CN109931969A - 一种空间目标三维信息实时探测系统 - Google Patents

Abstract

一种空间目标三维信息实时探测系统，包括偏振成像探测子系统、跟踪子系统、标定子系统以及跟踪转台子系统，偏振成像探测子系统、跟踪子系统、标定子系统设置在跟踪转台子系统右侧；跟踪子系统与标定子系统并排设置，跟踪子系统的光轴与标定子系统的光轴平行设置；偏振成像探测子系统设置在跟踪子系统与标定子系统下方，并且偏振成像探测子系统的光轴与跟踪子系统及标定子系统的光轴相垂直。本发明通过光机结构设计，将激光测距跟踪、可控标定与可见光、红外多谱段、多维度偏振成像探测相结合，实现了对空间碎片的实时探测。

Description

一种空间目标三维信息实时探测系统

技术领域

本发明属于空间目标三维探测技术领域，特别是涉及到一种空间目标三维信息实时探测系统，其探测包括激光测距与偏振成像。

背景技术

随着人类探索太空活动的逐年增多，空间碎片严重地威胁着在轨运行航天器的安全。光电观测技术在空间目标监视中占有重要的地位。国内外在利用偏振技术对空间目标进行观测方面展开了研究。

美国空军研究室的Keith Bush对近地轨道和同步轨道卫星的偏振特性进行了仿真，卫星太阳能电池板的偏振特性显著。卫星在不同时间表现出的偏振特性差异明显，造成这种差异的原因是太阳能电池板对太阳的跟踪转动；空间目标的偏振特性，在红外波段比可见波段更显著。在美国俄亥俄州Sulphur Grove观测站，Stead在光电望远镜上加上偏振分析器完成空间目标的偏振观测，测量到一个卫星的偏振度最大达39%。Sanchez 的研究表明目标的偏振特性与光辐射特性的特征有明显的差异，在光度信号强的时候约为10%，而到黎明光度特性弱的时候能够达到40%。

我国对空间的偏振成像探测主要有：解放军装备学院在天基、路基目标探测方面，提出了液晶可调谐连续全角度多光谱偏振成像技术；安徽光机所对航空航天基对地、气象观测可见光偏振成像方向进行研究，并研制出航空多波段偏振CCD样机、多角度偏振成像仪(DPC)航天样机与可见－近红外多波段偏振CCD相机等；西安交通大学在临近空间目标探测方面，提出了全光调制高光谱全偏振成像探测技术，并研制了相关设备。长春理工大学开展了分焦平面型微纳格栅滤光片工艺实现新方法的研究。

但是，目前对空间目标探测的偏振设备仍极少被研制，并且绝大多数光电望远镜都是利用强度进行探测，其探测信噪比低、探测难度大的问题已不能满足航天事业的飞速发展以及国防需求，因此现有技术当中亟需要一种能提升观测设备探测能力的关键器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种空间目标三维信息实时探测系统，通过光机结构设计，将激光测距跟踪、可控标定与可见光、红外多谱段、多维度偏振成像探测相结合，实现了对空间碎片的实时探测，大幅度提高了探测器的识别能力。

一种空间目标三维信息实时探测系统，其特征是：包括偏振成像探测子系统、跟踪子系统、标定子系统以及跟踪转台子系统，其中，偏振成像探测子系统、跟踪子系统、标定子系统设置在跟踪转台子系统右侧；跟踪子系统与标定子系统并排设置，跟踪子系统的光轴与标定子系统的光轴平行设置；偏振成像探测子系统设置在跟踪子系统与标定子系统下方，并且偏振成像探测子系统的光轴与跟踪子系统及标定子系统的光轴相垂直。

这种空间目标三维信息实时探测系统的工作原理如下：首先由探偏振成像探测子系统的望远光学单元接收来自目标的光，经波长分光，分别对可见/近红外进行偏振探测成像，并对图像进行融合处理得出图像信息；再由跟踪子系统与跟踪转台子系统对目标进行实时跟踪，并获得测距信息；然后定期对由偏振成像探测子系统探测的图像进行精度检查，当精度不满足实际要求时，通过标定子系统重新对整个系统进行标定，从而完成对空间碎片的精确实时探测成像。

