CN104570146B - 空间碎片探测成像及通信系统 - Google Patents
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Abstract
空间碎片探测成像及通信系统，属于空间目标探测与信息传输技术领域，包括空间碎片探测与跟踪子系统、通信粗跟踪子系统、成像与通信精跟踪子系统以及跟踪转台子系统；空间碎片探测与跟踪子系统、通信粗跟踪子系统、成像与通信精跟踪子系统放在跟踪转台子系统上；空间碎片探测与跟踪子系统与成像与通信精跟踪子系统光轴平行，且并行排列；通信粗跟踪子系统与成像与通信精跟踪子系统光轴垂直；所述通信粗跟踪子系统中半反半透摆镜的反射方向对准成像与通信精跟踪子系统的接收方向。本发明通过光机结构设计，将激光测距、成像探测、激光通信高度结合，实现了对空间碎片的测量、成像及通信多功能一体化。
Description
技术领域
本发明属于空间目标探测与信息传输技术领域，特别是涉及到一种空间碎片探测系统。
背景技术
随着人类探索太空活动的逐年增多，空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全，对空间碎片进行监测，并将其信息快速回传具有重要意义。国内外在激光通信与测距相结合、激光通信与成像相结合两个方面开展了研究。
1、激光通信与测距相结合研究
美国X2000飞行终端是一个多功能仪器，不仅能完成双向通信，还具有双向激光测距和激光高度计等功能。在飞行终端结构设计中，测距和通信共用信号光，采用应答测距体制进行激光测距，实现激光测距和激光通信复用的目的。
欧洲的光学地面站和日本国际光学地面站除了可以作为星地激光己方通信终端使用外，可用于激光测距以及激光雷达模式下大气探测等。
美国还提出了一个SLR2000卫星激光测距站的改造方案，就是将激光测距和激光通信结合起来。SLR2000C的主要改造思想是利用SLR2000激光测距机的测距光作为激光通信的信标光用于跟踪瞄，在SLR2000卫星激光测距机上加装波长在1550nm附近激光器用于和卫星通信建立双向通信。
中国航天504所采用异步应答激光测距通信技术。激光接收单元接收到反射激光脉冲之后,触发激光发射单元由原来的发射状态转换为截止状态，激光脉冲的发射和接收是相互关联的，即需要两个端机之间配合的激光测距，不能对非合作目标进行激光测距。
2、激光通信、成像相结合研究
美国JPL实验室为小型飞行器提出激光通信和空间成像一体化(ACLAIM)的设计方案。激光通信天线和空间相机共用一个前置望远镜，利用探测器阵列作为ATP和成像接收。
但是，这两方面的研究中在空间碎片激光测距、成像探测、激光通信相结合方面并没有研究报道。因此，现有技术当中亟需要一种新型的技术方案来解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种空间碎片探测成像及通信系统，通过光机结构设计，将激光测距、成像探测、激光通信高度结合，实现了对空间碎片的测量、成像及通信多功能一体化。
空间碎片探测成像及通信系统，包括空间碎片探测与跟踪子系统、通信粗跟踪子系统、成像与通信精跟踪子系统以及跟踪转台子系统，其中空间碎片探测与跟踪子系统、通信粗跟踪子系统、成像与通信精跟踪子系统放在跟踪转台子系统上；空间碎片探测与跟踪子系统与成像与通信精跟踪子系统光轴平行，且并行排列；通信粗跟踪子系统与成像与通信精跟踪子系统光轴垂直；
所述空间碎片探测与跟踪子系统包括望远光学单元Ⅰ、半反半透单元Ⅰ、分光单元Ⅰ、探测激光发射单元、测距接收单元、跟踪探测单元以及跟踪处理单元，望远光学单元Ⅰ、半反半透单元Ⅰ以及分光单元Ⅰ同光轴，且串联排列；探测激光发射单元放在半反半透单元Ⅰ的反射方向上，探测激光通过半反半透单元Ⅰ的反射后，经望远光学单元Ⅰ发射；测距接收单元放在分光单元Ⅰ的反射方向上，跟踪探测单元放在分光单元Ⅰ的透射方向上；碎片反射光经望远光学单元Ⅰ、半反半透单元Ⅰ以及分光单元Ⅰ后，被测距接收单元和探测跟踪单元接收，完成碎片测距和跟踪成像；跟踪处理单元根据成像产生控制信号控制跟踪转台子系统转动，完成对碎片的跟踪；
