CN115932888A - 高分辨率空间目标三维探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高分辨率空间目标三维探测系统，基于设置好的空间光调制器对回波信号进行空间/时间二维调制。该方法的实质是对激光及其回波信号进行编码，利用回波信号与涨落光场之间的二阶关联函数获取目标的图像信息。该方法结合了激光测距技术和关联成像技术的优势，在微弱回波光子数的条件下，充分挖掘回波信息，实现了空间目标三维信息的获取。本发明的技术方案能够结合激光测距技术和激光关联技术，通过获得了空间目标高精度的距离像和其空间二维强度分布像，极大的提高了回波光子的探测效率，同时获取空间目标的高分辨率图像。

Description

高分辨率空间目标三维探测系统

技术领域

本发明涉及激光三维成像机技术领域，尤其涉及一种高分辨率空间目标三维探测系统。

背景技术

近年来，随着世界航天事业的蓬勃发展，空间目标数量与日俱增。空间目标主要包括在轨人造卫星和空间碎片(助推火箭、保护罩和其他物体)等。其中，较大尺寸空间碎片的撞击会使航天器的轨道或姿态发生变化，甚至直接导致航天器的解体。1993年，换下的哈勃望远镜太阳能帆板存在大量的被撞击痕迹，虽然空间碎片对哈勃望远镜产生的撞击并不会直接导致哈勃望远镜报废，但是撞击会间接影响到哈勃望远镜的工作性能。1996年，一块十年前解体的法国火箭残骸撞击了一颗法国卫星并损坏了其重力梯度稳定杆。2009年，美国通信卫星“铱星33”和俄罗斯报废多年的军用卫星“宇宙2251号”发生了激烈碰撞，震惊了世界。截止2020年9月底，国际上超过19颗卫星因为碎片撞击失效或者解体，空间碎片危害得到了越来越多的重视。

为提高航天环境的安全性，维护在轨卫星的正常运行，减少故障或失效造成的损失，世界各国制定了多项空间碎片探测战略计划，建设了广泛的空间碎片监视系统网络，深入研究了空间碎片探测技术，以实现对空间碎片的防护、减缓、治理和规避。2020年，美国在《2020航天远景规划》中，将空间探测计划列为一个重要研制方向。我国国务院于2022年1月28日发布的《2021中国的航天》白皮书中明确指出：“未来五年，建设完善空间碎片监测设施体系、编目数据库和预警服务系统，统筹做好航天器在轨维护、碰撞规避控制、空间碎片减缓等工作，将空间碎片清除等新技术验证作为我国未来五年航天工业的关键技术攻关任务之一。”

相比于昂贵的空间目标天基探测系统，空间目标地基探测系统具有精度高、成本低、能耗小、技术成熟、使用及维护方便等特点，是目前该项技术的重点发展的航天测控系统之一。自20世纪60年代问世以来，空间目标地基探测系统已经形成一系列具有不同侧重的监视和跟踪系统。根据探测原理，主要分为雷达探测系统及光电探测系统。其中，雷达探测系统属于主动探测，雷达系统探测能力与探测距离的四次方成反比，反射功率经过往返双倍的距离后能量衰减很大，通常用于低轨道的空间目标探测；光电探测系统属于被动探测，利用空间目标自身反射或辐射的短波段光进行探测，其空间目标探测能力与探测距离的平方成反比，通常应用于中高轨的空间目标的检测。

现有的技术方案：

1、激光雷达探测系统(LIDAR,Light Detection and Ranging)是空间目标探测技术研究的新热点。作为传统雷达探测技术和激光测距技术相结合的产物，激光雷达探测系统具有分辨率高、体积小、精度高等优点。激光雷达本质是激光测距(Laser Ranging)，通过测量发射激光时刻与目标回波时刻的时间间隔获得激光测量系统和空间碎片之间的距离，换算公式如下：d＝ct/2式中，c为光速，t为光速往返传播时间，d为距离。

