空間暗弱目標光學探測技術綜述

樓 鑫，謝 敏，趙 陽

(1. 裝備學院，北京 101416; 2. 中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431)

空間暗弱目標光學探測技術綜述

樓 鑫1,2，謝 敏2，趙 陽1

(1. 裝備學院，北京 101416; 2. 中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431)

基于光學對空間目標進行探測是當前進行空間目標探測的主要手段之一，本文從回顧了空間暗弱目標探測技術以及數(shù)據(jù)挖掘技術的發(fā)展歷史，提出基于數(shù)據(jù)挖掘技的空間暗弱目標光學探測技術方法是今后發(fā)展的趨勢。

空間目標；光學探測技術；數(shù)據(jù)挖掘

0 引言

空間目標[1]是指環(huán)繞地球并在空間按照一定軌道運行的物體，包括人造衛(wèi)星等航天器、空間碎片（如助推器、保護罩、衛(wèi)星碎片）等。目前[2]，人類已經(jīng)發(fā)射超過26000個各類航天器，近一半的航天器仍然在繼續(xù)繞地球運動，雖然其中大部分已經(jīng)無法正常工作，但仍然對空間資源的利用和空間目標的探測與識別帶來極大挑戰(zhàn)。航天技術的快速發(fā)展及太空活動的日趨頻繁，世界上主要航天大國已經(jīng)意識到空間資源對國家軍事安全、國民經(jīng)濟發(fā)展等方面的重要戰(zhàn)略意義，不斷推進空間目探測和監(jiān)視技術的發(fā)展。

空間目標探測是掌握空間目標運行狀態(tài)，構建太空態(tài)勢，爭奪太空戰(zhàn)場主動權的必要條件，在航天領域具有重要地位[3]。依據(jù)對空間目標進行探測的設備所部署的位置進行分類[4][5]，可分為地基空間目標探測系統(tǒng)和天基空間目標探測系統(tǒng)。地基系統(tǒng)基于地面雷達或光學成像設備進行工作；天基系統(tǒng)大部分基于搭載光學探測器的衛(wèi)星進行工作。

1 空間暗弱目標探測技術

基于雷達和光學成像設備對空間暗弱目標進行探測是地基系統(tǒng)兩種工作模式。本文基于地基光學成像設備的基礎上，對空間暗弱目標探測技術進行深入探討?；诘鼗鈱W成像設備對太空中的目標進行探測起源于美國利用靶場經(jīng)緯儀對全球第一顆發(fā)射的蘇聯(lián)Sputnik衛(wèi)星進行了跟蹤觀測?，F(xiàn)階段，對太空碎片[2]的監(jiān)視已經(jīng)成為空間暗弱目標探測技術的主要應用方向。

美國的地基光學空間目標探測技術一直處于世界的領先水平[2]，50年代末研制了貝克-努恩（Baker-Nunn）人造衛(wèi)星跟蹤相機，利用膠片采集數(shù)據(jù)之后，在跟蹤結束后對膠片中的數(shù)據(jù)進行提取并加以分析，獲取空間目標的數(shù)據(jù)。70年代，林肯實驗室研制的GEDSS系統(tǒng)（Ground Based Electro-Optical Deep Space Surveillance, 地基深空光電監(jiān)視系統(tǒng)）[6]，基于恒星模式進行工作，使用錄像帶記錄數(shù)據(jù)，通過判讀軟件對錄像帶中的數(shù)據(jù)進行分析，獲取目標的信息。80年代，建設了針對深空的地面光電探測系統(tǒng)，擁有監(jiān)視直徑超過10cm的所有目標的能力[7]。1999年，將GEODSS系統(tǒng)進行了全面改造，使用科學級CCD芯片，依然采用恒星跟蹤模式，采用天文定位工作方式；在光度識別測量時采用速度跟蹤模式，需要參考星，采用CCD后可在完成跟蹤的同時取得目標的光度數(shù)據(jù)。2003年增加了紅外成像云探測裝置。2011年，在DARPA的支持下，完成了SST（Space Surveillance Telescope，空間監(jiān)視望遠鏡）的研制，部署在白沙靶場[8][9]。

