CN106066496A - 一种基于光子计数时间标记技术的天基空间目标探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子计数时间标记技术的天基空间目标探测装置，由遮光罩、光学系统、MCP位敏探测器和信号处理模块组成。目标光学信号经光学系统进行能量汇聚，传输到MCP位敏探测器上，MCP位敏探测器对目标光信号进行光子计数成像，信号处理模块对探测器输出的信号进行处理，得到目标光信号到达时间和位置坐标信息。本发明利用光子计数时间标记技术，可以获得目标的位置和时间信息，具有位置读出、高灵敏度和时间标记功能，弥补传统探测装置在探测微弱高速运动目标方面的问题。

Description

一种基于光子计数时间标记技术的天基空间目标探测装置

技术领域

本发明涉及天基空间目标探测技术领域，特别涉及一种基于光子计数时间标记技术的空间目标探测装置。

背景技术

空间目标探测是利用空间和控制空间的重要基础，是未来空间技术的一个重要课题。与地基探测相比，天基探测在空域覆盖性、监视时效性、小尺度目标探测编目与预警方面，具有明显的优势。与天基雷达系统相比，天基光学探测具有功耗低、测角精度高等优势。随着各国航天事业的发展，空间目标日益复杂，包括微小卫星，空间碎片。因此迫切需要发展空间目标天基光学探测技术，特别是对空间微弱、高速动目标的探测需求尤为迫切。

传统的天基空间目标探测装置采用基于CCD或CMOS探测器的探测体制。这两种探测器具有量子效率高的优点，但是读出噪声会随着帧频的增加而增大，因此很难满足高速微弱目标的探测。对于点目标探测，为了满足一定的探测概率，通常需要信噪比大于6。对于一定尺寸的目标，可以通过增加积分时间或者降低探测距离来获得更多信号光子数，以提高信噪比。因此，传统的基于CCD或CMOS探测器的探测体制只能对速度较慢、距离较近、尺寸较大的目标进行探测，无法满足对远距离微小目标和近距离高速运动目标探测的需求。到目前为止，尚未有针对空间微弱、高速运动目标探测的装置。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于光子计数时间标记技术的空间目标探测装置，该装置可以满足对空间微弱高速动目标的探测。

本发明的技术方案是：一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探 测装置，包括遮光罩、光学系统、MCP位敏探测器、信号处理模块；遮光罩用于消除目标信号光的杂光；目标信号光经过光学系统采集后送至MCP位敏探测器；MCP位敏探测器将入射的光子转换成光电子，并对光电子进行放大形成电子云，某一时刻的电子云的二维位置信息由MCP位敏探测器阳极记录；信号处理模块对MCP位敏探测器阳极输出的光电流脉冲信号进行放大、比较、转换后输出模拟信号，并将该模拟信号转换成数字信号，通过质心算法得到目标的坐标信息，通过电路自带时钟或计时电路得到目标信号到达的时间信息。

所述的光学系统位于遮光罩后端，将来自目标的光信号汇聚在其后的焦平面上；所述光学系统的形式为视场拼接光学系统或同心多尺度光学系统。

所述的MCP位敏探测器位于光学系统的焦平面上，包括阴极“窗”、微通道板堆和阳极。

所述的阴极“窗”，由输入光窗和光电阴极组成；输入光窗为石英玻璃或硅英玻璃；光电阴极材料为多碱或AgOCs或InGaAs。

所述的微通道板堆为多块微通道板沿电子入射方向堆叠排列，并根据增益倍数需要，确定微通道板的个数。

所述的阳极，为阳极阵列，具有二维N×N阵列结构，N为正整数，置于真空环境内；

所述的阳极阵列具有两种结构，即交叉条阳极和交叉延迟线阳极；所述的交叉条阳极为：在相互垂直的x和y方向分别有N个相同、彼此独立且平行的阳极，即有2×N个阳极读出；所述的交叉延迟线阳极为：在x方向有一个呈“回”字形排布的阳极，对应2个阳极读出，在与x方向垂直的y方向有一个呈“回”字形排布的阳极，对应2个阳极读出，即交叉延迟线阳极有4个阳极读出。

所述的信号处理模块，对于交叉条阳极，包括：放大器、滤波器、模数转换器、计时电路、可编程逻辑门阵列；交叉条阳极探测器阳极x方向多个电极输出的信号依次通过放大器、滤波器、模数转换器，输出给可编程门阵列；交 叉条阳极探测器阳极y方向多个电极输出的信号依次通过放大器、滤波器、模数转换器，输出给可编程门阵列；微通道板堆引出的输出信号通过计时电路记录光信号到达时间，输出给可编程门阵列；可编程门阵列对x方向和y方向模数转换器输出的信号进行质心算法处理进而得到x方向和y方向光信号到达的位置信息、同时打包输出计时电路获取的目标光信号到达的时间信息。

