CN111505614A - 一种光电一体的星载可展开探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光电特征识别的星载探测装置，其包括一对展开天线(1)、卫星本体(2)、宽频带馈源(3)和伸缩桁架(4)，该卫星本体其内装有后置焦面光学组件和二镜透镜组件；该伸缩桁架采用四边形拉索驱动结构，且顶端与卫星本体刚性连接，底端设有薄膜二元光学反射镜组件(5)；该宽频带馈源对称分布在四边形拉索驱动伸缩桁架的两侧；该一对展开天线对称分布在卫星本体的两端，其方向与宽频带馈源相对；该薄膜二元光学反射镜组件与宽频带馈源共口径。本发明充分结合光学探测和电磁波探测之间的优势，覆盖范围广，天线增益较高，且结构紧凑，能利用有限的探测识别资源，实现系统最大化探测识别的能力，可用于空间探测识别系统。

Description

一种光电一体的星载可展开探测装置
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种星载可展开探测装置，可用于空间探测识别系统，对空间目标进行探测、特征描述与识别。
背景技术
近些年，空间资源的重要性已日益突显，全球空间优势竞争激烈，而空间态势感知作为开展各种空间活动的基本能力，引起了人们高度关注。
空间目标探测与识别是指搜索、发现、跟踪，对空间目标和事件进行监视，辨别空间目标，识别空间目标的类别等。其主要作用是支持飞行安全并支持空间控制任务，为作战中心构建通用作战图提供数据支持。因此，空间目标探测与识别是空间态势感知的数据来源，是获取未来空间优势的重要保证，已成为优先发展领域。
空间目标探测一般利用物体能辐射、反射电磁波的特性,通过可见光、红外、多光谱、微波和声波等遥感器,从高空或远距离感受来自目标物的电磁波信息,经光学、电子技术处理成为图像或数据,以揭示目标的性质和状态,从中获取信息。光学系统作为一种重要的空间探测手段，被喻于太空中的“眼睛”，它是利用目标的光谱辐射特征进行探测，获取信息。而雷达系统是一种主动探测设备，通过主动发射电磁波，接收目标回波信号进行监测和识别。
由于光学系统通常存在观测视场小、不能全天候工作的缺陷，需要通过雷达探测的配合，提高探测识别能力。雷达系统可以弥补光学系统的不足，其独特的穿透侦察能力，对于夜间和全天候监视非常有用。雷达系统可以全天时、全天候工作。雷达系统提供光学系统跟踪所需的指向数据，而光学系统主要完成对空间目标的跟踪、精确定位与识别。但传统的卫星通常只配备一种探测系统，无法在时空约束下同时实现信息的“视听”能力，缺乏对于隐蔽目标、隐身目标的识别能力。随着空间目标探测尺寸的要求不断缩小，国外越来越重视空间目标探测识别的高分辨率与实时性，通过发展高频雷达探测、大面阵CCD探测等关键技术来提升探测性能。同时，国外空间目标探测与识别系统也充分结合光学探测、雷达探测与激光探测的优势，提供更准确多样的跟踪、精确定位与识别信息，提高观测时长与观测实时性。此外，美国还建立了高低轨互补的天基设备，充分发挥独特的轨道优势，实现抵近侦察观测、增加跟踪凝视时间，在最佳位置获取目标的高清图像，进一步提高空间目标的分辨率，根据不同的需求调整天基设备的轨道位置对特定目标进行探测与识别。单一的雷达系统或光学系统通常难以实现全域目标多维感知和实时跟踪，国外在系统空间分辨率进一步提升的基础上，还在继续发展不间断连续观测与实时观测能力，提升空间目标识别能力，以满足保障空间安全的更高要求。目前俄罗斯已经具有雷达光学结合探测识别的树冠系统，其他国家也都在发展高频雷达和大口径大面阵光学探测识别设备，研究雷达与激光、光学相结合的探测识别技术等。
目前，我国的地基、空基和天基探测系统都得到了快速发展，但是，地基系统受制于时空约束，探测距离、视角有限；空基预警系统依赖于空中优势，探测能力和范围受到制约；尽管我国天基系统卫星资源已达170余颗，但仍存在观测波段单一和机动能力的不足。