俄羅斯（前蘇聯(lián)）也一直致力于發(fā)展自己的地面空間監(jiān)視系統(tǒng)[10]，主要由地基光學成像設備為組成，一般采用主動和被動相協(xié)同的方式進行工作。早在50年代，前蘇聯(lián)就構建了以茲維尼戈羅德試驗站[11]為主的光學探測網(wǎng)，由14個天文觀測站組成。地面光電探測系統(tǒng)——“天窗”系統(tǒng)[12][13]是俄羅斯空間監(jiān)視網(wǎng)最重要的組成部分，配備了10臺夜間運行的光學成像設備，包括短距望遠鏡探測中低軌目標、普通光學望遠鏡探測中高軌目標以及遠距望遠鏡探測地球靜止軌道目標。

我國基于地面光學成像設備的空間目標探測技術相較于國外起步較晚。直到70年代，我國才試驗成功類似于美國Baker-Nunn人造衛(wèi)星跟蹤相機的人衛(wèi)系列相機（HC-1），同時還研制了打印經(jīng)緯儀（GJ-1）[14]。80年代中后期，中國科學院下屬的云南、紫金山等天文觀測站和光技所等單位對空間目標探測技術的基礎理論進行了成體系的探索[15]。90年代，我國也研制了用于空間目標探測的光電系統(tǒng)，主要由一臺跟蹤望遠鏡、一臺監(jiān)測望遠鏡以及監(jiān)測監(jiān)控管理、站數(shù)據(jù)管理等分系統(tǒng)組成。目前，我國空間目標光電探測系統(tǒng)主要由小光電和大光電設備組成。

空間暗弱目標探測，除了需要使用高精度光電設備進行數(shù)據(jù)采集，更依賴后期的數(shù)據(jù)處理與分析，因此算法的優(yōu)劣直接決定了探測能力的強弱。

針對光學成像的空間目標數(shù)據(jù)，星圖匹配算法是進行空間目標探測的基礎，空間目標往往處于以星空為背景的環(huán)境中，需要對背景星空進行匹配才能排除恒星對目標探測的干擾，國內(nèi)外有很多的相關研究。

由于基于地基光學成像設備獲取暗弱目標的信號非常微弱，易被噪聲信號所湮沒，所以地基光學空間目標探測的關鍵是采用合適的方法從混雜的信號中提取出被噪聲湮沒的暗弱目標[16]。國內(nèi)外的專家學者已經(jīng)提出了眾多的方法，基本方法是采用單幀與多幀相聯(lián)合的模式[17]，即首先對單幀圖像去噪，接著結合運動特征對相鄰多幀圖像融合分析，提取出被噪聲湮沒的暗弱目標。

在暗弱目標探測的算法研究上，一般采用的濾波的方法包括：中值濾波器、匹配濾波器、最小均方差濾波器和高通濾波器；信號增強的方法包括：模糊理論增強、小波變換法、直方圖增強、非線性增強方法等；目標分割的方法包括：Ostu分割、信息“熵”分割、投影檢測、領域聚類分割等；目標檢測的方法包括：多級假設檢驗、高階相關法、卡爾曼濾波、動態(tài)規(guī)劃算法等。目前基于光學探測暗弱目標的方法常用背景抵消、并像元、幀累加、多光譜探測技術等[18]。

國外美國的地基光電深空探測系統(tǒng)、俄羅斯的光電探測群等都具有相當成熟的的技術和方法，國內(nèi)的機構也進行了大量的研究，成果已經(jīng)廣泛的應用于探測系統(tǒng)之中。

文獻[19]探討了一種快速星圖匹配法（三角形匹配法），能夠使星圖匹配更可靠、實時，但這種方法忽略掉了很多亮度很弱的星，對視場邊緣的星的匹配存在一定誤差。文獻[20]為提高星圖匹配的準確率，探討了基于去除誤匹配點的新算法——累積偏差法。文獻[21]和文獻[22]分別提出了多邊形角距匹配算法和多邊形角度匹配算法，這類算法需要星體的先驗信息。文獻[23]提出了一種基于相機的空間暗弱慢速目標自主識別與跟蹤技術，該技術在空間星相機圖像處理基礎上，首先提出了以特征向量投影法為核心的優(yōu)化算法，以優(yōu)化導航星庫和星圖匹配算法，提高星圖匹配的速度和可靠性。其次，還提出了結合幀疊加法與星圖反匹配法優(yōu)點的聯(lián)合算法，提高了空間目標的識別率。

