CN104155748A - 基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统 - Google Patents

Abstract

基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，涉及空间技术领域，解决现有地面高能激光发射系统对空间碎片过程中存在光路中元件受热变形等问题，本系统从地面发射多束高功率激光到空间碎片上，多光束能量的叠加实现对空间碎片的烧蚀作用。为了提高光束在空间碎片上面的作用效果，系统中采用了自适应光学技术对光学元件热变形和大气引起的扰动进行校正；同时，系统使用激光导星技术，提高了对暗弱空间目标的作用能力。该空间碎片清除系统是在地球表面上实现对空间碎片清除的一种方式，系统应用能量叠加的原理，采用多束激光发射，能够实现对不同轨道高度的空间碎片进行处理，各关键单元技术实现难度降低，维护方便，成本也相应减少。

Description

基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统

技术领域

本发明涉及空间技术领域，具体涉及空间碎片的清除技术。

背景技术

空间碎片是指围绕地心轨道运行的人造物体，一般已经没有利用价值。它是人类进行空间活动的产物，包括停止运行的航天器(如卫星、空间站、航天飞机等)、用于发射卫星的火箭残留物、多级火箭分离所产生的碎片、空间物体之间碰撞产生的碎片等。随着人类空间活动的进行，空间碎片的数量呈现不断增长的趋势，其潜在的碰撞风险严重威胁着航天器的安全在轨运行。

对空间碎片的研究重点在于监视与清除。对空间碎片进行监视，是给出每一个瞬间其在天空中的位置及变化，确定运行轨道。虽然对于一些规律运行的空间碎片，航天器可以根据其运行轨道采取主动规避措施避免碰撞，但是对新产生的碎片或是较小的碎片，主动规避措施就将会失效。所以为了确保航天器的安全运行，有必要采取主动清除手段对空间碎片进行处理。

从地面上发射高能激光束到空间碎片，利用激光对空间碎片材料的烧蚀作用，实现对空间碎片去除是一种可行的方案。目前，类似的系统基本上都是采用一套激光发射系统把一束高能激光发射到目标上。这种激光作用系统，除了激光器自身的性能影响之外，受激光照射的扩束光路中的镜片会产生温度变形，使系统的出射光束质量达不到最优的性能指标；另外激光经大气传输到达目标，大气湍流会使激光产生畸变，而且强激光传输的大气热晕效应也会引起激光畸变，从而造成碎片靶标上的激光功率不均匀或下降，严重影响系统的效能。针对上述问题，目前比较好的解决办法是在激光发射系统中引入自适应光学技术，实现激光束整形与大气传输校正。

为了实现较好的空间碎片去除效果，要求到达碎片上的激光功率密度足够大。这一方面可以增大发射激光器的功率；另一方面可以增大发射望远镜的口径，使采用自适应光学技术后，在空间碎片上的接近衍射极限光斑足够小。但是，单纯增大功率对激光器技术的要求较高，并且激光功率增大之后，光路系统中的光学元件温度变形会变得难以控制，严重影响出射光束质量；而增大发射望远镜的口径则对望远镜技术提出了更高的要求，相对应的自适应光学规模也会加大，这些都会增加系统的实现难度及成本。

发明内容

本发明为解决地面高能激光发射系统对空间碎片过程中存在光路中元件受热变形以及系统实现难度大成本高等问题，提供一种基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统。

基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，包括激光发射望远镜、三镜、折转镜、激光导星单元、光路中继系统、自适应光学组件和高功率激光发射器；

激光导星单元发射的激光光束在空中形成激光导星，导星光线依次经激光发射望远镜、三镜、折转镜以及光路中继系统后，进入自适应光学组件，所述自适应光学组件测得当前系统波像差，并进行校正，高功率激光发射器发射的激光束依次通过自适光学组件、光路中继系统、折转镜以及三镜后，经激光发射望远镜发射到空间碎片目标上，实现对空间碎片的清除。

本发明的有益效果：本发明所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，系统发射多束高功率激光到空间碎片上面，激光光束的能量在空间碎片上叠加，实现对碎片的烧蚀处理。为了克服热变形及大气扰动对激光传输的影响，在光束发射系统中采用自适应光学技术进行校正，提高激光的作用效果；另外，为了实现对暗弱空间碎片目标的清除，系统中采用了激光导星作为自适应光学校正的参考源。

本发明在地面上实现对空间碎片的清除，避免了发射在轨空间清除装置的高成本、高系统复杂度等风险；采用多激光合束技术，可以降低对单个激光器功率的要求，弱化单一高功率激光器所带来的镜面热变形问题，同时对望远镜技术的要求也相应降低；采用自适应光学技术，降低了热变形和大气对激光传输的影响；实现对光路元件热变形和大气引起的光束畸变的自适应补偿，同时，系统引入激光导星技术，能够实现对暗弱空间碎片目标的高精度激光作用。提高了对暗弱空间碎片目标的作用效果。

