CN116184428A - 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法 - Google Patents

用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116184428A
CN116184428A CN202310330114.1A CN202310330114A CN116184428A CN 116184428 A CN116184428 A CN 116184428A CN 202310330114 A CN202310330114 A CN 202310330114A CN 116184428 A CN116184428 A CN 116184428A
Authority
CN
China
Prior art keywords
echo
target
wavelength
laser
polarized light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310330114.1A
Other languages
English (en)
Inventor
彭月
翟东升
苏必达
王静
孙腾
陈红
李鹏飞
李语强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Environmental Features
Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Original Assignee
Beijing Institute of Environmental Features
Yunnan Astronomical Observatory of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Environmental Features, Yunnan Astronomical Observatory of CAS filed Critical Beijing Institute of Environmental Features
Priority to CN202310330114.1A priority Critical patent/CN116184428A/zh
Publication of CN116184428A publication Critical patent/CN116184428A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/46—Indirect determination of position data
    • G01S17/48—Active triangulation systems, i.e. using the transmission and reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/484—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G01N2021/216—Polarisation-affecting properties using circular polarised light
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明涉及激光雷达探测技术领域，特别涉及一种用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法。其中，系统包括：激光发射模块、转镜组件、共用光路、回波接收模块和控制分系统；激光发射模块，用于发射对应波长的偏振光；转镜组件设置在激光发射模块、回波接收模块与共用光路之间，用于在发射状态时，移动至第一目标位置使激光发射模块发射的偏振光直接发射至共用光路，在接收状态时，转镜组件移动至第二目标位置，以将共用光路接收的目标回波反射至回波接收模块，以实现光路切换；控制分系统根据目标回波的接收时间和偏振光的发射时间实现远距离目标空间碎片的测距，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别目标空间碎片的材质。

Description

用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法
技术领域
本发明实施例涉及激光雷达探测技术领域，特别涉及一种用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法。
背景技术
随着人类对太空的探索，越来越多失效航天器、火箭残骸、操作性碎片、解体碎片等空间碎片残留在太空，并逐渐开始威胁和影响到人类的空间活动。
现有的用于探测空间碎片的激光雷达系统多采用激光脉冲，然而激光脉冲主要是用于测距，面对极远距离下大气层的干扰，探测精度还有待提高，并且也很难做到对空间碎片的识别，因而，现有的用于探测空间碎片的激光雷达系统无法满足对空间碎片的探测需求。
因此，亟需一种新的用于探测空间碎片的激光雷达系统。
发明内容
为了解决现有的用于探测空间碎片的激光雷达系统无法满足对空间碎片的探测需求的问题，本发明实施例提供了一种用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种用于探测空间碎片的激光雷达系统，包括：激光发射模块、转镜组件、共用光路、回波接收模块和控制分系统；
