CN112009730A - 一种空间碎片烧蚀系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种空间碎片烧蚀系统，包括成像子系统、激光烧蚀子系统以及控制中心。其中，成像子系统与激光烧蚀子系统共用传感器镜头。同时，成像子系统与控制中心的空间目标探测模块可通信地连接，以实现空间碎片探测，激光烧蚀子系统与控制中心的跟瞄控制模块以及激光器控制模块可通信地连接，根据空间碎片的相对位置信息，进行空间碎片烧蚀清除。

Description

一种空间碎片烧蚀系统及方法

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种空间碎片烧蚀系统及方法。

背景技术

随着空间科学技术的迅速发展，空间活动越来越频繁，导致空间碎片不断增加，使得空间环境遭受了严重污染，这对人类未来的航天活动构成了严重威胁。

高能激光是一种清除空间cm级空间碎片的有效方法，在激光清除空间碎片的方法中，如果将激光器系统部署在地面，称为地基清除空间碎片方法；如果将激光器系统部署在外层空间，则称为天基清除空间碎片方法。相比较而言，天基清除空间碎片方法的激光器能量远远小于地基，而且激光传输过程中不存在大气湍流干扰，还可以用于特定航天器轨道附近空间碎片清除和推离。

对于天基清除空间碎片方法而言，目前多停留于关键技术研究及验证的阶段，而高精度的跟踪瞄准是天基清除空间碎片方法的关键技术之一，其能保证在清除过程中，激光光束准确聚焦于空间碎片上进行烧蚀。

发明内容

针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种空间碎片烧蚀系统，包括：

共用光路单元，包括传感器镜头以及第一分光光路单元；

成像子系统，包括探测器，所述成像子系统用于接收经由所述分光光路单元进入的光线，并转换为数字图像；

激光烧蚀子系统，包括跟瞄系统以及激光器，所述跟瞄系统与所述激光器可通信地连接，用于控制所述激光器的角度，所述激光器用于发射高能量脉冲激光；以及

控制中心，包括：

空间目标探测模块，与所述成像子系统可通信地连接，用于根据所述数字图像识别空间碎片，并计算目标碎片的相对方位；

跟瞄控制模块，与所述空间目标探测模块以及所述跟瞄系统可通信地连接，用于实时跟踪目标碎片，并根据目标碎片的相对方位信息，计算激光发射角度信息，并将所述角度信息发送给所述跟瞄

