CN111751802A - 一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统及探测方法，包括：激光发射单元，用于向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；探测单元，用于对回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；数据采集处理单元，用于根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；控制单元，用于根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度。本发明可进一步提升信号光与噪声的区分度，达到精准探测目标的目的。

Description

一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统及探测 方法

技术领域

本发明涉及空间微弱目标探测技术领域，具体涉及一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统及探测方法。

背景技术

微小空间碎片数量众多，与航天器碰撞的频率高，虽然这种碰撞不会对航天器的结构造成直接影响或灾难性故障，但其累积效应可能会对航天器表面材料和部(组)件的性能产生影响。微小空间碎片的体积小(直径＜100μm)，无法在地面进行直接探测，因此在轨探测成为掌握微小空间碎片环境的重要手段。

在空间背景中，目前采用单光子测距技术可以获得远距离空间碎片的信号，然而只要噪声光子与信号光子具有同相的响应脉冲，信号处理分析系统就会出现误判，其对信号光子脉冲的检测带来巨大的干扰。特别是在晴朗天气下，太阳背景光的噪声无法通过滤光等措施完全消除，从而导致单光子激光雷达产生大量的虚警。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统及探测方法，通过该探测系统可进一步提升信号光与噪声的区分度。

本发明公开了一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统，包括：

激光发射单元，用于向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；

探测单元，用于接收所述回波光信号，对所述回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；

数据采集处理单元，用于接收若干路电信号，根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；

控制单元，用于接收目标的类型和大小信息以及目标的距离信息，根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节所述激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度。

作为本发明的进一步改进，所述空间微弱目标为直径＜100μm的空间碎片。

作为本发明的进一步改进，所述激光发射单元包括：单模激光器、光学变换器件、扫描振镜、变频电源、光电调Q器件和电源控制器，所述扫描振镜与所述光电调Q器件相连，所述光电调Q器件与所述光学变换器件相连，所述光学变换器件与单模激光器相连，所述单模激光器与所述变频电源相连，所述变频电源与所述电源控制器相连；其中，

所述单模激光器，用于产生单模激光；

所述光学变换器件由若干望远镜系统透镜组构成，用于自动调节系统光学焦距，达到调节输出光斑大小的功能；

所述扫描振镜，用于转动电源发射方向，用来扫描空间中的目标；

所述光电调Q器件和变频光源，用于调节单模激光的输出脉冲宽度，从微秒至纳秒级；

所述电源控制器，用于通过电源控制激光发射频率及功率。

作为本发明的进一步改进，所述探测单元包括：光学变换组件、滤光组件、聚焦透镜、光学分束组件和光电转换模块，所述光学变换组件与所述滤光组件相连，所述滤光组件与所述聚焦透镜相连，所述聚焦透镜与所述光学分束组件相连，所述光学分束组件与所述光电转换模块相连；其中，

所述光学变换组件由若干望远镜系统透镜组构成，用于接收所述回波光信号；

所述滤光组件包括带通滤光片以及窄带滤光片，用于滤除所述回波光信号中信号波段以外的杂散光和背景光；

所述聚焦透镜，用于滤波后的回波光信号进行聚焦；

所述光学分束组件设置在所述聚焦透镜的出光口处，用于滤波且聚焦后的回波光信号分成若干路信号；

所述光电转换模块包括单光子雪崩光电二极管，用于分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号。

作为本发明的进一步改进，所述数据采集处理单元包括：单光子技术器和分析处理模块；

所述单光子技术器，用于接收若干路电信号；

所述分析处理模块，用于根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息。

本发明还公开了一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测方法，包括：

向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；

接收所述回波光信号，对所述回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；

接收若干路电信号，根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；

接收目标的类型和大小信息以及目标的距离信息，根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节所述激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明在数据采集处理单元测得目标的反射信号后，可通过控制单元进一步调节激光的自适应改变发射激光的频率、脉宽、功率和单脉冲能量来调节信号光与背景光的对比度，通过数据采集处理单元分析出杂散光与信号光；可进一步提升信号光与噪声的区分度，达到精准探测目标的目的。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统的框架图；

图2为本发明一种实施例公开的激光发射单元的框架图；

图3为本发明一种实施例公开的探测单元的框架图；

图4为本发明一种实施例公开的数据采集处理单元的框架图；

图5为本发明一种实施例公开的光子级自适应高灵敏度空间碎片探测目标信号提取对比图；

图6为本发明一种实施例公开的光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统，包括：激光发射单元、探测单元、数据采集处理单元和控制单元，激光发射单元与探测单元相连，探测单元与数据采集处理单元，数据采集处理单元与控制单元相连，控制单元与激光发射单元相连；其中，

本发明的激光发射单元，用于向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；其中，空间微弱目标为直径＜100μm的空间碎片；

具体的，如图2所示，本发明的激光发射单元包括：单模激光器、光学变换器件、扫描振镜、变频电源、光电调Q器件和电源控制器，扫描振镜与光电调Q器件相连，光电调Q器件与光学变换器件相连，光学变换器件与单模激光器相连，单模激光器与变频电源相连，变频电源与电源控制器相连；其中，单模激光器，用于产生单模激光；光学变换器件由若干望远镜系统透镜组构成，用于自动调节系统光学焦距，达到调节输出光斑大小的功能；扫描振镜，用于转动电源发射方向，用来扫描空间中的目标；光电调Q器件和变频光源，用于调节单模激光的输出脉冲宽度，从微秒至纳秒级；电源控制器，用于通过电源控制激光发射频率及功率。