根据观测目标的不同，激光测距系统分为空间碎片激光测距(Debris LaserRanging,DLR)系统与卫星激光测距系统(Satellite Laser Ranging,SLR)。相比于传统地基雷达观测系统百米量级的精度，DLR技术可达分米量级，是开展低轨道、小尺度空间碎片监测研究的首选技术之一。

DLR系统主要包括激光器及发射系统、望远镜伺服跟踪系统、光电接收系统、时间频率系统、以及计算机控制系统等。

其工作流程为：首先，选定实验目标后下载空间碎片的两行根数(TLE)获得初轨数据。通过SPG4/SDP4动力学模型计算目标跟踪星历，转换为测站坐标系下的方位、高度、距离信息。其次，控制系统引导望远镜实时跟踪目标，跟踪稳定后将激光通过折轴光路引导到发射镜筒，发射到空间目标上。同时，经主波探测器件转换为电信号送入计时器，记录信号时刻。再次，望远镜接收系统探测经过目标漫反射的回波光子信号并送给计时器获得回波时刻。然后，对测量结果进行预处理，剔除异常值，保留有效数据。最后，应用高精度激光测距数据，对碎片目标进行精密定轨和编目，扩充目标数据库信息，完成目标的测距实验。

其缺点有：为了获得更多的回波信息，必须限制激光器的重复频率，重复频率的降低使得激光雷达对目标进行探测时的采样间隔较为稀疏，无法获得较高的分辨率和精确度。传统激光雷达望远镜口径大都在0.5m以上，大口径望远镜使得系统的重量，体积庞大，限制了激光测距系统的应用范围。此外，激光雷达系统的每次回波脉冲中都包含大量光子，传统的激光测距系统无法充分利用回波中的每一个光子信号，使得激光测距的探测效率低下。同时，激光测距技术只能提供空间目标的距离信息，无法提供目标其他信息、包括光度、光谱等，不利于空间目标识别、位姿测量等研究。

2、光电探测系统一般采用地基望远镜来对空间目标进行探测，并收集空间目标物体反射的光，经过光电元件转换成所需信号的一个过程。光电探测系统可提供空间目标位置的测量信息，且成本低、能耗小，尤其是在中高轨空间目标探测中有着独特优势；此外，光电观测还能提供空间目标的光度与光谱信息，以供空间目标识别使用。

光电望远镜系统是空间目标光电探测系统的核心，包括光学系统、探测器(科学CCD，Charge Coupled Device、视频CCD、红外探测器等)、电子学控制系统、机械支撑系统和跟踪系统等。下图为中科院国家天文台长春站40cm光电望远镜系统结构。

光电望远镜探测空间目标的工作过程大致如下：望远镜提前指向预报位置，等待目标出现，目标进入望远镜视场后，跟踪程序引导驱动系统跟踪目标，并采集CCD图像，码盘数据直接给出轴系定位结果[方位角和高度角(A，h)或者水平经纬度(L，B)；对于天文定位，计算机还要计算定标星(背景恒星)的位置，通过星点提取和星图匹配，得到目标的赤经赤纬(α,δ)]。光学观测数据的定轨精度一般在百米的量级。

其技术缺点为：光电探测系统一般采用大视场光学望远镜对远距离空间目标进行搜索测量，进而达到空间目标快速发现和识别的目的。然而，受困于时间、天气、作用距离和分辨率等因素，地基光电探测系统并不适用于低轨道空间碎片的探测，存在的具体问题如下：一是光电探测系统一般采用大视场光学系统，本身存在光学畸变，背景不均匀，同视场恒星过多，恒星和空间目标成像相似，均为点状光斑，无法从结构，纹理上区分，并且都占有有限个像素，图像处理实时性要求高；二是空间目标尺寸小、距离远，亮度受太阳照射方向影响变化大，在运动过程中，恒星对空间目标的遮挡问题，同时，宇宙射线、高能粒子会在图像中产生虚假目标，系统信噪比低；三是空间目标受轨道高度差异影响、目标速度和运动差异过大，导致目标形状不固定，目标有可能从点状变成长条状。这些问题都为空间目标的识别与探测带来了更多挑战。