系统；以及

激光器控制模块，用于控制激光器的开关。

进一步地，所述成像子系统包括：

第二分光光路单元，其布置于所述第一分光光路单元之后，用于将光线分别摄入可见光成像子系统及红外光成像子系统；

可见光成像子系统，包括第一光路单元以及可见光探测器，所述第一光路单元将经由所述第二分光光路单元进入的可见光聚焦于所述可见光探测器的靶面上；以及

红外光成像子系统，包括第二光路单元以及红外光探测器，所述第二光路单元将经由所述第二分光光路单元进入的红外光聚焦于所述红外光探测器的靶面上。

进一步地，所述可见光探测器和/或所述红外光探测器为CMOS探测器。

进一步地，所述可见光成像子系统和/或所述红外光成像子系统采用凝视成像模式，以实现对大范围的空间目标以及空间碎片探测。

进一步地，所述控制中心为集成芯片。

本发明一方面提供一种空间碎片烧蚀系统，包括：

通过所述成像子系统对经由第一分光光路单元进入的光线进行光电转换，以获取图像信息；

空间目标探测模块根据所述图像信息，识别空间碎片并确定目标碎片位置；

所述跟瞄控制模块根据所述目标碎片的位置实时跟踪所述目标碎片，并确定与目标碎片间的相对角度；

所述跟瞄控制模块根据所述相对角度计算激光器的发射角度，并将所述发射角度发送给跟瞄系统；

所述跟瞄系统根据所述发射角度调整激光器的角度；以及

所述激光器控制模块控制所述激光器，发射激光对所述目标碎片进行烧蚀。

进一步地，所述空间目标探测模块采用面阵步进凝视定位搜索方法，确定目标碎片的位置信息。

本发明提供的一种空间碎片烧蚀系统及方法，综合应用于卫星空间碎片探测、跟踪、瞄准以及烧蚀，集成度高、从探测到烧蚀全流程功能一体化。所述系统采用多功能光学载荷总体设计，通过多光共孔径光学设计将可见光成像、红外光成像以及激光烧蚀设备集成于一体，实现了多载荷共口径一体化。其中，所述可见光成像以及红外光成像子系统通过高灵敏的CMOS探测器进行高分辨率凝视成像，运用在轨暗弱运动目标高时相关联探测技术，实现了较低的信噪比下空间碎片、地面目标的全天时实时探测，精准度高，同时，采用了面阵步进凝视定位搜索方法，能够给出目标的位置信息，并通过激光系统的高精度二维跟踪指向功能，对目标进行测距、精跟踪，并发射高能量脉冲激光对抵近空间碎片进行烧蚀。为了尽可能的减小体积及重量，所述系统还采用了超轻量化的结构支撑技术。

附图说明

为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出本发明一个实施例的一种空间碎片烧蚀系统的结构示意图；

图2示出本发明一个实施例的一种空间碎片烧蚀系统的结构框图；以及

图3示出本发明一个实施例的一种空间碎片烧蚀方法的流程示意图。

具体实施方式

以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

为了实现天基空间碎片清除，本发明提供一种空间碎片烧蚀系统及方法，其通过多载荷共口径一体化设计，将空间碎片探测、跟踪、瞄准以及烧蚀功能集成于一体，集成度高，精准度高。下面结合实施例附图，对本发明的技术方案做进一步描述。

图1示出本发明一个实施例的一种空间碎片烧蚀系统的结构示意图。如图1所示，一种空间碎片烧蚀系统，包括共用光路单元001，成像子系统、激光烧蚀子系统003以及控制中心004。

所述共用光路单元001包括传感器镜头101以及第一分光光路单元102。所述传感器镜头101包括主镜1011以及次镜1012，通过计算，选择符合要求的主镜及次镜，根据计算所得的安装参数组装成传感器镜头，所述传感器镜头101用于捕获光线并传输给所述成像子系统以及激光烧蚀子系统003,光线经由所述传感器镜头101进入系统后，通过所述第一分光光路单元102分为两路，一路进入激光烧蚀子系统003，另一路进入所述成像子系统。

所述成像子系统包括探测器，所述成像子系统用于接收经由所述分光光路单元进入的光线，并转换为数字图像；在本发明的一个实施例中，所述成像子系统包括：

第二分光光路单元201，其布置于所述第一分光光路单元102之后，用于将光线分别摄入可见光成像子系统202及红外光成像子系统203；

可见光成像子系统202包括第一光路单元2021以及可见光探测器2022，所述第一光路单元2021将经由所述第二分光光路单元102进入的可见光聚焦于所述可见光探测器2022的靶面上，所述可见光探测器2022将所述可见光进行光电转换，转换为数字图像；在本发明的一个实施例中，所述可见光探测器2022采用CMOS探测器。在本发明的一个实施例中，所述可见光成像子系统202采用凝视成像模式，以实现对大范围的空间目标以及空间碎片探测；以及

红外光成像子系统203包括第二光路单元2031以及红外光探测器2032，所述第二光路单元2031将经由所述第二分光光路单元102进入的红外光聚焦于所述红外光探测器2032的靶面上，所述红外光探测器2032将所述红外光进行光电转换，转换为数字图像；在本发明的一个实施例中，所述红外光探测器2032采用CMOS探测器。在本发明的一个实施例中，所述红外光成像子系统203采用凝视成像模式，以实现对大范围的空间目标以及空间碎片探测。所述可见光成像子系统202及红外光成像子系统203的设计使得所述空间碎片烧蚀系统具备了高分辨全天时成像，能够满足任意时刻的空间碎片清除需求。