所述通信粗跟踪子系统由半反半透摆镜、望远光学单元Ⅱ、分光单元Ⅱ、粗信标接收单元以及粗信标发射单元组成；在半反半透摆镜的透射方向上，望远光学单元Ⅱ、分光单元Ⅱ、粗信标接收单元同光轴，且依次排列放置；所述粗信标发射单元放在分光单元Ⅱ的反射方向上，粗信标发射单元发出粗信标光，通过分光单元Ⅱ、望远光学单元Ⅱ透射以及半反半透摆镜反射后出射；粗信标接收单元接收己方通信终端的粗信标光，对半反半透摆镜进行控制，使粗信标光经半反半透摆镜入射到成像与通信精跟踪子系统中，完成对己方通信终端的粗跟踪；
所述成像与通信精跟踪子系统包括望远光学单元Ⅲ、半反半透单元Ⅱ、分光单元Ⅲ、偏振成像单元、光谱成像单元、信息融合处理单元、振镜单元、分光单元Ⅳ、精信号光发射和接收单元以及通信光发射和接收单元，所述望远光学单元Ⅲ，半反半透单元Ⅱ、分光单元Ⅲ、偏振成像单元同光轴，且串联排列；目标光经望远光学单元Ⅲ、半反半透单元Ⅱ、分光单元Ⅲ透射，在偏振成像单元上偏振成像；所述光谱成像单元放在分光单元Ⅲ的反射方向上，完成光谱成像；振镜单元、分光单元Ⅳ同光轴，且串联排列，设置在半反半透单元Ⅱ的反射方向上；所述精信号光发射和接收单元放置在分光单元Ⅳ的反射方向上，所述通信光发射和接收单元放置在分光单元Ⅳ的透射方向上，精信号光发射和接收单元发射精信号光经过振镜单元反射入射到半反半透单元Ⅱ，经半反半透单元Ⅱ反射入射到望远光学单元Ⅲ，经望远光学单元Ⅲ出射；同时，目标发射的精信号光经望远光学单元Ⅲ，半反半透单元Ⅱ，振镜单元，分光单元Ⅳ后由精信号光发射和接收单元接收，根据接收的精信标成像产生控制信号控制振镜单元转动，直至精信标成像在视场中心，完成对目标的精跟踪。
所述通信粗跟踪子系统中半反半透摆镜的反射方向对准成像与通信精跟踪子系统的接收方向。
所述通信光发射和接收单元用于发射、接收信号光进行光通信。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：空间碎片探测成像及通信系统，通过光机结构设计，将激光测距、成像探测、激光通信高度结合，实现了对空间碎片的测量、成像及通信多功能一体化。可以实现探测体现在对空间碎片发现、跟踪、测距，以确定碎片的轨道和运行规律；可以实现成像体现在对空间碎片的光谱、强度、相位等信息获取，以确定碎片尺寸、类型、与背景的对比度等；可以实现通信体现在将探测以及成像的信息准确及时传输到卫星、空间站、地面站等，提高了系统的使用效率。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明：
图1为本发明空间碎片探测成像及通信系统组成示意框图。
其中，1-空间碎片探测与跟踪子系统、10-望远光学单元Ⅰ、11-半反半透单元Ⅰ、12-分光单元Ⅰ、13-探测激光发射单元、14-测距接收单元、15-跟踪探测单元、16-跟踪处理单元、2-通信粗跟踪子系统、20-半反半透摆镜、21-望远光学单元Ⅱ、22-分光单元Ⅱ、23-粗信标接收单元、24-粗信标发射单元、3-成像与通信精跟踪子系统、30-望远光学单元Ⅲ、31-半反半透单元Ⅱ、32-分光单元Ⅲ、33-偏振成像单元、34-光谱成像单元、35-信息融合处理单元、36-振镜单元、37-分光单元Ⅳ、38-精信号光发射和接收单元、39-通信光发射和接收单元、4-跟踪转台子系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做出进一步说明，如图1所示的空间碎片探测成像及通信系统，包括空间碎片探测与跟踪子系统1、通信粗跟踪子系统2、成像与通信精跟踪子系统3以及跟踪转台子系统4；空间碎片探测与跟踪子系统1、通信粗跟踪子系统2、成像与通信精跟踪子系统3放在跟踪转台子系统4上；空间碎片探测与跟踪子系统1与成像与通信精跟踪子系统3光轴平行，且并行排列；通信粗跟踪子系统2与成像与通信精跟踪子系统3光轴垂直。