3、有文献提出将空间目标激光测距与光电探测成像技术相结合的方法实现空间目标的探测，即空间碎片激光测距与成像一体化终端系统。该系统采用收发共口径光路结构，整机结构一体化设计。主要由光学天线、碎片普查分系统、碎片测距分系统、碎片成像分系统、跟踪转台分系统等组成。其中光学天线、普查分系统、碎片测距分系统、精跟踪分系统、碎片成像分系统组成测距与成像一体化光学基台。光学天线用于对光束进行扩束与缩束；普查分系统用于大范围的对空间碎片进行搜索与探测，并为跟踪转台分系统提供目标脱靶量；跟踪转台分系统用于接收普查分系统的脱靶量，驱动转台粗指向目标碎片；精跟踪分系统用于对目标碎片进行稳定持续的跟踪；碎片成像分系统用于接收对碎片反射回来的400nm-700nm可见光波段进行碎片材质等特性的探测；测距分系统通过测距发射单元发射1064nm波段的主动激光，测距接收单元接收反射光，完成对碎片距离的测算。

其工作原理为：测距发射单元发射1064nm脉冲激光，通过能力分光镜将一部分激光反射给测距计时单元，作为发射时间标记，另一部分透过能量分光镜。透过的光束依次经过反射镜、双工反射镜、精跟踪分光镜、光谱分光镜、电磁振镜，最后光束通过光学天线扩束发射出去。测距接收单元接收碎片反射信号，通过多组时间差来测算距离信息。光谱仪通过光学天线、电磁振镜、光谱分光镜对碎片自身反射来的400nm-700nm的可见光来完成对碎片的探测成像。

其存在的缺点为：空间碎片激光测距与成像一体化系统集成了激光测距与光电成像技术优势，实现了空间碎片的多维探测。但是，由于该采用较多的光学器件，不仅增加了系统的研发成本，更大大增加了系统回波能量的损耗，严重影响了系统的测距精度与最大探测距离。同时，该系统结构设计复杂、体积庞大、对光学基台的光学设计和机械装调了提出了更多的要求。在实际应用过程中，其光学基台的环境温度适应性、整机振动等问题也是亟待解决的技术难点之一。

综上所述，如何提高系统探测效率并充分利用回波信息成为了DLR技术进一步提高系统性能及拓展应用前景的关键问题，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于提出一种高分辨率空间目标三维探测系统，旨在结合激光测距技术和激光关联技术，通过获得了空间目标高精度的距离像和其空间二维强度分布像，极大的提高了回波光子的探测效率，同时获取空间目标的高分辨率图像。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种高分辨率空间目标三维探测系统，包括：

激光发射模块，用于发射固定频率激光脉冲，同时主波探测器产生脉冲信号；

光学接收模块，用于利用接收望远镜接收目标反射的回波信号；

回波调控系统，用于回波信号的时间/空间二维调制，根据调制策略生成随机散斑场；

回波探测模块，用于回波光子的探测，采用单光子探测器将入射的光信号生成电脉冲信号；

信号采集模块，用于采集及存储单帧散斑图及其对应的调制回波信号数据；

时间频率模块，用于记时产生脉冲发射信号和接收信号的时间；及

控制重构模块，用于根据所述信号采集模块采集的信息和所述时间频率模块记录的数据重构空间目标的图像信息，利用关联算法将调制后生成的散斑序列与单光子探测其探测的光强信号进行相关逆运算，获取空间目标多维信息，构出空间目标三维图像。

在本发明一实施例中，所述激光发射模块包括：

激光发射器，用于产生激光脉冲，脉冲经过光学接收模块的发射望远镜的反射和准直；

主波探测器，用于发射脉冲信号；及

空间分束器，用于分束回波信号。

在本发明一实施例中，所述光学接收模块包括：

发射望远镜，用于将激光脉冲发射到空间目标上；

接收望远镜，用于接收经过目标漫反射的回波光子信号，回波信号传输至所述空间分束器，进行信号分束；

焦平面相机，用于接收空间分束反射的部分回波信号，并用于监视光尖。

在本发明一实施例中，所述回波调控系统包括：

空间光调制器，用于接收空间分束的部分回波信号，并通过所述空间光调制器的加载预制的驱动信号对回波信号的时间/空间二维调制。

在本发明一实施例中，所述回波探测模块包括：

透镜，用于透射经过所述空间光调制器后的反射信号；

单光子探测器，用于接收透明汇聚的反射信号，记录目标的部分回波信号，产生电脉冲，通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间频率模块，

