CN111751830B - 一种基于vcsel混合激光的空间微弱目标红外探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统，属于空间微弱目标探测技术领域，其包括：包括：VCSEL混合激光系统，VCSEL混合激光系统作为待测空间微弱目标的主动辐照光源，用于出射高频与大功率连续混合红外激光；其中，大功率红外激光作为空间的基础光，高频红外激光用于在基础光的基础上捕捉待测空间微弱目标；红外探测器，用于探测待测空间微弱目标的反射激光信号；计算系统，用于根据反射激光信号获取待测空间微弱目标的信息。本发明提高了整个探测系统的探测精度，可以实现全天时全天候探测；VCSEL红外激光器光束质量好，有利于适配的光学系统的设计。
Description
技术领域
本发明涉及空间微弱目标探测技术领域，具体涉及一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统。
背景技术
近几十年来，随着航天器发射数量的增加，失效的航天器、以及脱落、碰撞、爆炸等形成的空间碎片的数量也在逐年增加。1957年以来，4500多个航天器被发射进入太空，将近220个仍滞留在轨道上。其中，仅大约450个仍在使用当中。大、中空间碎片主要来源于废弃的卫星、火箭以及其脱落物等，微小碎片主要包括卫星表面脱落物、发动机喷出的碎屑、碰撞或爆炸产生的碎片等等。近年来由于碎片数量的不断增多，它已成为影响(威胁)人类航天活动安全的一个重要因素。因此，了解碎片的分布进而进行碎片环境的演化过程研究成为了目前空间碎片工作的重点。
探测是掌握空间碎片分布情况的基础，探测资料是建立分布模式的重要依据，因此探测是空间碎片研究中一项至关重要的工作。废弃的航天器或大的空间碎片，较为容易观测和编目，而大量的中小空间碎片以及数量众多空间微小碎片很难观测。
由于空间碎片本身不是光源，探测器需要接收经碎片反射的电磁波才能获取碎片信息；由于空间碎片尺寸小，运行相对速度较快，发出的信号及其微弱，容易湮灭在恒星和空中背景辐射中，导致探测器难以探测到微弱碎片信号，进而难以获取碎片信息。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统。
本发明公开了一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统，包括：
VCSEL混合激光系统，所述VCSEL混合激光系统作为待测空间微弱目标的主动辐照光源，用于出射高频与大功率连续混合红外激光；其中，大功率红外激光作为空间的基础光，高频红外激光用于在基础光的基础上捕捉待测空间微弱目标；
红外探测器，用于探测待测空间微弱目标的反射激光信号；
计算系统，用于根据所述反射激光信号获取待测空间微弱目标的信息。
作为本发明的进一步改进，所述VCSEL混合激光系统包括两种类型VCSEL激光器；
一种为功率1KW-10KW的高功率红外VCSEL激光器；
一种为频率40GHz-100GHz的红外高频VCSEL激光器。
作为本发明的进一步改进，还包括：
入射光学系统，用于对高频与大功率连续混合红外激光进行入射光处理，形成高亮度的主动辐照光源，辐照待测空间目标；其中，所述入射光处理包括扩束、准直、调整发散角、调整形状、调整偏振态中的一种或多种。
作为本发明的进一步改进，还包括：
反射光学系统，用于对所述反射激光信号进行反射光处理，处理后的反射光被所述红外探测器探测；其中，所述反射光处理包括窄带滤波和光学成像。
作为本发明的进一步改进，所述待测空间微弱目标为直径在1-10cm的空间碎片。
作为本发明的进一步改进，所述计算系统，用于采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的选通模式，通过反射信号将空间碎片与背景恒星区分开，识别待测空间微弱目标。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提高了整个探测系统的探测精度，可以实现全天时全天候探测；VCSEL红外激光器光束质量好，有利于适配的光学系统的设计，成像噪声低，成像精度高，且系统体积小、功耗低、重量轻，适用于空间搭载使用。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统的结构示意图。
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，本发明公开了一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统，包括：VCSEL混合激光系统、入射光学系统、反射光学系统、红外探测器和计算系统；其中，
本发明的VCSEL混合激光系统作为待测空间微弱目标的主动辐照光源，用于出射高频与大功率连续混合红外激光；其中，大功率红外激光作为空间的基础光，其主要用于对空间中缺乏光照度的空间进行光照，以区别空间背景的自发辐照电磁波，抵消探测时空间背景光辐射信号及背景恒星的反射信号对待测空间微弱目标的干扰；高频红外激光用于在基础光的基础上捕捉快速移动的待测空间微弱目标；
进一步，VCSEL混合激光系统包括两种类型VCSEL激光器，一种为功率1KW-10KW的高功率红外VCSEL激光器，一种为频率40GHz-100GHz的红外高频VCSEL激光器。更进一步，VCSEL红外激光源，可以是VCSEL单管红外激光源，更普遍地，是VCSEL阵列红外激光源。特别的，VCSEL阵列红外激光源可以使用同一种VCSEL单管组成阵列，也可以使用不同种VCSEL单管组成阵列，发射双波长激光或多波长激光。更进一步，的VCSEL红外激光源，并不局限于某种特定波长的VCSEL红外激光源产品，而是指所有垂直腔面发射半导体激光器，每个VCSEL单管红外激光源均以稳定的单波长工作，其发射波长包括但不限于808nm、850nm、860nm、945nm、975nm、1064nm。