所述的空间碎片探测与跟踪子系统1由Thorlabs公司的EB02-05-A型号望远光学单元Ⅰ 10，Thorlabs公司的EBS2型号半反半透单元Ⅰ 11，Thorlabs公司的SL-800M型号分光单元Ⅰ 12，Thorlabs公司的ML620G40型号探测激光发射单元13，Thorlabs公司的4070M-CL测距接收单元14，Thorlabs-PDA8GS型号跟踪探测单元15，跟踪处理单元16组成。望远光学单元Ⅰ 10，半反半透单元Ⅰ 11，分光单元Ⅰ 12同光轴串联排列，探测激光发射单元13放在半反半透单元Ⅰ 11的反射方向上，探测激光通过半反半透单元Ⅰ 11的反射后，经望远光学单元Ⅰ 10发射。测距接收单元14和跟踪探测单元15分别放在分光单元Ⅰ 12的反射、透射方向上，碎片反射光经望远光学单元Ⅰ 10，半反半透单元Ⅰ 11，分光单元Ⅰ 12后，被测距接收单元14和探测跟踪单元15接收，完成碎片测距和跟踪成像。跟踪处理单元16根据成像产生控制信号控制跟踪转台子系统4转动，完成对碎片的跟踪。
所述的通信粗跟踪子系统2由Thorlabs公司的EBS2型号半反半透摆镜20、Thorlabs公司的EB02-05-B望远光学单元Ⅱ 21、Thorlabs公司的SL-800M分光单元Ⅱ 22、Thorlabs公司的ML620G40型号粗信标接收单元23和Thorlabs公司的ML620G40型号粗信标发射单元24组成；在半反半透摆镜20的透射方向上、望远光学单元Ⅱ 21、分光单元Ⅱ 22、粗信标接收单元23同光轴依次排列放置，粗信标发射单元Ⅱ 24放在分光单元Ⅱ 22的反射方向上；粗信标发射单元24发出粗信标光，通过分光单元Ⅱ 22、望远光学单元Ⅱ 21透射、半反半透摆镜20反射后出射。粗信标接收单元23接收己方通信终端的粗信标光，对半反半透摆镜20进行控制，使粗信标光经半反半透摆镜20入射到成像与通信精跟踪子系统3中，完成对己方通信终端的粗跟踪。
所述的成像与通信精跟踪子系统3由Thorlabs公司的EB02-05-B望远光学单元Ⅲ30，Thorlabs公司的EBS2型号半反半透单元Ⅱ 31，Thorlabs公司的SL-1500M分光单元Ⅲ32，Fluxdata公司的FD1665P型号偏振成像单元33，PerkinElmer公司的Nuance型号光谱成像单元34，PerkinElmer公司的inFormTM型号信息融合处理单元35，PI公司的S-325PZT振镜单元36，Thorlabs公司的SL-1500M分光单元37，Thorlabs公司的ML1550G40精信号光发射和接收单元38，Thorlabs-PDA8GS通信光发射和接收单元39组成。望远光学单元Ⅲ30，半反半透单元Ⅱ 31，分光单元Ⅲ32，偏振成像单元33同光轴串联排列，目标光经望远光学单元Ⅲ30，半反半透单元Ⅱ 31，分光单元Ⅲ32透射，在偏振成像单元33上偏振成像；光谱成像单元34放在分光单元Ⅲ32的反射方向上，完成光谱成像。振镜单元36，分光单元37同光轴串联排列，放置在半反半透单元Ⅱ 31的反射方向上，精信号光发射和接收单元38、通信光发射和接收单元39分别放置在分光单元Ⅳ37的反射、透射方向上，精信号光发射和接收单元38发射精信号光经过振镜单元36反射入射到半反半透单元Ⅱ 31，经半反半透单元Ⅱ 31反射入射到望远光学单元Ⅲ30，经望远光学单元Ⅲ30出射；同时，目标发射的精信号光经望远光学单元Ⅲ30，半反半透单元Ⅱ 31，振镜单元36，分光单元Ⅳ37后由精信号光发射和接收单元38接收，根据接收的精信标成像产生控制信号控制振镜单元36转动，直至精信标成像最佳，完成对目标的精跟踪。通信光发射和接收单元39发射、接收信号光进行通信。
本发明的工作过程如下，首先根据导航系统确定被探测碎片空间范围，引导端机指向碎片；接着由探测与跟踪子系统1发射探测与跟踪激光，跟踪CCD接收碎片的发射光，实现稳定跟踪；再通过测距接收单元14的测距探测器测量碎片的位置、轨道、空间状态等信息；然后通过成像单元偏振成像单元33、光谱成像单元34获得碎片的形状、光强、光谱、偏振等信息；信息融合处理单元35将对碎片探测与成像信息实现融合，加载到通信光发射和接收单元39中；然后通信粗跟踪子系统2发射粗信标光，对合作方进行捕获与粗跟踪，实现对通信目标的捕获；再通过精信号光发射和接收单元38发射精信标光，对合作方进行对准与精跟踪；最后将探测与成像信息发送给合作方。