作为本发明的优选方案，所述偏振成像探测子系统包括望远光学单元、第一半反半透单元、波长分光单元、近红外偏振探测器、可见光偏振探测器、图像融合单元，其中望远光学单元、第一半反半透单元、波长分光单元以及近红外偏振探测器同光轴设置并且串联排列；可见光偏振探测器设置在波长分光单元的反射方向上，目标光束经望远光学单元、第一半反半透单元到达波长分光单元，波长分光单元将近红外光透射给近红外偏振探测器，将可见光反射给可见光偏振探测器，最后可见光偏振探测器把探测信号传给图像融合单元，进行图像数据融合处理，完成对目标的探测成像。

作为本发明进一步的优选方案，所述跟踪子系统由跟踪处理单元、跟踪探测单元、分光单元、测距接收单元、第二半反半透单元、探测激光发射单元组成；探测激光通过第二半反半透单元、所述第一半反半透单元的反射后，经望远光学单元发射；测距接收单元设置在分光单元的反射方向上，跟踪探测单元设置在分光单元的透射方向上；空间碎片反射光经望远光学单元、第一半反半透单元、第二半反半透单元以及分光单元后，探测跟踪单元获取空间碎片的脱靶量传给跟踪处理单元，跟踪处理单元产生跟踪控制信号控制所述跟踪转台子系统转动，完成空间碎片跟踪成像，测距接收单元负责接收探测激光发射单元发射经目标反射回的激光，完成距离信息测量。

作为本发明更进一步的优选方案，所述成标定子系统包括宽谱光源、窄带滤光片、起偏器、1/4波片、反射镜、旋转控制器、步进电机、计算机控制单元；所述宽谱光源、窄带滤光片、起偏器、1/4波片、反射镜均同光轴设置并且串联排列；当需要对系统标定时，步进电机控制反射镜沿光轴方向移动到偏振成像探测子系统的光轴处；这时宽谱光源发出的标定光通过窄带滤光片、起偏器、1/4波片、反射镜单以及波长分光单元到达可见光偏振探测器，再由计算机控制单元控制旋转控制器，完成偏振成像探测子系统的标定。

作为本发明再更进一步的优选方案，所述跟踪子系统的光轴对准所述偏振成像探测子系统中的第一半反半透单元的反射光轴。

通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：一种空间目标三维信息实时探测系统，实现将微偏振片阵列与可见光/近红外CCD探测器经过精密拼接、倒装焊接、真空封装，实现4种斯托克斯偏振信息（S0、S1、S2、S3)实时获取，解决传统偏振系统实时性差、体积大、结构复杂、带有运动部件的难题，图像对比度提高40%；通过光机结构设计，将激光测距跟踪、实时标定与可见光、红外多谱段、多维度偏振成像探测相结合，实现了对空间碎片的实时精确探测成像，提高系统的使用效率。

附图说明

图1为本发明一种空间目标三维信息实时探测系统组成示意框图。

其中，1-偏振成像探测子系统、11-望远光学单元、12-第一半反半透单元、13-波长分光单元、14-近红外偏振探测器、15-可见光偏振探测器、16-图像融合单元、2-跟踪子系统、21-跟踪处理单元、22-跟踪探测单元、23-分光单元、24-测距接收单元、25-第二半反半透单元、26-探测激光发射单元、3-标定子系统、31-宽谱光源、32-窄带滤光片、33-起偏器、34-1/4波片、35-反射镜、36-旋转控制器、37-步进电机、38-计算机控制单元、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所示的一种空间目标三维信息实时探测系统，包括偏振成像探测子系统1、跟踪子系统2、标定子系统3以及跟踪转台子系统4，其中，偏振成像探测子系统1、跟踪子系统2、标定子系统3设置在跟踪转台子系统4右侧；跟踪子系统2与标定子系统3并排设置，跟踪子系统2的光轴与标定子系统3的光轴平行设置；偏振成像探测子系统1设置在跟踪子系统2与标定子系统3下方，并且偏振成像探测子系统1的光轴与跟踪子系统2及标定子系统3的光轴相垂直。