借鉴国外空间目标探测与识别系统的发展趋势，结合雷达系统和光学系统的优势，利用有限的探测识别资源，最大化探测识别系统的能力，建立我国雷达和光学相配合的空间目标探测与识别系统是发展空间探测技术的可行性方案之一。
发明内容
本发明的目的在于针对我国目前在地基、空基和天基探测技术方面的不足，提供一种一种光电一体的星载可展开探测装置，以充分结合光电探测的优势，利用有限的探测识别资源，最大化探测识别系统的能力，提高对空间目标进行探测、特征描述与识别的效果。
为实现上述目的，本发明的光电一体的星载可展开探测装置，包括一对展开天线、卫星本体、宽频带馈源和伸缩桁架，其特征在于：
所述卫星本体，其内部装有后置焦面光学组件和二镜透镜组件；
所述伸缩桁架,其采用四边形拉索驱动结构，该四边形拉索驱动伸缩桁架的顶端与卫星本体刚性连接，底端设有薄膜二元光学反射镜组件，用于配合卫星本体内部后置焦面光学组件和二镜透镜组件工作；
所述宽频带馈源,对称分布在四边形拉索驱动伸缩桁架的两侧；
所述一对展开天线,对称分布在卫星本体的两端，其方向与宽频带馈源相对；
所述薄膜二元光学反射镜组件与宽频带馈源共口径。
进一步，所述薄膜二元光学反射镜组件包括二元光学薄膜与一镜碳纤维支撑架，该一镜碳纤维支撑架与四边形拉索驱动伸缩桁架底端刚性连接，二元光学薄膜与其周围的一镜碳纤维支撑架挠性连接。
进一步，所述每个展开天线主要由反射薄膜和可展桁架构成，该可展桁架包括n根竖杆，2n根横杆及n对可伸缩杆，这些竖杆中有一根装有驱动电机,且这根竖杆刚性连接有旋转小臂，该旋转小臂铰接旋转大臂，该旋转大臂与卫星本体铰接，其中n根据可展桁架的边数进行取值。
进一步，所述四边形拉索驱动伸缩桁架是由若干个四边形基本桁架串联形成，且每个四边形桁架同侧滑块采用线缆副连接，通过驱动最低端两个滑块即可驱动整个四边形拉索驱动伸缩桁架进行伸长。
进一步，所述一对展开天线和四边形拉索驱动伸缩桁架在工作前呈收拢态，待卫星进入预定轨道后，四边形拉索驱动伸缩桁架通过驱动滑块伸长，再使这对展开天线先由大臂和小臂旋转到达工作位置，进而通过装有驱动电机的竖杆旁边那根横杆驱动完全展开，呈对称分布的展开态。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
第一，本发明由于馈源和薄膜二元光学反射镜组件共口径设计，结构紧凑；
第二，本发明由于将一对展开天线对称分布，增加了其覆盖范围；
第三，本发明由于在四边形拉索驱动伸缩桁架的底端底端设有薄膜二元光学反射镜组件，使得光学系统和天线优势互补，实现了“眼耳并用”的功能。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
图2为本发明中薄膜二元光学反射镜组件连接示意图；
图3为本发明中天线结构示意图；
图4为本发明中单个四边形基本桁架示意图；
图5为图1收拢结构图；
图6为本发明中薄膜二元光学反射镜组件和馈源位置示意图；
图7为本发明中四边形拉索驱动伸缩桁架收缩态；
图8为本发明天线展开过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的用途，技术方案，侧重点及优点表达得更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本实例设计的光电一体的星载可展开探测装置，包括一对展开天线1、卫星本体2、宽频带馈源3、伸缩桁架4和薄膜二元光学反射镜组件5。其中，卫星本体2的其内部装有后置焦面光学组件和二镜透镜组件；伸缩桁架4采用四边形拉索驱动结构，该四边形拉索驱动伸缩桁架4的顶端与卫星本体2刚性连接，宽频带馈源3,对称分布在四边形拉索驱动伸缩桁架4的两侧；一对展开天线1,对称分布在卫星本体2的两端，其方向与宽频带馈源3相对；薄膜二元光学反射镜组件5安装在四边形拉索驱动伸缩桁架4的底端，用于配合卫星本体内部后置焦面光学组件和二镜透镜组件工作。
