需的单帧李萨如扫描次数最少。这一问题，就可以通过本方法进行仿真分析，快速分析不同单帧李萨如扫描视场控制系数(如控制系统分别为1、2、3、4、5)对应的李萨如空间扫描覆盖率，在确保李萨如空间扫描覆盖率为100％时，取扫描视场最大的控制系数作为最优方案。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。