CN111736163B - 一种天基空间目标激光测距光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种天基空间目标激光测距光学系统，属于空间目标激光测距技术领域，为解决现有地基空间目标激光测距光学系统存在的问题，一种空间目标三维信息实时探测系统，其特征是，该系统包括激光器、扩束镜、分光镜、光单模光纤、光纤衰减器、主波探测器、提前量振镜、转换器、双工反射镜、中空双色分光镜、二维振镜、望远镜、成像镜组、视场光阑、二次会聚透镜组、单光子探测器、会聚透镜组、精跟踪相机、倍频晶体和角反射器组成；光学系统采用共口径结构，相较于地面系统具有体积小、重量轻的优势，利用粗精两级跟踪模式，加入提前量振镜，跟踪精度高，可适应小激光发散角情况，加入用于实现在轨标定的结构，解决了实现星载过程中遇到的在轨标定问题。
Description
技术领域
本发明属于空间目标激光测距技术领域，特别是涉及一种天基空间目标激光测距光学系统，其可实现空间目标角坐标探测与距离测量,并可实现激光发射角度的在轨标定。
背景技术
空间目标包含卫星、航天飞船（飞机）、空间碎片等，通过激光测距对空间目标进行定位与定轨具有重要意义，在卫星平台上对空间目标进行激光测距相较于地面测距具有可缩小地基监测站的布站范围，覆盖地基监测死角的优势，并可实现高轨目标的抵近测量。
与地基激光测距平台不同，天基激光测距平台不能使用大功率液体制冷激光器，只能通过缩小发射激光的束散角来保证激光回波概率。根据激光理论，缩小激光束散角需要大口径的扩束系统、高精度的跟踪系统、提前量机构，对发射角度定标的要求也更高。
目前地面测距平台均采用分口径（分望远镜）设计，主要因为分口径设计更容易控制内部的杂散光，提高探测的信噪比。但天基平台如采用分口径设计会增大系统整体体积重量,提高实现成本。
实现天基激光测距还要解决激光发射角度的在轨定标问题，精跟踪相机工作波段在可见光波段，如果发射激光波长在精跟踪相机探测波长范围内，则难以实现激光测距光路与精跟踪相机光路的高效分离，如果发射激光波长选择近红外波段，则无法利用精跟踪相机实现发射角度的在轨标定。
中国专利公开号为“CN101650438B”公开了“千赫兹共光路卫星激光测距光学装置”，其包括反射式测距望远镜、激光发射光路、回波接收光路，实现了激光发射光路回波接收光路的共光路，但存在体积、重量大的缺点，无法应用于卫星平台。
发明内容
本发明为了解决现有地基空间目标激光测距光学系统体积、重量大，无法实现星载以及无法在轨标定的问题，提供一种天基空间目标激光测距光学系统。
本发明的技术方案是:
一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征是，该系统包括激光器、扩束镜、分光镜、单模光纤、光纤衰减器、主波探测器、提前量振镜、转换器、双工反射镜、中空双色分光镜、二维振镜、望远镜、成像镜组、视场光阑、二次会聚透镜组、单光子探测器、会聚透镜组、精跟踪相机、倍频晶体和角反射器组成；
在测距工作模式下，激光器产生激光脉冲，激光先经过扩束镜扩束，扩束后激光入射到分光镜上，激光被分光镜反射后耦合进入单模光纤，然后经过光纤衰减器，最后进入主波探测器转换为记录起始时刻的主波信号；
透过分光镜的激光入射到提前量振镜上，激光经过提前量振镜反射,反射光再从转换器与双工反射镜中间的小孔穿过，然后从中空双色分光镜透过，被二维振镜反射，最后经过望远镜发射向空间目标；
从空间目标反射回的激光被望远镜接收，然后通过二维振镜，透过中空双色分光镜，在双工反射镜表面发生发射，反射光经过成像透镜组后，通过视场光阑，再经过二次会聚透镜组后耦合进入单光子探测器，最终转换成记录终止时刻的回波信号；
从空间目标反射的太阳光被望远镜接收，然后通过二维振镜，在中空双色分光镜表面发生反射，然后透过会聚透镜组，汇聚于精跟踪相机的感光面，转换成用于跟踪的角度信息；
在激光发射角度标定模式下，转换器将倍频晶体转入光路，激光器产生低功率连续光，依次通过扩束镜、分光镜、被提前量振镜反射，经过倍频晶体波长倍频成532nm，从双工反射镜小孔穿过后，在中空双色分光镜表面发生反射，在经过角反射器反射后，从中空双色分光镜中间穿过，经过会聚透镜组后汇聚于精跟踪相机感光面。