如图2所示，所述激光烧蚀子系统003包括跟瞄系统301以及激光器302，所述跟瞄系统301与所述激光器302及控制中心可通信地连接。所述跟瞄系统301接收所述控制中心发送的指令，并根据所述指令控制所述激光器302的角度，所述激光器302根据控制中心的指令发射高能量脉冲激光以烧蚀空间碎片。

所述控制中心004，包括空间目标探测模块401，跟瞄控制模块402以及激光器控制模块403。在本发明的一个实施例中，所述控制中心004为集成芯片，与所述激光烧蚀子系统003以及成像子系统可通信地连接。

所述空间目标探测模块401与所述成像子系统可通信地连接，能够接收所述成像子系统通过光电转换所得到的数字图像，并根据所述数字图像识别空间碎片，并计算目标碎片的相对方位；在本发明的一个实施例中，所述空间目标探测模块401采用面阵步进凝视定位搜索方法，控制所述成像子系统成像，进而给出目标碎片的位置信息。

所述跟瞄控制模块402以及激光器控制模块403与所述激光烧蚀子系统003可通信地连接，共同实现空间碎片跟踪及烧蚀功能。

所述跟瞄控制模块402与所述空间目标探测模块401以及所述跟瞄系统301可通信地连接，其接收空间目标探测模块401计算得到的空间碎片的相对方位信息，一方面根据目标碎片的相对方位信息，实时跟踪目标碎片，计算与目标碎片的距离，另一方面，当空间碎片抵近，需要清除时，则计算激光发射角度信息，并将所述角度信息发送给所述跟瞄系统301。在本发明的一个实施例中，所述角度信息包括俯仰角以及方位角。所述跟瞄控制模块402实现了高精度二维跟踪指向功能，能够对目标碎片进行测距及精跟踪。

所述激光器控制模块403与所述激光器302可通信地连接，用于控制所述激光器302的开关，当系统探测到目标碎片与系统距离低于预定值时，所述激光器控制模块403控制所述激光器302开启，发射高能量脉冲激光以烧蚀抵近空间碎片。

图3示出本发明一个实施例的一种空间碎片烧蚀方法的流程示意图。如图3所示，一种空间碎片烧蚀系统，包括：

首先，在步骤301，获取图像。所述传感器镜头101捕获空间目标发射或反射的光线，以实现对空间目标的成像，所述空间目标包括但不限于：恒星、卫星、空间碎片等；所述光线则包括了可见光、红外光以及激光，以及其他紫外等光线；所述光线经由第一分光光路单元102后，一路进入到陈翔成像子系统，另一路则进入到所述激光烧蚀子系统003，所述可见光成像子系统202对经由第二分光光路单元进入的可见光进行光电转换，以及所述红外光成像子系统203对经由第二分光光路单元进入的红外光进行光电转换，以获取图像信息；

接下来，在步骤302，空间碎片识别及定位。所述空间目标探测模块401根据所述图像信息，识别空间碎片并确定目标碎片位置；在本发明的一个实施例中，述空间目标探测模块采用面阵步进凝视定位搜索方法，确定目标碎片的位置信息；

接下来，在步骤303，碎片实时跟踪及测距。所述跟瞄控制模块402根据所述目标碎片的位置信息，实时跟踪所述目标碎片，并确定与目标碎片间的相对距离，一旦所述相对距离低于预设值，则启动烧蚀功能，进入步骤304；