附图说明

图1为本发明所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统的结构示意图；

图2为本发明所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统中拼接式主镜结构形式示意图；

图3为本发明所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统中激光导星单元的结构示意图；

图4为本发明所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统中自适应光学组件及激光发射器的结构示意图；

图5为对应于图2中各子镜排列方式的倾斜校正镜组中各子镜的排列方式示意图；

图6为对应图2中各子镜排列方式的变形镜组中各子镜的排列方式示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，主要由激光发射望远镜、激光导星单元3、光路中继系统6、n路自适应光学组件7和n多路高功率激光发射器8组成。其中拼接式主镜1、次镜2组成的激光发射望远镜作为主光学系统安装在一套支撑及目标跟踪系统上面，该支撑与跟踪系统为大多数望远镜的固有组成部分，所述激光导星单元3安装在次镜2的背面，发射一束激光到约90公里的海拔高度，形成激光导星，望远镜接收导星的光线，经过三镜4、折转镜5、光路中继系统6后，进入自适应光学组件7。自适应光学组件7测得当前的系统波像差，并进行校正。由n路高功率激光发射器8发射的激光束依次通过各自的自适应光学相关组件7、光路中继系统6、折转镜5和三镜4后，由激光发射望远镜主镜对应的拼接子镜发射出去。因为由大气扰动引起的波像差已经过自适应光学组件7校正，所以这时从望远镜发射到空间碎片目标上的激光束也是校正好的，激光在目标上的能量将高度集中，各激光束能量的叠加将对空间碎片产生烧蚀效果。n为正整数。

结合图2说明本实施方式，激光发射望远镜主镜1由七块子镜组成，每块子镜对应一套激光器8和一套自适应光学组件7。考虑空间碎片的大小、轨道高度、材料特性、大气条件、自适应光学校正效果等条件，实际系统的实现方式及结构参数，如子镜的口径与形状、子镜的数量、子镜的拼接形式等根据计算结果进行设计，不限于此种情况。

结合图3说明本实施方式，激光导星单元由导星激光器3-1发出的光线，依次经过导星发射望远镜次镜3-3、主镜3-2发射出去。图中略去了常规使用的导星发射望远镜支撑和指向调节组件、导星激光器相关组件等。

结合图4说明本实施方式，所述光路中继系统由第一光路组件6-1、第二光路组件6-2和第三光路组件6-3组成，所述自适应光学组件7由倾斜校正镜组7-1、第二光学组件7-4、第三光学组件7-5、第四光学组件7-6、第五光学组件7-7、变形镜组7-3、波前倾斜传感器7-8、波前传感器7-9、波前处理器7-10、倾斜校正控制器7-11和变形镜控制器7-12组成；第一光路组件6-1、第二光路组件6-2和第三光路组件6-3实现拼接主镜1与倾斜校正镜组7-1成光学共轭关系，第一光学组件7-2实现拼接主镜1与变形镜组7-3成光学共轭关系。从激光导星来的光线依次经过主镜1、次镜2、三镜4、折转镜5、第一光路组件6-1、第二光路组件6-2和第三光路组件6-3、倾斜校正镜组7-1、第一光学组件7-2、变形镜组7-3、第二光学组件7-4、第三光学组件7-5先由第四光学组件7-6进入波前倾斜传感器7-8，再由第五光学组件7-7进入波前传感器7-9。波前处理器7-10获得波前倾斜传感器7-8和波前传感器7-9的信号，进行处理并提供控制信号给倾斜校正控制器7-11和变形镜控制器7-12，分别实现对倾斜校正镜组7-1和变形镜组7-3的闭环控制，达到对光波前扰动校正的目的。第二光学组件7-4、第三光学组件7-5、第四光学组件7-6和第五光学组件7-7使变形镜7-3(1)和波前传感器7-9成光学共轭关系。高功率激光器8发射的激光依次经过第三光学组件7-5、第二光学组件7-4、变形镜组7-3、第一光学组件7-2、倾斜校正镜组7-1、第一光路组件6-1、第二光路组件6-2和第三光路组件6-3、折转镜5、三镜4、次镜2，再由主镜1发射出去。因为倾斜校正镜组7-1和变形镜组7-3已经实现了波前校正，所以这时发射出去的激光束是经过校正的，到达空间碎片目标的是不受热畸变与大气影响的理想光束。

结合图5说明本实施方式，图5给出了对应于图2主镜中各子镜排列方式的倾斜校正镜组7-1中各校正子镜的排列方式，要求倾斜校正镜组7-1与拼接主镜1成光学共轭关系。倾斜校正镜组7-1由相互独立的七块倾斜校正子镜组成。倾斜校正镜组7-1各子镜与主镜1的相应子镜成光学共轭关系。每个倾斜校正子镜由三个位移促动器111做二维的倾斜调整。