2 數(shù)據(jù)挖掘技術

“數(shù)據(jù)挖掘”最初是作為貶義詞出現(xiàn)于上世紀60年代，指從數(shù)據(jù)中搜索沒有先驗假設的關聯(lián)（correlations without an apriori hypothesis）。1989年，Gregory Piatetsky-Shapiro博士首次使用了“知識發(fā)現(xiàn)”這一詞匯，即數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn)（Knowledge Discovery in Database, KDD），這是在第11屆人工智能聯(lián)合會議專題研討會上[24]，從此，數(shù)據(jù)挖掘形成一個獨立的研究方向。1991年，數(shù)據(jù)倉庫之父William H. Inmon在著作《Building the Data Warehouse》中首次定義了數(shù)據(jù)倉庫[25]的概念并進行了解釋。關于知識發(fā)現(xiàn)的專題研討會幾乎每年都舉行，來自各個領域的研究人員和應用開發(fā)者集中討論數(shù)據(jù)統(tǒng)計、海量數(shù)據(jù)分析算法、知識表示、知識運用等問題[26]。數(shù)據(jù)挖掘首次當作獨立學科被提出是在1995年的第一屆知識發(fā)現(xiàn)與數(shù)據(jù)挖掘學術研討會上[27]，同年，數(shù)據(jù)挖掘被視為知識發(fā)現(xiàn)中的重要組成部分。1997年IEEE的數(shù)據(jù)挖掘?？禟nowledge and Data Engineering》公開出版。1998年、1999年召開的知識發(fā)現(xiàn)研討會收到了空前熱烈的追捧，同時也為數(shù)據(jù)挖掘奠定不不少理論基礎。隨著相關領域的技術不斷深化，數(shù)據(jù)挖掘的新理論、新算法、新應用等被更加深入的研究[28]。與國外相比，國內(nèi)對數(shù)據(jù)挖掘的研究起步比較晚，1993年，數(shù)據(jù)挖掘作為研究方向得到國家自然科學基金的支持標志著國內(nèi)研究數(shù)據(jù)挖掘的開端。1999年，首次在國內(nèi)舉辦了國際性的數(shù)據(jù)挖掘的會議——北京第三屆亞太地區(qū)知識發(fā)現(xiàn)國際會議。直到21世紀初，才基本構建數(shù)據(jù)挖掘的基礎理論體系。越來越多的國內(nèi)專家學者開始從事數(shù)據(jù)挖掘方面的研究，比較著名的有上海交通大學楊杰教授主持的項目——“用于建模、優(yōu)化和故障診斷的數(shù)據(jù)挖掘技術”；周立柱教授主持創(chuàng)建的“清華數(shù)據(jù)挖掘研究小組”等。國內(nèi)比較重要的會議有全國數(shù)據(jù)庫學術會議（National Data Base Academic Conference，NDBC），權威的雜志有《計算機學報》、《軟件學報》和《計算機研究與發(fā)展》等。

隨著數(shù)據(jù)挖掘技術的不斷深化，數(shù)據(jù)挖掘已經(jīng)被成功運用到與人類生活息息相關的互聯(lián)網(wǎng)、金融、生物醫(yī)學、天文學等各個領域。

在互聯(lián)網(wǎng)領域，文獻[29]提出了在搜索引擎領域應用數(shù)據(jù)挖掘技術，對網(wǎng)頁內(nèi)容進行挖掘形成文檔摘要，為用戶提供更加快速、方便的服務。搜索引擎之王Google使用的PageRank算法[30]，在2001年9月被授予美國專利，此算法通過分析網(wǎng)站外部與內(nèi)部所有鏈接的數(shù)質量情況來對網(wǎng)站的價值進行衡量。FIREFLY幫助個人音樂推薦，CRAYON允許用戶創(chuàng)造他們自己的免費報紙，而Farcast從各種各樣的來源中自動尋找用戶信息等。

在金融領域，文獻[31]提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的BP神經(jīng)網(wǎng)絡的信用風險評級模型的構建及可視化模塊構建，可以對客戶進行信用分級，進一步規(guī)避風險。中信銀行結合實時、歷史數(shù)據(jù)進行全局分析，風控部門通過評估客戶的日常使用情況，評定客戶的信用風險等級，授予相應的信用額度[32]。HNC和Nestor Falcon PRISMA也是運用數(shù)據(jù)挖掘技術監(jiān)控信用卡欺詐的應用系統(tǒng)。