对于交叉延迟线阳极，包括：放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器、计时电路、可编程逻辑门阵列；阳极x方向2个电极输出的信号分别依次通过放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到可编程门阵列，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时幅转换器将x方向两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；阳极y方向2个电极输出的信号分别依次通过放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到可编程门阵列，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时幅转换器将y方向两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；微通道板堆引出的输出信号通过计时电路记录光信号到达时间，输出给可编程门阵列；可编程门阵列分别将接收到的x方向和y方向的时间差数字信号进行处理，通过质心算法提取电子云质心，得到光信号到达的位置信息，可编程门阵列同时打包输出计时电路获取的目标光信号到达的时间信息。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了一种基于光子计数时间标记技术的空间目标探测装置，由遮光罩、光学系统、MCP位敏探测器、信号处理模块组成。通过将光子计数成像技术和高分辨时间标记技术相结合，获得目标的X、Y、T(位置、时间)三维信息，具有位置读出、高灵敏度探测和时间标记功能。基于得到的X、Y、T三维信息，可以检测得到目标轨迹和位置信息。本发明能够弥补传统探测装 置在探测微弱高速运动目标方面的不足。

2、本发明采用MCP位敏探测器，属于被动光子计数成像探测体制，比APD具有更低的暗信号，可以实现更高灵敏度探测；同时，采用阳极阵列和信号处理模块直接测定MCP出射的电子云质心，以此来确定入射光子的位置，可以直接输出目标物理位置信息，回避传统探测体制位置坐标逻辑转换的处理过程，提高效率和准确度；

3、本发明采用MCP位敏探测器和信号处理模块实现高分辨时间标记功能，可以对高速运动目标进行探测，解决传统探测体制由于高帧频导致读出噪声大而不能探测高速目标的问题。

附图说明

图1为一种基于光子计数时间标记技术的天基空间目标探测装置的原理图。

图2为MCP位敏探测器的功能示意图。

图3a为MCP位敏探测器的交叉条阳极结构示意图。

图3b为MCP位敏探测器的交叉延迟线阳极结构示意图。

图4a为交叉条阳极信号处理模块的原理框图。

图4b为交叉延迟线阳极信号处理模块的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的空间目标探测装置包括遮光罩、光学系统、MCP位敏探测器和信号处理模块。遮光罩用于消除杂散光；目标光学信号经遮光罩进入光学系统进行能量汇聚，之后传输到MCP位敏探测器；MCP位敏探测器采用光子计数时间标记技术记录某一时刻目标信号光的位置坐标；信号处理模块根据MCP位敏探测器阳极的形式，对电子信号进行处理，获得目标的X、Y、T三维信息。

如图2所示，MCP位敏探测器由阴极“窗”、MCP堆(微通道板堆)和阳极组成。阴极“窗”将入射的光信号转换成光电子，MCP堆对光电子进行放大形成电子云并射向阳极。阳极排列成正交N×N形式，并根据读出方式不同， 具有两种类型，即交叉条阳极和交叉延迟线阳极，如图3a和图3b所示。

根据基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置的总体要求，光学系统采用反射式结构，包括主镜组件、次镜组件和三镜组件。

如图4a和图4b所示，针对MCP位敏探测器两种阳极结构，信号处理模块具有两种形式。①如图4a，对于交叉条阳极，其信号处理模块主要包括：放大器、滤波器、模拟数字转换器、计时电路、可编程逻辑门阵列(FPGA)。交叉条阳极探测器阳极x方向N个电极输出的信号依次通过放大器、滤波器、模数转换器，输出给可编程门阵列；交叉条阳极探测器阳极y方向N个电极输出的信号依次通过放大器、滤波器、模数转换器，输出给可编程门阵列；探测器微通道板堆引出的输出信号通过计时电路记录光信号到达时间，输出给可编程门阵列；可编程门阵列，对x方向和y方向模数转换器输出的信号进行质心算法处理进而得到x方向和y方向光信号到达的位置信息、同时打包输出计时电路获取的目标光信号到达的时间信息。②如图4b，对于交叉延迟线阳极，其信号处理模块主要包括：放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器、计时电路、可编程逻辑门阵列(FPGA)；阳极x方向2个电极输出的信号分别依次通过放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到可编程门阵列，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时幅转换器将x方向两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；阳极y方向2个电极输出的信号分别依次通过放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到可编程门阵列，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时幅转换器将y方向两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；探测器微通道板堆引出的输出信号通过计时电路记录光信号到达时间，输出给可编程门阵列；可编程门阵列分别将接收到的x方向和y方向的时间差数字信号进行处理，通过质心算法提取电子云 质心，得到光信号到达的位置信息，可编程门阵列同时打包输出计时电路获取的目标光信号到达的时间信息。