参照如图2，所述薄膜二元光学反射镜组件5包括二元光学薄膜51与一镜碳纤维支撑架52，该一镜碳纤维支撑架52与四边形拉索驱动伸缩桁架4底端刚性连接，二元光学薄膜51与其周围的一镜碳纤维支撑架52挠性连接，且薄膜二元光学反射镜组件5与宽频带馈源3共口径，共用四边形拉索驱动伸缩桁架基架。
所述一对展开天线1的结构形状可任意选择，如径向肋天线，环柱形天线，张力背架式天线，弹性复原型天线，刚性反射面可展开天线，充气式天线等几种常用可展开天线的结构。本实例采用但不限于最经典的美国ASTROMESH展开结构，每个展开天线1主要由反射薄膜11和可展桁架12构成，如图3a所示，该可展桁架12包括n根竖杆，2n根横杆及n对可伸缩杆，其中n根据可展桁架的边数进行取值，本实例取但不限于取36，即采用三十六边周边可展桁架结构，这些竖杆中有一根装有驱动电机,且这根竖杆刚性连接有旋转小臂，该旋转小臂铰接旋转大臂，如图3b所示，该旋转大臂与卫星本体铰接。本实例之所以采用这种可展开结构是因为天线大都是放置在卫星整流罩内，随卫星一起发射，而展开态要求的空间太大，所以需要天线可收缩。本实例采用的ASTROMESH结构，其在展开态直径为5m左右，而收拢态只需0.5m左右。
参照图4，所述四边形拉索驱动伸缩桁架4是由若干个四边形基本桁架串联形成，每个四边形基本桁架主要由四块横板，四根竖杆，四个滑块以及四个导滑杆组成，且每个四边形桁架同侧滑块采用线缆副连接，图4中两个A滑块同侧，两个B滑块同侧，最后只驱动最低端两个滑块即可驱动整个四边形拉索驱动伸缩桁架进行伸长。
参照图5，本实例在收拢态下，一对展开天线1对称收拢在卫星2顶端，四边形拉索驱动伸缩桁架4则收拢在卫星2底端，而馈源3则收在四边形拉索驱动伸缩桁架内侧，如图6所示。其中所有四边形基本桁架收缩为一个方盒，如图7所示。
参照图8，本实例的展开结构及过程如下：
展开天线和四边形拉索驱动伸缩桁架在卫星发射前呈收拢态，如图8a所示。
待卫星入轨后，四边形拉索驱动伸缩桁架通过驱动最低端两个滑块伸长，由图6可以看出伸缩桁架四个竖杆在收缩态与导滑杆间隔分布在同一水平面，这也就意味着其在伸长时不会被干涉，在四边形拉索驱动伸缩桁架伸长的同时，馈源转到指定位置，天线展开。天线展开过程为：天线旋转大臂先转到指定位置如图8b所示，然后进行小臂旋转
小臂旋转一定角度后的状态如图8c所示，待这对展开天线大臂和小臂旋转到达工作位置后，再通过装有驱动电机的竖杆旁边那根横杆驱动使天线完全展开，呈对称分布的展开态，如图8d所示。
这对天线展开后，对称分布在卫星本体的两端，其方向与宽频带馈源相对，而安装在四边形拉索驱动伸缩桁架底端的薄膜二元光学反射镜组件随着伸缩桁架的伸长和卫星本体底端也产生了10m的高度差，而这个高度差是由二元光学薄膜焦距确定的，该高度差可通过更改串联四边形基本桁架的数量来改变。四边形拉索驱动伸缩桁架4在伸长后的工作台状态高度和收缩态高度比值为20：1。本实例设计的四边形拉索驱动伸缩桁架伸长态的高度为10m，但不限于10，收缩态高度为0.5m。
本实例的工作原理为光学系统和天线系统协同探测，且两者探测互不干扰，光学系统利用物体的光谱辐射特性，而天线利用物体具有发射和反射电磁波的能力。但因光学系统受天气和气候因素影响较大，只能在夜晚和没有云雨雾的气候条件下进行探测。某些类型的空间目标，因为天光地影的影响有较长时间的光学不可见期，这也限制了光学系统的应用。而射电天线是一种主动探测设备，通过主动发射电磁波，接收目标回波信号进行探测测和识别，射电天线可以全天时、全天候工作。通过光学系统和天线系统两者协同探测就能更好发挥各自优势，提高探测效果，即在探测过程中天线系统提供光学系统跟踪所需的指向数据，而光学系统主要完成对空间目标的跟踪、精确定位与识别。在满足光学系统工作的条件下，两系统数据互通。在不满足光学系统探测的条件下，天线系统也能独立完成探测工作，且此次设计展开天线呈对称分布，覆盖范围广。值得注意的是，本实例经过薄膜二元光学反射镜透射到地球表面的光和天线反射的电磁波平行，天线系统和光学系统通过对同一目标进行探测，然后信息互通，可提高探测识别能力。通过天线系统和光学系统的结合，充分发挥了天基平台的优势，将光学系统和天线优势互补，可获取目标光学、红外、射电等多波段信息。