所述激光发射模块，设置在所述转镜组件的第一端，所述激光发射模块用于发射第一波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光或第二波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；其中，所述第二波长小于所述第一波长；
所述转镜组件，设置在所述激光发射模块、所述回波接收模块与所述共用光路之间，所述转镜组件用于在发射状态时，移动至第一目标位置使所述激光发射模块发射的偏振光直接发射至所述共用光路，在接收状态时，所述转镜组件移动至第二目标位置，以将所述共用光路接收的目标回波反射至所述回波接收模块，以实现收发状态转换的光路切换；
所述共用光路，设置在所述转镜组件的第二端，所述共用光路用于在发射状态时，将所述偏振光发射至目标空间碎片，在接收状态时，接收所述目标空间碎片反射的目标回波；
所述回波接收模块，设置在所述转镜组件的第三端，所述回波接收模块用于接收所述目标回波，并探测出所述目标回波在不同偏振态下的回波强度；
所述控制分系统分别与所述激光发射模块、所述转镜组件、所述共用光路和所述回波接收模块电连接，所述控制分系统用于控制所述激光发射模块、所述转镜组件、所述共用光路和所述回波接收模块的工作状态，并接收所述回波接收模块探测的得到所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，以根据所述目标回波的接收时间和所述偏振光的发射时间确定所述目标空间碎片的距离，以及根据所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于本说明书任一实施例所述系统的空间碎片探测方法，包括：
当转镜组件移动至第一目标位置时，控制分系统控制激光发射模块发射对应波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；
对应波长的双点高反射镜将所述偏振光直接反射至共用光路，以利用所述共用光路将所述偏振光发射至目标空间碎片；
利用所述共用光路接收所述目标空间碎片反射的目标回波；其中，所述目标回波的波长与所述偏振光的波长相同；
所述转镜组件移动至第二目标位置，以将所述共用光路接收的目标回波反射至所述回波接收模块；
利用所述回波接收模块对所述目标回波在不同偏振态下的回波强度进行探测，并将所述探测结果发送至所述控制分系统；
所述控制分系统根据所述目标回波的接收时间和所述偏振光的发射时间确定所述目标空间碎片的距离，以及根据所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。
本发明实施例提供了一种用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法，系统包括激光发射模块、转镜组件、共用光路、回波接收模块和控制分系统；在发射状态时，通过激光发射模块发射对应波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；转镜组件移动至第一目标位置使激光发射模块发射的偏振光直接发射至共用光路，共用光路将偏振光发射至目标空间碎片；当存在目标空间碎片时，目标空间碎片会将偏振光反射，生成目标回波反射回共用光路，系统此时处于接收状态，转镜组件移动至第二目标位置，将共用光路接收的目标回波反射至回波接收模块，回波接收模块探测出目标回波在不同偏振态下的回波强度，发送至控制分系统，控制分系统根据不同偏振态的目标回波的接收时间和偏振光的发射时间实现远距离的目标空间碎片测距，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，可以识别出目标空间碎片的材质。
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获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种用于探测空间碎片的激光雷达系统的组成示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种用于探测空间碎片的激光雷达系统的的发射状态光路示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种用于探测空间碎片的激光雷达系统的的接收状态光路示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种镜片的正视图；
图5是本发明一实施例提供的一种空间碎片探测方法的流程图。
附图标记：
1、激光发射模块；11、双波长激光装置；12、起偏组件；121、第一位移平台、122、第一旋转波片组、123、第二旋转波片组；
2、转镜组件；a、第一目标位置；b、第二目标位置；
3、共用光路；31、调整光路；311、第一负透镜；312、第二负透镜；313、第二位移平台；314、正透镜；32、分光镜；33、望远镜；
4、回波接收模块；41、第三位移平台；411、第二反射镜；42、第一反射镜；43、第一回波接收箱；431、第一聚焦透镜；432、第一小孔光阑；433、第一准直透镜；434、第一波长的四分之一波片；435、格兰激光偏振器；436、光纤耦合透镜；437、第一单光子探测器；44、第二回波接收箱；441、第二聚焦透镜；442、第二小孔光阑；443、第二准直透镜；444、第二波长的四分之一波片；445、偏振片；446、第二单光子探测器；