结合图6说明本实施方式，图6给出了对应图2主镜中各子镜排列方式的变形镜组7-3中变形镜子镜的排列方式，要求变形镜组7-3与拼接主镜1成光学共轭关系。变形镜组7-3由相互独立的七块变形镜子镜组成。变形镜7-3各子镜与主镜1的相应子镜成光学共轭关系。每个变形镜子镜下面都有多个促动器112，实现对镜面面形的控制。

本实施方式所述的波前传感器7-9与变形镜7-3各子镜成光学共轭关系，所述波前传感器7-9可以有多种实现方式，既可采用常规的Shack-Hartmann传感器，也可以采用基于能量集中度的SPGD方法等。所述多路高功率激光器，根据光学设计合理布局，使系统满足一束发射激光对应一个拼接子镜的要求。

本实施方式对于拼接式主镜1结构形式空间碎片清除系统，其特点是多束激光发射主镜采用子镜拼接的形式，一个子镜对应发射一束激光束，这些拼接子镜共用一个次镜和一套激光导星系统。但是，每个激光发射子镜各自采用一套自适应光学系统对热变形和大气扰动进行校正；当空间碎片目标较亮时，用空间碎片作为校正参考源，当空间碎片为暗弱目标时，用共用的激光导星作为参考源。这种结构形式的优点是不需要研制大口径的激光发射主镜，降低主镜研制成本及与其对应的多单元数自适应光学系统的研制成本，且采用激光合束的形式可以降低对单个激光器功率的要求，降低单一高功率激光器所带来的镜面热变形问题，同时整个系统只需要一套激光导星系统。

Claims (6)

1.基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，包括激光发射望远镜、三镜(4)、折转镜(5)、激光导星单元(3)、光路中继系统(6)、自适应光学组件(7)和高功率激光发射器(8)；

激光导星单元(3)发射的激光光束在空中形成激光导星，导星光线依次经激光发射望远镜、三镜(4)、折转镜(5)以及光路中继系统(6)后，进入自适应光学组件(7)，所述自适应光学组件(7)测得当前系统波像差，并进行校正，高功率激光发射器(8)发射的激光束依次通过自适光学组件(7)、光路中继系统(6)、折转镜(5)以及三镜(4)后，经激光发射望远镜发射到空间碎片目标上，实现对空间碎片的清除。

2.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，其特征在于，所述激光发射望远镜包括主镜(1)和次镜(2)，所述主镜(1)由多块子镜拼接而成，所述自适应光学组件(7)和高功率激光发射器(8)均为多路，每块子镜对应一路激光发射器(8)和一路自适应光学组件(7)。

3.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，其特征在于，自适应光学组件(7)由倾斜校正镜组(7-1)、多个光学组件、变形镜组(7-3)、波前倾斜传感器(7-8)、波前传感器(7-9)、波前处理器(7-10)、倾斜校正控制器(7-11)和变形镜控制器(7-12)组成；经激光导星单元(3)在空中形成激光导星，导星光线依次经主镜(1)、次镜(2)、三镜(4)、折转镜(5)、光路中继系统(6)、倾斜校正镜组(7-1)、第一光学组件(7-2)、变形镜组(7-3)、第二光学组件(7-4)、第三光学组件(7-5)以及第四光学组件(7-6)进入波前倾斜传感器(7-8)，再经第五光学组件(7-7)进入波前传感器(7-9)，波前处理器(7-10)对获得波前倾斜传感器(7-8)和波前传感器(7-9)的信号进行处理并提供控制信号给倾斜校正控制器(7-11)和变形镜控制器(7-12)，分别实现对倾斜校正镜组(7-1)和变形镜组(7-3)的波前校正。

4.根据权利要求1所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，其特征在于，所述倾斜校正镜组(7-1)由多个相互独立的倾斜校正子镜组成，所述变形镜组(7-3)由多个相互独立的变形镜子镜组成，倾斜校正镜组(7-1)与主镜(1)成光学共轭，每个倾斜校正子镜与每块对应的子镜成光学共轭，变形镜组(7-3)与主镜(1)成光学共轭，每个变形镜子镜与每块对应的子镜成光学共轭。

5.根据权利要求4所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，其特征在于，所述每个倾斜校正子镜由三个位移促动器做二维的倾斜调整，每个变形镜由多个促动器实现对镜面面形的控制。

6.根据权利要求3所述的基于自适应光学技术的激光合束空间碎片清除系统，其特征在于，所述的波前传感器(7-9)与变形镜组(7-3)的每个变形镜子镜成光学共轭。