Claims (3)
1.空间碎片探测成像及通信系统，其特征是：包括空间碎片探测与跟踪子系统(1)、通信粗跟踪子系统(2)、成像与通信精跟踪子系统(3)以及跟踪转台子系统(4)，其中空间碎片探测与跟踪子系统(1)、通信粗跟踪子系统(2)、成像与通信精跟踪子系统(3)放在跟踪转台子系统(4)上；空间碎片探测与跟踪子系统(1)与成像与通信精跟踪子系统(3)光轴平行，且并行排列；通信粗跟踪子系统(2)与成像与通信精跟踪子系统(3)光轴垂直；
所述空间碎片探测与跟踪子系统(1)包括望远光学单元Ⅰ(10)、半反半透单元Ⅰ(11)、分光单元Ⅰ(12)、探测激光发射单元(13)、测距接收单元(14)、跟踪探测单元(15)以及跟踪处理单元(16)，望远光学单元Ⅰ(10)、半反半透单元Ⅰ(11)以及分光单元Ⅰ(12)同光轴，且串联排列；探测激光发射单元(13)放在半反半透单元Ⅰ(11)的反射方向上，探测激光通过半反半透单元Ⅰ(11)的反射后，经望远光学单元Ⅰ(10)发射；测距接收单元(14)放在分光单元Ⅰ(12)的反射方向上，跟踪探测单元(15)放在分光单元Ⅰ(12)的透射方向上；碎片反射光经望远光学单元Ⅰ(10)、半反半透单元Ⅰ(11)以及分光单元Ⅰ(12)后，被测距接收单元(14)和探测跟踪单元(15)接收，完成碎片测距和跟踪成像；跟踪处理单元(16)根据成像产生控制信号控制跟踪转台子系统(4)转动，完成对碎片的跟踪；
所述通信粗跟踪子系统(2)由半反半透摆镜(20)、望远光学单元Ⅱ(21)、分光单元Ⅱ(22)、粗信标接收单元(23)以及粗信标发射单元(24)组成；在半反半透摆镜(20)的透射方向上，望远光学单元Ⅱ(21)、分光单元Ⅱ(22)、粗信标接收单元(23)同光轴，且依次排列放置；所述粗信标发射单元(24)放在分光单元Ⅱ(22)的反射方向上，粗信标发射单元(24)发出粗信标光，通过分光单元Ⅱ(22)、望远光学单元Ⅱ(21)透射以及半反半透摆镜(20)反射后出射；粗信标接收单元(23)接收己方通信终端的粗信标光，对半反半透摆镜(20)进行控制，使粗信标光经半反半透摆镜(20)入射到成像与通信精跟踪子系统(3)中，完成对己方通信终端的粗跟踪；
所述成像与通信精跟踪子系统(3)包括望远光学单元Ⅲ(30)、半反半透单元Ⅱ(31)、分光单元Ⅲ(32)、偏振成像单元(33)、光谱成像单元(34)、信息融合处理单元(35)、振镜单元(36)、分光单元Ⅳ(37)、精信号光发射和接收单元(38)以及通信光发射和接收单元(39)，所述望远光学单元Ⅲ(30)，半反半透单元Ⅱ(31)、分光单元Ⅲ(32)、偏振成像单元(33)同光轴，且串联排列；目标光经望远光学单元Ⅲ(30)、半反半透单元Ⅱ(31)、分光单元Ⅲ(32)透射，在偏振成像单元(33)上偏振成像；所述光谱成像单元(34)放在分光单元Ⅲ(32)的反射方向上，完成光谱成像；振镜单元(36)、分光单元Ⅳ(37)同光轴，且串联排列，设置在半反半透单元Ⅱ(31)的反射方向上；所述精信号光发射和接收单元(38)放置在分光单元Ⅳ(37)的反射方向上，所述通信光发射和接收单元(39)放置在分光单元Ⅳ(37)的透射方向上，精信号光发射和接收单元(38)发射精信号光经过振镜单元(36)反射入射到半反半透单元Ⅱ(31)，经半反半透单元Ⅱ(31)反射入射到望远光学单元Ⅲ(30)，经望远光学单元Ⅲ(30)出射；同时，目标发射的精信号光经望远光学单元Ⅲ(30)，半反半透单元Ⅱ(31)，振镜单元(36)，分光单元Ⅳ(37)后由精信号光发射和接收单元(38)接收，根据接收的精信标成像产生控制信号控制振镜单元(36)转动，直至精信标成像在视场中心，完成对目标的精跟踪。
2.根据权利要求1所述的空间碎片探测成像及通信系统，其特征是：所述通信粗跟踪子系统(2)中半反半透摆镜(20)的反射方向对准成像与通信精跟踪子系统(3)的接收方向。
3.根据权利要求1所述的空间碎片探测成像及通信系统，其特征是：所述通信光发射和接收单元(39)用于发射、接收信号光进行光通信。
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