本实例的单个天线设计口径为5m，形面精度优于2mm,工作频段为从UHF到L频段，假设天线在500km近地轨道，工作频率0.2GHz，则其单个天线覆盖区域直径为188.75km，增益为18dB，若工作频率2.7GHz，则单个天线覆盖区域直径13.75km，增益为42dB，双5m口径射电天线的覆盖面积翻倍，光学薄膜主镜口径1m，光学空间分辨率优于0.15m。
以上描述仅是本发明的实施例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域来说可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案精神和范围。

Claims (7)

1.一种光电一体的星载可展开探测装置，包括一对展开天线(1)、卫星本体(2)、宽频带馈源(3)和伸缩桁架(4)，其特征在于：
所述卫星本体(2)，其内部装有后置焦面光学组件和二镜透镜组件；
所述伸缩桁架(4),其采用四边形拉索驱动结构，该四边形拉索驱动伸缩桁架(4)的顶端与卫星本体(2)刚性连接，底端设有薄膜二元光学反射镜组件(5)，用于配合卫星本体内部后置焦面光学组件和二镜透镜组件工作；
所述宽频带馈源(3),对称分布在四边形拉索驱动伸缩桁架(4)的两侧；
所述一对展开天线(1),对称分布在卫星本体(2)的两端，其方向与宽频带馈源(3)相对；
所述薄膜二元光学反射镜组件(5)与宽频带馈源(3)共口径。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：薄膜二元光学反射镜组件(5)主要包括二元光学薄膜(51)与一镜碳纤维支撑架(52)，该一镜碳纤维支撑架(52)与四边形拉索驱动伸缩桁架(4)底端刚性连接，二元光学薄膜(51)与其周围的一镜碳纤维支撑架(52)挠性连接。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：薄膜二元光学反射镜组件透射到地球表面的光与天线反射的电磁波平行。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：每个展开天线(1)主要由反射薄膜(11)和可展桁架(12)构成，该可展桁架(12)包括n根竖杆，2n根横及n对可伸缩杆，这些竖杆中有一根装有驱动电机,且这根竖杆刚性连接有旋转小臂，该旋转小臂铰接旋转大臂，该旋转大臂与卫星本体铰接，其中n根据可展桁架的边数进行取值。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：四边形拉索驱动伸缩桁架(4)是由若干个四边形基本桁架串联形成，且每个四边形桁架同侧滑块采用线缆副连接，通过驱动最低端两个滑块即可驱动整个四边形拉索驱动伸缩桁架进行伸长。
6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述一对展开天线(1)和四边形拉索驱动伸缩桁架(4)在工作前呈收拢态，待卫星进入预定轨道后，四边形拉索驱动伸缩桁架(4)通过驱动滑块伸长，再使这对展开天线先由大臂和小臂旋转到达工作位置，进而通过装有驱动电机的竖杆旁边那根横杆驱动完全展开，呈对称分布的展开态。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于,所述四边形拉索驱动伸缩桁架(4)在伸长后的工作台状态高度由二元光学薄膜焦距确定，而其伸长后的工作台状态高度和收缩态高度比值为20：1。
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