进一步，VCSEL红外激光源，可以集成在空间碎片探测器上使用，也可以与空间碎片探测器分立，但应保证VCSEL红外激光源发出的激光可以经被测空间碎片反射至空间碎片探测器。更进一步，VCSEL红外激光源，必须与相应的空间碎片探测器适配。包括：VCSEL红外激光源发射波长与空间碎片探测器接收波段的适配、VCSEL红外激光源输出功率与空间碎片探测器探测阈值的适配、VCSEL红外激光源脉冲频率与空间碎片探测器扫描频率的适配、VCSEL红外激光源照明范围与空间碎片探测器探测范围的适配。
进一步，待测空间微弱目标为直径在1-10cm的空间碎片或碎片群。
本发明的入射光学系统，用于对高频与大功率连续混合红外激光进行入射光处理，形成高亮度的主动辐照光源，辐照待测空间目标；其中，入射光处理包括扩束、准直、调整发散角、调整形状、调整偏振态中的一种或多种。
本发明的反射光学系统，用于对反射激光信号进行反射光处理，处理后的反射光被红外探测器探测；其中，反射光处理包括窄带滤波和光学成像。
进一步，信号滤波系统，对空间目标反射的激光起到窄带滤波作用，抑制其他干扰波长环境的光信号；光学成像系统，对经窄带滤光系统后的待测空间目标信号进行成像至高频高灵敏度红外探测器上。
本发明的红外探测器，用于探测待测空间微弱目标的处理后的反射光信号；
进一步，红外探测器包括两种类型的红外探测器，一种为非制冷型红外探测器，一种为制冷型红外探测器。非制冷型探测器主要用于探测空间背景光辐射信号及背景恒星的反射信号，制冷型红外探测器主要用于探测空间中快速移动的微小目标信号。
本发明的计算系统，用于根据反射激光信号获取待测空间微弱目标的信息；
进一步，本发明的计算系统通过放大、滤波等技术可以分别提取空间背景恒星信号和微弱空间碎片，并将空间背景恒星信号和微弱空间碎片目标信号相分离，计算出空间碎片信号。
基于上述探测系统，本发明提供一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测方法，包括：
a)、提供VCSEL红外激光源；
b)、从VCSEL红外激光源发射特定波长的激光；
c)、使发射的激光束经过一定的光学系统后照射至被测空间碎片表面；
d)、探测器探测被测空间碎片的反射激光；
e)、计算系统基于探测器探测到的反射激光，计算得到待测空间微弱目标的信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明采用VCSEL高频激光和大功率激光叠加的信号辐照模式，空间背景恒星和高速运动的厘米级空间碎片可以将辐照信号有效的发射至高频高分辨率的红外探测器中，控制系统采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的选通模式，可以通过反射信号将空间碎片与背景恒星区分开，从而达到识别厘米及空间碎片目标的效果。该探测技术成像噪声低；成像精度高，且系统体积小、功耗低、重量轻，适用于空间搭载使用。
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)
1.一种基于VCSEL混合激光的空间微弱目标红外探测系统，其特征在于，包括：
VCSEL混合激光系统，所述VCSEL混合激光系统作为待测空间微弱目标的主动辐照光源，用于出射一种频率为40GHz-100GHz的红外激光和一种功率为1KW-10KW的红外激光的连续混合红外激光；其中，大功率红外激光作为空间的基础光，高频红外激光用于在基础光的基础上捕捉待测空间微弱目标；
红外探测器，用于探测待测空间微弱目标的反射激光信号；
计算系统，用于根据所述反射激光信号获取待测空间微弱目标的信息。
2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述VCSEL混合激光系统包括两种类型VCSEL激光器；
一种为功率1KW-10KW的高功率红外VCSEL激光器；
一种为频率40GHz-100GHz的红外高频VCSEL激光器。
3.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，还包括：
入射光学系统，用于对高频与大功率连续混合红外激光进行入射光处理，形成高亮度的主动辐照光源，辐照待测空间目标；其中，所述入射光处理包括扩束、准直、调整发散角、调整形状、调整偏振态中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，还包括：
反射光学系统，用于对所述反射激光信号进行反射光处理，处理后的反射光被所述红外探测器探测；其中，所述反射光处理包括窄带滤波和光学成像。
5.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述待测空间微弱目标为直径在1-10cm的空间碎片。
6.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述计算系统，用于采用高重频脉冲激光和多脉冲叠加的选通模式，通过反射信号将空间碎片与背景恒星区分开，识别待测空间微弱目标。
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