在步骤304，计算激光发射角度。所述跟瞄控制模块402根据待烧蚀碎片的位置信息，计算激光器的发射角度，并将所述发射角度发送给跟瞄系统301；

接下来，在步骤305，调整激光器角度。所述跟瞄系统301根据所述发射角度调整所述激光器302的角度；以及

最后，在步骤306，碎片烧蚀。所述激光器控制模块403控制所述激光器302开启，发射激光对目标碎片进行烧蚀。

本发明提供的一种空间碎片烧蚀系统及方法，综合应用于卫星空间碎片探测、跟踪、瞄准以及烧蚀，集成度高、从探测到烧蚀全流程功能一体化。所述系统采用多功能光学载荷总体设计，通过多光共孔径光学设计将可见光成像、红外光成像以及激光烧蚀设备集成于一体，实现了多载荷共口径一体化。其中，所述可见光成像以及红外光成像子系统通过高灵敏的CMOS探测器进行高分辨率凝视成像，运用在轨暗弱运动目标高时相关联探测技术，实现了较低的信噪比下空间碎片、地面目标的全天时实时探测，精准度高，同时，采用了面阵步进凝视定位搜索方法，能够给出目标的位置信息，并通过激光系统的高精度二维跟踪指向功能，对目标进行测距、精跟踪，并发射高能量脉冲激光对抵近空间碎片进行烧蚀。为了尽可能的减小体积及重量，所述系统还采用了超轻量化的结构支撑技术。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (7)

1.一种空间碎片烧蚀系统，其特征在于，包括：

共用光路单元，包括传感器镜头以及第一分光光路单元；

成像子系统，包括探测器，所述成像子系统被配置为能够接收经由所述第一分光光路单元进入的光线，并将所述光线转换为数字图像；

激光烧蚀子系统，包括跟瞄系统以及激光器，所述跟瞄系统与所述激光器可通信地连接，所述跟瞄系统被配置为能够控制所述激光器的角度，所述激光器被配置为能够发射高能量脉冲激光；以及

控制中心，包括：

空间目标探测模块，与所述成像子系统可通信地连接，空间目标探测模块被配置为能够根据所述数字图像识别空间碎片，并计算目标碎片的相对方位；

跟瞄控制模块，与所述空间目标探测模块以及所述跟瞄系统可通信地连接，所述跟瞄控制模块被配置为能够实时跟踪目标碎片，计算目标碎片与系统的相对距离，并根据目标碎片的相对方位信息，计算激光发射角度信息，发送给所述跟瞄系统；以及

激光器控制模块，所述激光器控制模块被配置为能够控制激光器的开关。

2.如权利要求1所述的空间碎片烧蚀系统，其特征在于，所述成像子系统包括：

第二分光光路单元，其布置于所述第一分光光路单元之后，所述第二分光光路单元被配置为能够将光线分别摄入可见光成像子系统及红外光成像子系统；

可见光成像子系统，包括第一光路单元以及可见光探测器，所述第一光路单元被配置为能够将经由所述第二分光光路单元进入的可见光聚焦于所述可见光探测器的靶面上；以及

红外光成像子系统，包括第二光路单元以及红外光探测器，所述第二光路单元被配置为能够将经由所述第二分光光路单元进入的红外光聚焦于所述红外光探测器的靶面上。

3.如权利要求2所述的空间碎片烧蚀系统，其特征在于，所述可见光探测器和/或所述红外光探测器为CMOS探测器。

4.如权利要求2所述的空间碎片烧蚀系统，其特征在于，所述可见光成像子系统和/或所述红外光成像子系统采用凝视成像模式。

5.如权利要求1所述的空间碎片烧蚀系统，其特征在于，所述控制中心为集成芯片。

6.一种采用如权利要求1至5任一权利要求所述的空间碎片烧蚀系统进行空间碎片烧蚀的方法，其特征在于，包括：

所述成像子系统对经由第一分光光路单元进入的光线进行光电转换，以获取图像信息；

所述空间目标探测模块根据所述图像信息，识别空间碎片并确定目标碎片的位置；

所述跟瞄控制模块根据所述目标碎片的位置实时跟踪所述目标碎片，并确定与目标碎片间的相对距离；

当所述相对距离低于预设值时，所述跟瞄控制模块根据目标碎片的位置，计算激光器的发射角度，并将所述发射角度发送给跟瞄系统；

所述跟瞄系统根据所述发射角度调整激光器的角度；以及

所述激光器控制模块控制所述激光器开启，发射激光对所述目标碎片进行烧蚀。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空间目标探测模块采用面阵步进凝视定位搜索方法，确定目标碎片的位置。

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