在生物醫(yī)學領域，文獻[33]分析了在生物醫(yī)學領域中的統(tǒng)計學與數(shù)據(jù)挖掘技術的關系，提出了聚類、關聯(lián)分析、序列分析等數(shù)據(jù)挖掘方法在生物醫(yī)學研究中的應用。

在零售業(yè)領域，文獻[34]探討了一種利用SPSS Clementine 10.1數(shù)據(jù)挖掘工具對超市顧客進行分析研究的方法，可以幫助零售企業(yè)識別不同類型的客戶群體，預測顧客的需求，使企業(yè)可以為顧客提供更為有針對性的高效服務。美國零售商Target利用數(shù)據(jù)挖掘技術可以非常準確地預測他們的客戶什么時候想要小孩，沃爾瑪利用數(shù)據(jù)挖掘技術可以更好地預測哪些產(chǎn)品將會熱賣。

在天文學和空間科學領域，著名的應用系統(tǒng)——SKICAT，處理來自各種來源的累積數(shù)據(jù)量龐大的問題，相關的數(shù)據(jù)提取和顯示的重要趨勢，目的是最大限度地從龐大的數(shù)據(jù)庫中提取有意義的信息。該系統(tǒng)是建立在一個模塊化的方式，結合幾個現(xiàn)有的算法和軟件包。有三個基本功能：服務天空對象的目錄建設、目錄管理、進行高水平統(tǒng)計和科學分析，即對所研究的天空中的對象的圖像進行分類和編目。通過SKICAT發(fā)現(xiàn)了16個新的極其遙遠的類星體。

在人類日?；顒宇I域，通過可穿戴設備（例如智能手表、手環(huán)等）生成的熱量消耗、睡眠情況、心跳頻率等數(shù)據(jù)，挖掘出一個人的生活習慣、健康狀況等。還可以利用數(shù)據(jù)挖掘來尋找愛情，大多數(shù)網(wǎng)上交友網(wǎng)站都使用數(shù)據(jù)挖掘工具和算法來尋找最合適的對象。百度推出旅游預測產(chǎn)品，提供景區(qū)客流量預測、游客人口屬性分析、游客興趣挖掘、輿情分析等服務。Esurance推出一款名為Fuelcaster的App，專門幫助車主們預測近期油價，提供購買建議并顯示周邊10個加油站的油價對比等。

3 基于數(shù)據(jù)挖掘的空間暗弱目標探測技術

研究空間暗弱目標探測技術，對進一步促進我國發(fā)展空間航天器自主交會對接、空間目標對抗等航天技術具有重要應用價值。由于人造空間目標尤其是中高軌目標距離遠，成像像素少、亮度低，星空背景噪聲以及各類其他噪聲對成像有很大的影響，為地基光學成像設備的探測與識別帶來極大困難。一些中高軌小目標甚至湮沒在圖像噪聲中，無法進行探測。可以通過將針對地基光學成像設備收集到的空間目標數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘分類器技術的暗弱目標探測方法。通過分析已有的空間探測數(shù)據(jù)庫，提取噪聲特征和目標特征，構建空間暗弱目標分類器，分析目標數(shù)據(jù)，探測可能存在的暗弱目標。

4 結束語

本文對暗弱目標探測技術和數(shù)據(jù)挖掘技術進行了綜述，提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的空間暗弱目標探測技術是今后研究的一個重點，是對光學探測技術的一個重要補充。

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Review of Detection Technologies of Optical Space Faint Objects

LOU Xin1,2, XIE Min1, ZHAO Yang1
(1. Equipment Academy, Beijing 101416, China; 2. China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin, Jiangsu Province 214431)

Optical for space target detection is the main method of space target detection based on this paper reviews the historical development of space dim target detection technology and data mining technology, puts forward the data mining technology of the space optical dark target detection technology method is based on the development trend of the future.

Space target; Optical detection technology; Data mining

V566.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.10.010

樓鑫(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：空間信息獲取與處理。

本文著錄格式：樓鑫，謝敏，趙陽. 空間暗弱目標光學探測技術綜述[J]. 軟件，2016，37（10）：42-45