Claims (8)

1.一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，包括遮光罩、光学系统、MCP位敏探测器、信号处理模块；遮光罩用于消除目标信号光的杂光；目标信号光经过光学系统采集后送至MCP位敏探测器；MCP位敏探测器将入射的光子转换成光电子，并对光电子进行放大形成电子云，某一时刻的电子云的二维位置信息由MCP位敏探测器阳极记录；信号处理模块对MCP位敏探测器阳极输出的光电流脉冲信号进行放大、比较、转换后输出模拟信号，并将该模拟信号转换成数字信号，通过质心算法得到目标的坐标信息，通过电路自带时钟或计时电路得到目标信号到达的时间信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，其特征在于：所述的光学系统位于遮光罩后端，将来自目标的光信号汇聚在其后的焦平面上；所述光学系统的形式为视场拼接光学系统或同心多尺度光学系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，其特征在于：所述的MCP位敏探测器位于光学系统的焦平面上，包括阴极“窗”、微通道板堆和阳极。

4.根据权利要求3所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，其特征在于：所述的阴极“窗”，由输入光窗和光电阴极组成；输入光窗为石英玻璃或硅英玻璃；光电阴极材料为多碱或AgOCs或InGaAs。

5.根据权利要求3所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，其特征在于：所述的微通道板堆为多块微通道板沿电子入射方向堆叠排列，并根据增益倍数需要，确定微通道板的个数。

6.根据权利要求3所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，其特征在于：所述的阳极，为阳极阵列，具有二维N×N阵列结构，N为正整数，置于真空环境内。

7.根据权利要求6所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标 探测装置，其特征在于：所述的阳极阵列具有两种结构，即交叉条阳极和交叉延迟线阳极；所述的交叉条阳极为：在相互垂直的x和y方向分别有N个相同、彼此独立且平行的阳极，即有2×N个阳极读出；所述的交叉延迟线阳极为：在x方向有一个呈“回”字形排布的阳极，对应2个阳极读出，在与x方向垂直的y方向有一个呈“回”字形排布的阳极，对应2个阳极读出，即交叉延迟线阳极有4个阳极读出。

8.根据权利要求7所述的一种基于光子计数时间标记技术的空间微弱目标探测装置，其特征在于：所述的信号处理模块，对于交叉条阳极，包括：放大器、滤波器、模数转换器、计时电路、可编程逻辑门阵列；交叉条阳极探测器阳极x方向多个电极输出的信号依次通过放大器、滤波器、模数转换器，输出给可编程门阵列；交叉条阳极探测器阳极y方向多个电极输出的信号依次通过放大器、滤波器、模数转换器，输出给可编程门阵列；微通道板堆引出的输出信号通过计时电路记录光信号到达时间，输出给可编程门阵列；可编程门阵列对x方向和y方向模数转换器输出的信号进行质心算法处理进而得到x方向和y方向光信号到达的位置信息、同时打包输出计时电路获取的目标光信号到达的时间信息。

对于交叉延迟线阳极，包括：放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器、计时电路、可编程逻辑门阵列；阳极x方向2个电极输出的信号分别依次通过放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到可编程门阵列，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时幅转换器将x方向两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；阳极y方向2个电极输出的信号分别依次通过放大器、恒定系数鉴别器、时幅转换器、模数转换器输入到可编程门阵列，恒定系数鉴别器将输入的模拟脉冲信号转换为快速的逻辑脉冲信号，时幅转换器将y方向两路恒定系数鉴别器输出的逻辑脉冲信号到达时间进行比较，并转换成一个电压脉冲，其幅值正 比于两路逻辑脉冲信号到达时间的时间差；微通道板堆引出的输出信号通过计时电路记录光信号到达时间，输出给可编程门阵列；可编程门阵列分别将接收到的x方向和y方向的时间差数字信号进行处理，通过质心算法提取电子云质心，得到光信号到达的位置信息，可编程门阵列同时打包输出计时电路获取的目标光信号到达的时间信息。