本发明的有益效果是: 光学系统采用共口径结构，相较于地面系统具有体积小、重量轻的优势，利用粗精两级跟踪模式，加入提前量振镜，跟踪精度高，可适应小激光发散角情况，加入用于实现在轨标定的结构，解决了实现星载过程中遇到的在轨标定问题。
附图说明
图1为本发明一种天基空间目标激光测距光学系统组成示意框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种天基空间目标激光测距光学系统，包括激光器1、扩束镜2、分光镜3、光单模光纤4、光纤衰减器5、主波探测器6、提前量振镜7、转换器8、双工反射镜9、中空双色分光镜10、二维振镜11、望远镜12、成像镜组13、视场光阑14、二次会聚透镜组15、单光子探测器16、会聚透镜组17、精跟踪相机18、倍频晶体19和角反射器20组成。
在测距工作模式下，激光器1产生激光脉冲，激光先经过扩束镜2扩束，扩束后激光入射到分光镜3上，激光被分光镜3反射后耦合进入单模光纤4，然后经过光纤衰减器5，最后进入主波探测器6转换为记录起始时刻的主波信号。
透过分光镜3 的激光入射到提前量振镜7上，激光经过提前量振镜7反射,反射光再从转换器8与双工反射镜9中间的小孔穿过，然后从中空双色分光镜10透过，被二维振镜11反射，最后经过望远镜12发射向空间目标。
从空间目标反射回的激光被望远镜12接收，然后通过二维振镜11，透过中空双色分光镜10，在双工反射镜9表面发生发射，反射光经过成像镜组13后，通过视场光阑14，再经过二次会聚透镜组15后耦合进入单光子探测器16，最终转换成记录终止时刻的回波信号。
从空间目标反射的太阳光被望远镜12接收，然后通过二维振镜11，在中空双色分光镜10表面发生反射，然后透过会聚透镜组17，汇聚于精跟踪相机18的感光面，转换成用于跟踪的角度信息。
在激光发射角度标定模式下，转换器8将倍频晶体19转入光路，激光器1产生低功率连续光，依次通过扩束镜2、分光镜3、被提前量振镜7反射，经过倍频晶体19波长倍频成532nm，从双工反射镜9小孔穿过后，在中空双色分光镜10表面发生反射，在经过角反射器20反射后，从中空双色分光镜10中间穿过，经过会聚透镜组17后汇聚于精跟踪相机18感光面。
所述激光器1为1064nm固体激光器，具有脉冲光模式和连续光模式，脉冲模式，重复频率1kHz，单脉冲能量约1mJ，经过扩束镜2与望远镜12扩束后束散角约为20μrad。
所述提前量振镜7在激光发射角标定模式下反射角归于0°。
所述分光镜3在45°入射情况下透过率大于99%，反射率不足1%。
所述单光子探测器16为近红外单光子探测器。
所述光纤衰减器5衰减量值约为50dB。
所述主波探测器6为APD或者PIN探测器。
所述中空双色分光镜10为长波通分光镜，可透过1064nm激光，反射380nm~900nm可见光；所述中空双色分光镜10中间圆孔为正面投影长宽比1.414:1的椭圆孔。
所述转换器8在测距模式下不改变激光性质，在激光发射角度标定模式下将倍频晶体19切换入光路中。
所述倍频晶体19可将1064nm激光波长转换成532nm，两个表面平行度优于5μrad。
所述角反射器20可将中空双色分光镜10反射的532nm激光经过两次反射至中空双色分光镜10中间的小孔中，激光入射前与发射后平行度优于1μrad。
Claims (9)
1.一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征是，该系统包括激光器(1)、扩束镜(2)、分光镜(3)、单模光纤(4)、光纤衰减器(5)、主波探测器(6)、提前量振镜(7)、转换器(8)、双工反射镜(9)、中空双色分光镜(10)、二维振镜(11)、望远镜(12)、成像镜组(13)、视场光阑(14)、二次会聚透镜组(15)、单光子探测器(16)、会聚透镜组(17)、精跟踪相机(18)、倍频晶体(19)和角反射器(20)组成；