在本发明一实施例中，所述时间频率模块包括：

计时器，所述计时器分别与所述激光发射器、所述焦平面相机、所述空间光调制器及所述单光子探测器连接，用于记录所述激光发射器的发射时间；所述空间光调制器的帧同步信号输入到时间频率模块的时间间隔计数器，作为标记信号；所述单光子探测器的单帧散斑图对应的光子到达时间。

在本发明一实施例中，所述控制重构模块包括：

计算机，所述计算机分别与所述计时器、所述单光子探测器、所述空间光调制器连接，用于根据采集模块采集的数据和所述计时器记载的时间数据进行仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理；统计单帧散斑图对应的回波信号并将二者进行相关逆运算重构出空间目标三维图像。

本发明的技术方案，在获取空间目标回波信息的方式不再拘泥于大口径望远镜、高功率激光器、高性能探测器或光电成像设备，而是利用设置好的空间光调制器对回波信号进行空间/时间二维调制。该方法的实质是对激光及其回波信号进行编码，利用回波信号与涨落光场之间的二阶关联函数获取目标的图像信息。该方法结合了激光测距技术和关联成像技术的优势，在微弱回波光子数的条件下，充分挖掘回波信息，实现了空间目标三维信息的获取，这对空间碎片编目、卫星在轨服务等研究具有重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明所述高分辨率空间目标三维探测系统的结构示意图；

图2为本发明所述高分辨率空间目标三维探测系统的系统结构示意图；

图3为本发明所述高分辨率空间目标三维探测系统的光学原理图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	激光发射模块	50	信号采集模块
11	激光发射器	60	时间频率模块
				12	空间分束器	61	光电二极管
20	光学接收模块	62	计时器
				21	发射望远镜	63	横比鉴别器
22	接收望远镜	64	时间频率标准
				23	焦平面相机	65	距离门路电路
30	回波调控系统	70	控制重构模块
				31	空间光调制器	71	计算机
40	回波探测模块	72	伺服系统
				41	透镜	73	方矩电极与编码器
42	单光子探测器	74	导星监视系统

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“若干”、“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明专利零部件的选用：

对于本发明中的空间光调制器可选择数字微镜器件(Digital MicromirrorDevice,DMD)、液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial light Modulator,LC-SLM)、光栅光阀(Grating Light Valve,GLV)，调制器件选择不唯一。

对于本发明中空间光调制器选择的结构采样矩阵，可包括哈达玛正交基、傅里叶正交基、单位矩阵、随机矩阵等，调制光场及方法不唯一。

对于本发明中的单光子探测器，可为APD、SPAD、PMT、超导纳米线、APD阵列等。探测器的选择不唯一。

对于本发明中的关联重构算法，可选择差分测量技术、压缩感知技术、归一成像技术、深度学习技术等。关联重构算法的选择不唯一。

对于本发明中的激光发射器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器或其他波长激光器等。器件结构可选择激光器阵列、垂直腔表面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser,VCSEL)等不同类型。其重复频率可为几Hz到上千Hz，能量大小可从几mJ到上百mJ。激光器的选择不唯一。

对于本发明中的接收望远镜、发射望远镜口径、结构的选择不唯一。

本发明提出一种高分辨率空间目标三维探测系统，旨在结合激光测距技术和激光关联技术，通过获得了空间目标高精度的距离像和其空间二维强度分布像，极大的提高了回波光子的探测效率，同时获取空间目标的高分辨率图像。