进一步，单模激光器可以包括DFB半导体单模激光器，该激光器可以直接输出光也可以光纤耦合输出光。

进一步，光学变换系统还可以采用微透镜组组成。

进一步，光电调Q器件可以是SESEM，也可以是激光开关晶体。

本发明探测单元，用于接收回波光信号，对回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；

具体的，如图3所示，本发明的探测单元包括：光学变换组件、滤光组件、聚焦透镜、光学分束组件和光电转换模块，光学变换组件与滤光组件相连，滤光组件与聚焦透镜相连，聚焦透镜与光学分束组件相连，光学分束组件与光电转换模块相连；其中，光学变换组件由若干望远镜系统透镜组构成，用于接收回波光信号；滤光组件包括带通滤光片以及窄带滤光片，用于滤除回波光信号中信号波段以外的杂散光和背景光；聚焦透镜，用于滤波后的回波光信号进行聚焦；光学分束组件设置在聚焦透镜的出光口处，用于滤波且聚焦后的回波光信号分成若干路信号；光电转换模块包括单光子雪崩光电二极管，用于分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号。

进一步，光学分束组件可以采用光纤分束器。

本发明的数据采集处理单元，用于接收若干路电信号，根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；

具体的，如图4所示，本发明的数据采集处理单元包括：时域高响应度单光子技术器和分析处理模块；单光子技术器，用于接收若干路电信号；分析处理模块，用于根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；根据电信号，区分杂散光产生的噪音信号和目标反射的回波信号。

本发明的控制单元，用于接收目标的类型和大小信息以及目标的距离信息，根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度；通过本发明的探测系统可进一步提升信号光与噪声的区分度，达到精准探测目标的目的，光子级自适应高灵敏度空间碎片探测目标信号提取对比，如图5所示。

如图6所示，本发明还公开了一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测方法，包括：

S1、向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；

S2、接收回波光信号，对回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；

S3、接收若干路电信号，根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；

S4、接收目标的类型和大小信息以及目标的距离信息，根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度。

本发明优点：

本发明在数据采集处理单元测得目标的反射信号后，可通过控制单元进一步调节激光的自适应改变发射激光的频率、脉宽、功率和单脉冲能量来调节信号光与背景光的对比度，通过数据采集处理单元分析出杂散光与信号光；可进一步提升信号光与噪声的区分度，达到精准探测目标的目的。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统，其特征在于，包括：

激光发射单元，用于向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；

探测单元，用于接收所述回波光信号，对所述回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；

数据采集处理单元，用于接收若干路电信号，根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；

控制单元，用于接收目标的类型和大小信息以及目标的距离信息，根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节所述激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度。

2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述空间微弱目标为直径＜100μm的空间碎片。

3.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述激光发射单元包括：单模激光器、光学变换器件、扫描振镜、变频电源、光电调Q器件和电源控制器，所述扫描振镜与所述光电调Q器件相连，所述光电调Q器件与所述光学变换器件相连，所述光学变换器件与单模激光器相连，所述单模激光器与所述变频电源相连，所述变频电源与所述电源控制器相连；其中，

所述单模激光器，用于产生单模激光；

所述光学变换器件由若干望远镜系统透镜组构成，用于自动调节系统光学焦距，达到调节输出光斑大小的功能；

所述扫描振镜，用于转动电源发射方向，用来扫描空间中的目标；

所述光电调Q器件和变频光源，用于调节单模激光的输出脉冲宽度，从微秒至纳秒级；

所述电源控制器，用于通过电源控制激光发射频率及功率。

4.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述探测单元包括：光学变换组件、滤光组件、聚焦透镜、光学分束组件和光电转换模块，所述光学变换组件与所述滤光组件相连，所述滤光组件与所述聚焦透镜相连，所述聚焦透镜与所述光学分束组件相连，所述光学分束组件与所述光电转换模块相连；其中，

所述光学变换组件由若干望远镜系统透镜组构成，用于接收所述回波光信号；

所述滤光组件包括带通滤光片以及窄带滤光片，用于滤除所述回波光信号中信号波段以外的杂散光和背景光；

所述聚焦透镜，用于滤波后的回波光信号进行聚焦；

所述光学分束组件设置在所述聚焦透镜的出光口处，用于滤波且聚焦后的回波光信号分成若干路信号；

所述光电转换模块包括单光子雪崩光电二极管，用于分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号。

5.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述数据采集处理单元包括：单光子技术器和分析处理模块；

所述单光子技术器，用于接收若干路电信号；

所述分析处理模块，用于根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息。

6.如权利要求1-5中任一项所述探测系统的探测方法，其特征在于，包括：

向目标探测区域发射自适应调频单模激光，辐照目标探测区域中的空间微弱目标；目标反射激光脉冲，产生反射回波光信号；

接收所述回波光信号，对所述回波光信号进行滤波聚焦后分成若干路信号，分别对各路信号进行光电转换得到与各路信号对应的电信号；

接收若干路电信号，根据若干路电信号区分探测目标的类型和大小信息以及目标的距离信息；

接收目标的类型和大小信息以及目标的距离信息，根据目标的类型和大小信息以及目标的距离信息自适应调节所述激光发射单元的激光脉冲的频率、功率、脉冲宽度。

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