在测距工作模式下，激光器（1）产生激光脉冲，激光先经过扩束镜（2）扩束，扩束后激光入射到分光镜（3）上，激光被分光镜（3）反射后耦合进入单模光纤（4），然后经过光纤衰减器（5），最后进入主波探测器（6）转换为记录起始时刻的主波信号；
透过分光镜（3） 的激光入射到提前量振镜（7）上，激光经过提前量振镜（7）反射,反射光再从转换器（8）与双工反射镜（9）中间的小孔穿过，然后从中空双色分光镜（10）透过，被二维振镜（11）反射，最后经过望远镜（12）发射向空间目标；
从空间目标反射回的激光被望远镜（12）接收，然后通过二维振镜（11），透过中空双色分光镜（10），在双工反射镜（9）表面发生发射，反射光经过成像镜组（13）后，通过视场光阑（14），再经过二次会聚透镜组（15）后耦合进入单光子探测器（16），最终转换成记录终止时刻的回波信号；
从空间目标反射的太阳光被望远镜（12）接收，然后通过二维振镜（11），在中空双色分光镜（10）表面发生反射，然后透过会聚透镜组（17），汇聚于精跟踪相机（18）的感光面，转换成用于跟踪的角度信息；
在激光发射角度标定模式下，转换器（8）将倍频晶体（19）转入光路，激光器（1）产生低功率连续光，依次通过扩束镜（2）、分光镜（3）、被提前量振镜（7）反射，经过倍频晶体（19）波长倍频成532nm，从双工反射镜（9）小孔穿过后，在中空双色分光镜（10）表面发生反射，在经过角反射器（20）反射后，从中空双色分光镜（10）中间穿过，经过会聚透镜组（17）后汇聚于精跟踪相机（18）感光面。
2.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述激光器（1）为1064nm固体激光器，具有脉冲光模式和连续光模式，脉冲模式，重复频率1kHz，单脉冲能量1mJ，经过扩束镜（2）与望远镜（12）扩束后束散角为20μrad。
3.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述分光镜（3）在45°入射情况下透过率大于99%，反射率不足1%。
4.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述光纤衰减器（5）衰减量值为50dB。
5.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述主波探测器（6）为APD或者PIN探测器。
6.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述中空双色分光镜（10）为长波通分光镜，可透过1064nm激光，反射380nm~900nm可见光；所述中空双色分光镜（10）中间圆孔为正面投影长宽比1.414:1的椭圆孔。
7.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述单光子探测器（16）为近红外单光子探测器。
8.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述倍频晶体（19）可将1064nm激光波长转换成532nm，两个表面平行度优于5μrad。
9.根据权利要求1所述的一种天基空间目标激光测距光学系统，其特征在于，所述角反射器（20）可将中空双色分光镜（10）反射的532nm激光经过两次反射至中空双色分光镜（10）中间的小孔中，激光入射前与发射后平行度优于1μrad。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Zhuang Inventor after: Wang Chao Inventor after: Shi Haodong Inventor after: Li Yingchao Inventor after: Fu Qiang Inventor after: Jiang Huilin Inventor before: Liu Zhuang Inventor before: Wang Chao Inventor before: Shi Haodong Inventor before: Li Yingchao Inventor before: Fu Qiang |