下面将在具体实施例中对本发明提出的高分辨率空间目标三维探测系统的具体结构进行说明：

在本实施例的技术方案中，如图1所示，提供一种高分辨率空间目标三维探测系统，包括：激光发射模块10、光学接收模块20、回波调控系统30、回波探测模块40、信号采集模块50、时间频率模块60及控制重构模块70，激光发射模块10用于发射固定频率激光脉冲，同时主波探测器产生脉冲信号；光学接收模块20用于利用接收望远镜22接收目标反射的回波信号；回波调控系统30用于回波信号的时间/空间二维调制，根据调制策略生成随机散斑场；回波探测模块40用于回波光子的探测，采用单光子探测器42将入射的光信号生成电脉冲信号；信号采集模块50用于采集及存储单帧散斑图及其对应的调制回波信号数据；时间频率模块60用于记时产生脉冲发射信号和接收信号的时间；控制重构模块70用于根据信号采集模块50采集的信息和时间频率模块60记录的数据重构空间目标的图像信息，利用关联算法将调制后生成的散斑序列与单光子探测其探测的光强信号进行相关逆运算，获取空间目标多维信息，构出空间目标三维图像。

可以理解地，本发明提出了一种高分辨率空间目标三维探测系统。与现有的空间目标探测系统不同，本发明在获取空间目标回波信息的方式不再拘泥于大口径望远镜、高功率激光器、高性能探测器或光电成像设备，而是利用设置好的回波调控系统30的空间光调制器31对回波信号进行空间/时间二维调制。该方法的实质是对激光及其回波信号进行编码，利用回波信号与涨落光场之间的二阶关联函数获取目标的图像信息。该方法结合了激光测距技术和关联成像技术的优势，在微弱回波光子数的条件下，充分挖掘回波信息，实现了空间目标三维信息的获取，这对空间碎片编目、卫星在轨服务等研究具有重要的意义。

在一种可行的实施方式中，控制重构模块70还可用于从网站上下载目标轨道预报信息，提前了解目标的轨道信息。控制重构模块70还包括伺服系统72、方矩电极与编码器73、导星监视系统74，伺服系统72从控制重构模块70还得到控制命令，用于根据导航监视系统监视得到的目标信息，控制方矩电极与编码器73解码目标位置并控制光学接收模块20的发射望远镜21。

在本发明一实施例中，激光发射模块10包括激光发射器11、主波探测器及空间分束器12，激光发射器11用于产生激光脉冲，脉冲经过光学接收模块20的发射望远镜21的反射和准直；主波探测器用于发射脉冲信号；空间分束器12用于分束回波信号。

在本发明一实施例中，光学接收模块20包括：发射望远镜21、接收望远镜22及焦平面相机23(CCD)，发射望远镜21用于将激光脉冲发射到空间目标上；接收望远镜22用于接收经过目标漫反射的回波光子信号，回波信号传输至空间分束器12，进行信号分束；焦平面相机23用于接收空间分束反射的部分回波信号，并用于监视光尖，并将监视信息反馈至发射望远镜21。

在本发明一实施例中，回波调控系统30包括空间光调制器31(DMD)，用于接收空间分束的部分回波信号，并通过空间光调制器31的加载预制的驱动信号对回波信号的时间/空间二维调制。

在本发明一实施例中，回波探测模块40包括：透镜41和单光子探测器42(SPAD)，透镜41用于透射经过空间光调制器31后的反射信号；单光子探测器42用于接收透明汇聚的反射信号，记录目标的部分回波信号，产生电脉冲，通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间频率模块60，

在本发明一实施例中，时间频率模块60包括计时器62，计时器62分别与激光发射器11、焦平面相机23、空间光调制器31及单光子探测器42连接，用于记录激光发射器11的发射时间；空间光调制器31的帧同步信号输入到时间频率模块60的时间间隔计数器，作为标记信号；单光子探测器42的单帧散斑图对应的光子到达时间。