上述偏振成像探测子系统1由Thorlabs公司的EB02-05-A型号望远光学单元11、Thorlabs公司的EBS2型号第一半反半透单元12、Thorlabs公司的BSP型号波长分光单元13、自研面微纳格栅（320×240，15um或640×512，15um）近红外偏振探测器14、自研面微纳格栅（320×240，15um或640×512，15um）可见光偏振探测器15、图像融合单元16。其中望远光学单元11、第一半反半透单元12、波长分光单元13以及近红外偏振探测器14均同光轴设置并且串联排列；可见光偏振探测器15设置在波长分光单元13的反射方向上。目标光束经望远光学单元11、第一半反半透单元12到达波长分光单元13，波长分光单元13把近红外光透射给近红外偏振探测器14，把可见光反射给可见光偏振探测器15，最后可见光偏振探测器15把探测信号传给图像融合单元16单元，进行图像数据融合处理，完成对目标的探测成像。由于可见光探测器在近红外波段的量子效率一般不足20%,近红外成像对比度低,因此将目标光束分解为近红外光和可见光，再进行图像数据融合处理可有效提高成像对比度。

上述跟踪子系统2由跟踪处理单元21、Thorlabs-PDA8GS型号跟踪探测单元22、Thorlabs公司的SL-800M型号分光单元23、Thorlabs公司的4070M-CL测距接收单元24、Thorlabs公司的EBS2型号第二半反半透单元25、Thorlabs公司的ML620G40型号探测激光发射单元26组成。探测激光通过第二半反半透单元25、第一半反半透单元12的反射后，经望远光学单元11发射；测距接收单元24设置在分光单元23的反射方向上，跟踪探测单元22设置在分光单元23的透射方向上；空间碎片反射光经望远光学单元11、第一半反半透单元12、第二半反半透单元25以及分光单元23后，被探测跟踪单元22接收，探测跟踪单元22中的CCD相机获取空间碎片的脱靶量传给跟踪处理单元21，跟踪处理单元21产生跟踪控制信号给控制跟踪转台子系统4，完成空间碎片跟踪成像；测距接收单元24负责接收探测激光发射单元26发射经目标反射回的激光，完成距离信息测量。

上述标定子系统3包括Thorlabs公司的稳定型钨光源宽谱光源31、窄带滤光片32、起偏器33、Thorlabs公司的WPF410型号1/4波片34、反射镜35、旋转控制器36、步进电机37、计算机控制单元38。所述宽谱光源31、窄带滤光片32、起偏器33、1/4波片34、反射镜35均同光轴设置并且串联排列。标定，是指使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度（精度）进行检测是否符合标准。本系统中，通过测定成像偏振系统对一个已知辐射特性和偏振特性目标的响应，依据结果，确定系统对不同偏振光的测量误差，图像融合单元16即可对CCD相机的偏振图像进行校正。随着时间推移,探测器内部器件的老化对系统的偏振成像质量影响很大,且太空中人工标定难度大,因此需要一种自动标定系统能够实时对系统的偏振光测量误差进行标定。计算机控制单元38会自动对比不同时段对同一物体偏振成像图像的差异，当成像对比度下降到阈值以下时，启动标定子系统3，对系统偏振光的测量误差进行重新标定。步进电机37控制反射镜35沿光轴方向移动到偏振成像探测子系统1的光轴处；这时宽谱光源31发出的标定光通过窄带滤光片32、起偏器33、1/4波片34、反射镜35以及波长分光单元13到达近红外偏振探测器14与可见光偏振探测器15，再由计算机控制单元38控制旋转控制器36，旋转控制器36分别输出控制信号给起偏器33、1/4波片34，改变其角度，可对各种状态的偏振光进行测量。完成对偏振成像探测子系统1的偏振光测量误差的标定。