在一种可行的实施方式中，时间频率模块60还包括光电二极管61、横比鉴别器63、时间频率标准64、距离门路电路65；激光发射器11发射信号后，并将发射信号传递至光电二极管61，光电二极管61产生光电信号传输至横比鉴别器63，横比鉴别器63将发射时间记录并发送至控制重构模块70，并将已发射的信号传递至计时器62，计时器62同时用于计时空间光调制器31和单光子探测器42的工作状态，计时器62将发射和接收的时间间隔传送至控制重构模块70，时间频率标准64模块用于向计时器62发送时间信号，用于向控制重构模块70发射秒信号，用于向控制重构模块70的距离门控电路发射信号，没意识控制重构模块70的距离门控电路控制单光子探测器42打开。

在本发明一实施例中，控制重构模块70包括计算机71，分别与计时器62、单光子探测器42、空间光调制器31连接，用于根据采集模块采集的数据和计时器62记载的时间数据进行仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理；统计单帧散斑图对应的回波信号并将二者进行相关逆运算重构出空间目标三维图像。

如图3所示，本发明高分辨率空间目标三维探测系统的工作原理为：激光发射模块10的激光发射器11发射固定频率的激光脉冲，激光发射模块10的主波探测器产生脉冲信号，由时间频率模块60的计时器62记录激光发射器11的发射时间，激光脉冲经发射望远镜21将激光脉冲发射到空间目标上，目标漫反射的回波信号被接收望远镜22接收，传输至空间分束器12，小部分回波信号折射到光学接收模块20的焦平面相机23(CCD)，焦平面相机23监视光尖，用于调整光路以跟踪目标；大部分回波信号反射至回波调控系统30的空间光调制器31，空间光调制器31通过空间光调制器31的加载预制的驱动信号对回波信号的时间/空间二维调制，再经回波探测模块40的透镜41入射至回波探测模块40的单光子探测器42，回波探测模块40的单光子探测器42记录目标的部分回波信号，产生电脉冲，通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间频率模块60，由时间频率模块60记录回波接收时间；空间光调制器31的帧同步信号输入到时间频率模块60的时间间隔计数器，作为标记信号；单光子探测器42的单帧散斑图对应的光子到达时间，并传送至控制重构模块70的计算机71；信号采集模块50采集单帧散斑图及其对应的调制回波信号数据并传输至控制重构模块70的计算机71；由计算机71根据采集模块采集的数据和计时器62记载的时间数据进行仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理；统计单帧散斑图对应的回波信号并将二者进行相关逆运算重构出空间目标三维图像。

本发明系统的其中一实施方式的基本参数：

根据激光雷达方程计算可知，若单光子探测器42开门时间为200ns，背景光亮度小于1W/m2.sr，达到该系统探测器上的信号平均光子数为1个，背景平均光子数为0.04个。我们将单次成像的积分时间设置为3分钟，则该系统的最大探测距离可达500km，空间分辨率为0.2m@500km；测距精度优于0.1m，远优于现有的地基空间目标探测系统性能。

本发明具体实现方式：如图2所示，计算机71从Space Track网站下载两行根数获得目标初轨预报数据，并通过SGP4/SDP4动力学模型计算目标跟踪星历，转换为测站坐标系下的方位、高度、距离信息，生成实时控制程序可调用的目标跟踪数据文件。

由计算机71根据观测目标预报的星历文件，引导发射望远镜21实时跟踪目标，通过闭环跟踪使目标位于焦平面相机23(CCD)的视场中心，修正预报误差，并由计算机71给出高重复频率激光发射指令，将激光通过折轴光路引导发射镜筒，发射激光到空间目标上，同时经光学接收模块20转换为电信号送入计时器62，记录信号时刻。

经过目标漫反射的探测回波光子信号通过接收望远镜22入射到已加载哈达玛矩阵的空间光调制器31(DMD)微镜阵列表面，再经透镜41汇聚、聚焦到单光子探测器42(SPAD)灵敏区，经光电信号换器件转换为电信号送到计时器62上，计时器62将获得的时刻信息转换为激光飞行的时间间隔。同时，DMD的帧同步信号接到计时器62。时间间隔与准确时刻信息，大气环境信息、DMD散斑序列共同存储到结果文件中形成观测的原始数据。

对观测原始数据进行预处理，并对结果进行统计分析。统计单帧DMD对应的光子飞行时间。根据相关重构方法，将DMD散斑序列和SPAD探测到的回波信号进行相关逆运算获取空间目标的三维信息。

与传统DLR系统不同，本专利中决定空间目标图像质量的是单光子探测器42探测的信号涨落而不是平均强度。在极低探测信噪比的情况下，可通过对回波信号的精确解耦，有效提高系统的信噪比，使其性能不再局限于光电器件的性能参数。在提供距离信息的同时又能提供空间目标的二维强度信息，为空间碎片编目识别精度、位姿测量、在轨服务提供更全面的依据。其次，与利用高灵敏度的光电探测器阵列或单点逐像素扫描的扫描获取空间目标的三维信息不同，本专利通过计算回波号与涨落光场之间的二阶关联函数获取目标的图像信息，有效避免了阵列回波信号串扰、机械装调、价格昂贵等问题，最大限度地利用已有的DLR系统，充分发挥了现有技术的优势与潜力。最后，由于系统对回波光场进行了调制，系统可以通过线性滤波或统计关联的方法有效区分信号光子和噪声光子，具有更好的抗干扰性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，包括：

激光发射模块，用于发射固定频率激光脉冲，同时主波探测器产生脉冲信号；

光学接收模块，用于利用接收望远镜接收目标反射的回波信号；

回波调控系统，用于回波信号的时间/空间二维调制，根据调制策略生成随机散斑场；

回波探测模块，用于回波光子的探测，采用单光子探测器将入射的光信号生成电脉冲信号；

信号采集模块，用于采集及存储单帧散斑图及其对应的调制回波信号数据；

时间频率模块，用于记时产生脉冲发射信号和接收信号的时间；及

控制重构模块，用于根据所述信号采集模块采集的信息和所述时间频率模块记录的数据重构空间目标的图像信息，利用关联算法将调制后生成的散斑序列与单光子探测其探测的光强信号进行相关逆运算，获取空间目标多维信息，构出空间目标三维图像。

2.根据权利要求1所述的高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，所述激光发射模块包括：

激光发射器，用于产生激光脉冲，脉冲经过光学接收模块的发射望远镜的反射和准直；

主波探测器，用于发射脉冲信号；及

空间分束器，用于分束回波信号。

3.根据权利要求2所述的高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，所述光学接收模块包括：

发射望远镜，用于将激光脉冲发射到空间目标上；

接收望远镜，用于接收经过目标漫反射的回波光子信号，回波信号传输至所述空间分束器，进行信号分束；及

焦平面相机，用于接收空间分束反射的部分回波信号，并用于监视光尖。

4.根据权利要求3所述的高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，所述回波调控系统包括：

空间光调制器，用于接收空间分束的部分回波信号，并通过所述空间光调制器的加载预制的驱动信号对回波信号的时间/空间二维调制。

5.根据权利要求4所述的高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，所述回波探测模块包括：

透镜，用于透射经过所述空间光调制器后的反射信号；和

单光子探测器，用于接收透明汇聚的反射信号，记录目标的部分回波信号，产生电脉冲，通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间频率模块。

6.根据权利要求5所述的高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，所述时间频率模块包括：

计时器，所述计时器分别与所述激光发射器、所述焦平面相机、所述空间光调制器及所述单光子探测器连接，用于记录所述激光发射器的发射时间；所述空间光调制器的帧同步信号输入到时间频率模块的时间间隔计数器，作为标记信号；所述单光子探测器的单帧散斑图对应的光子到达时间。

7.根据权利要求6所述的高分辨率空间目标三维探测系统，其特征在于，所述控制重构模块包括：

计算机，所述计算机分别与所述计时器、所述单光子探测器、所述空间光调制器连接，用于根据采集模块采集的数据和所述计时器记载的时间数据进行仪器指向误差修正、系统延时的校准、观测资料的预处理；统计单帧散斑图对应的回波信号并将二者进行相关逆运算重构出空间目标三维图像。

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