在一种具体方案中，上述跟踪子系统3的光轴对准偏振成像探测子系统1中的第一半反半透单元12的反射光轴。

本发明的工作过程如下，首先由探偏振成像探测子系统1的望远光学单元11接收来自目标的光，经波长分光，分别对可见/近红外进行偏振探测成像，并对图像进行融合处理得出图像信息；再由跟踪子系统2与跟踪转台子系统4对目标进行实时跟踪，并获得测距信息；然后定期对由偏振成像探测子系统1探测的图像对比度与之前存储的图像对比度进行比对，当图像的对比度下降到之前的85%以下时，偏振成像探测子系统1产生较大的偏振光测量误差,之前标定的偏振光测量误差已不满足使用要求,因此所获得的图像精度不满足实际要求。启动标定子系统3重新对整个系统偏振测量误差进行标定，重新测量系统此状态下的偏振光测量误差,从而完成对空间碎片的精确实时探测成像。

Claims (5)

1.一种空间目标三维信息实时探测系统，其特征是：包括偏振成像探测子系统、跟踪子系统、标定子系统以及跟踪转台子系统，其中，偏振成像探测子系统、跟踪子系统、标定子系统设置在跟踪转台子系统右侧；跟踪子系统与标定子系统并排设置，跟踪子系统的光轴与标定子系统的光轴平行设置；偏振成像探测子系统设置在跟踪子系统与标定子系统下方，并且偏振成像探测子系统的光轴与跟踪子系统及标定子系统的光轴相垂直。

2.根据权利要求1所述的空间目标三维信息实时探测系统，其特征是：所述偏振成像探测子系统包括望远光学单元、第一半反半透单元、波长分光单元、近红外偏振探测器、可见光偏振探测器、图像融合单元，其中望远光学单元、第一半反半透单元、波长分光单元以及近红外偏振探测器同光轴设置并且串联排列；可见光偏振探测器设置在波长分光单元的反射方向上，目标光束经望远光学单元、第一半反半透单元到达波长分光单元，波长分光单元将近红外光透射给近红外偏振探测器，将可见光反射给可见光偏振探测器，最后可见光偏振探测器把探测信号传给图像融合单元，进行图像数据融合处理，完成对目标的探测成像。

3.根据权利要求2所述的空间目标三维信息实时探测系统，其特征是：所述跟踪子系统由跟踪处理单元、跟踪探测单元、分光单元、测距接收单元、第二半反半透单元、探测激光发射单元组成；探测激光通过第二半反半透单元、所述第一半反半透单元的反射后，经望远光学单元发射；测距接收单元设置在分光单元的反射方向上，跟踪探测单元设置在分光单元的透射方向上；空间碎片反射光经望远光学单元、第一半反半透单元、第二半反半透单元以及分光单元后，探测跟踪单元获取空间碎片的脱靶量传给跟踪处理单元，跟踪处理单元产生跟踪控制信号控制所述跟踪转台子系统转动，完成空间碎片跟踪成像，测距接收单元负责接收探测激光发射单元发射经目标反射回的激光，完成距离信息测量。

4.根据权利要求3所述的空间目标三维信息实时探测系统，其特征是：所述成标定子系统包括宽谱光源、窄带滤光片、起偏器、1/4波片、反射镜、旋转控制器、步进电机、计算机控制单元；所述宽谱光源、窄带滤光片、起偏器、1/4波片、反射镜均同光轴设置并且串联排列；当需要对系统标定时，步进电机控制反射镜沿光轴方向移动到偏振成像探测子系统的光轴处；这时宽谱光源发出的标定光通过窄带滤光片、起偏器、1/4波片、反射镜单以及波长分光单元到达可见光偏振探测器，再由计算机控制单元控制旋转控制器，完成偏振成像探测子系统的标定。

5.根据权利要求4所述的空间目标三维信息实时探测系统，其特征是：所述跟踪子系统的光轴对准所述偏振成像探测子系统中的第一半反半透单元的反射光轴。