5、双点高反射镜。
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。
如前所述，现有的用于探测空间碎片的激光雷达系统多采用激光脉冲，然而激光脉冲主要是用于测距，面对极远距离下大气层的干扰，探测精度还有待提高，并且也很难做到对空间碎片的识别，因而，现有的用于探测空间碎片的激光雷达系统无法满足对空间碎片的探测需求。
为了解决上述技术问题，发明人可以考虑利用偏振态信息来对空间碎片的材质进行识别，另外，发射不同方向和不同偏振态的偏振光也可以提高探测距离，故而，利用激光发射模块发射不同波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光，在发射状态时，通过将转镜组件移动至第一目标位置使激光发射模块发射的偏振光直接发射至共用光路，利用共用光路将偏振光发射至目标空间碎片；当存在目标空间碎片时，目标空间碎片会将偏振光反射，生成目标回波反射回共用光路，系统此时转换为接收状态，通过将转镜组件移动至第二目标位置，将共用光路接收的目标回波反射至回波接收模块，以利用回波接收模块探测出目标回波在不同偏振态下的回波强度，并发送至控制分系统，控制分系统根据不同偏振态的目标回波的接收时间和偏振光的发射时间实现远距离的目标空间碎片测距，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，可以识别出目标空间碎片的材质。因此，本方案不仅可以提高探测距离和空间碎片的距离探测精度，还可以识别出空间碎片的材质。
下面描述以上构思的具体实现方式。
请参考图1，本发明实施例提供了一种用于探测空间碎片的激光雷达系统，该系统包括：激光发射模块1、转镜组件2、共用光路3、回波接收模块4和控制分系统；
激光发射模块1，设置在转镜组件2的第一端，激光发射模块1用于发射第一波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光或第二波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；其中，第二波长小于第一波长；
转镜组件2，设置在激光发射模块1、回波接收模块4与共用光路3之间，转镜组件2用于在发射状态时，移动至第一目标位置a使激光发射模块1发射的偏振光直接发射至共用光路3，在接收状态时，转镜组件2移动至第二目标位置，以将共用光路3接收的目标回波反射至回波接收模块4，以实现收发状态转换的光路切换；
共用光路3，设置在转镜组件2的第二端，共用光路3用于在发射状态时，将偏振光发射至目标空间碎片，在接收状态时，接收目标空间碎片反射的目标回波；
回波接收模块4，设置在转镜组件2的第三端，回波接收模块4用于接收目标回波，并探测出目标回波在不同偏振态下的回波强度；
控制分系统分别与激光发射模块1、转镜组件2、共用光路3和回波接收模块4电连接，控制分系统用于控制激光发射模块1、转镜组件2、共用光路3和回波接收模块4的工作状态，并接收回波接收模块4探测的得到目标回波在不同偏振态下的回波强度，以根据目标回波的接收时间和偏振光的发射时间确定目标空间碎片的距离，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别目标空间碎片的材质。
本发明实施例中，在发射状态时，通过激光发射模块1发射对应波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光，转镜组件2移动至第一目标位置a使激光发射模块1发射的偏振光直接发射至共用光路3，共用光路3将偏振光发射至目标空间碎片；当存在目标空间碎片时，目标空间碎片会将偏振光反射，生成目标回波反射回共用光路3，系统此时处于接收状态，转镜组件2移动至第二目标位置b，将共用光路接收的目标回波反射至回波接收模块4，回波接收模块4探测出目标回波在不同偏振态下的回波强度，并发送至控制分系统，控制分系统根据不同偏振态的目标回波的接收时间和偏振光的发射时间实现远距离的目标空间碎片测距，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，可以识别出目标空间碎片的材质。
参考图2，在一些实施方式中，激光发射模块1包括：双波长激光装置11和起偏组件12；双波长激光装置11用于根据控制分系统的指令发射对应波长的线偏振光；
双波长激光装置11包括第一激光器、第二激光器、反射组镜、倍频晶片，第一激光器和第二激光器并排设置，且第二激光器的出射端与双波长激光装置11的激光出射端处于同一直线；其中，第一激光器和第二激光器发射的线偏振光的波长均为第一波长；
反射组镜设置在第一激光器的出射端，用于将第一激光器发射的第一波长的线偏振光反射至双波长激光装置11的激光出射端；
倍频晶片设置在第二激光器的出射端，用于将第二激光器发射的第一波长的线偏振光转换成第二波长的线偏振光；
起偏组件12设置在双波长激光装置11的激光出射端，起偏组件12用于将第一波长或第二波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。
在本实施例中，双波长激光装置11用于实现单路1064nm偏振光发射或单路532nm偏振光发射，其中1064nm为第一波长，532nm为第二波长，通过切入反射组镜，双波长激光装置11的激光出射端发射第一激光器发射的第一波长的线偏振光，切出反射组镜，双波长激光装置11发射第二波长的线偏振光，本实施例中反射组镜均为45度反射镜，通过反射组镜的切入切出，实现532nm和1064nm的激光切换。通过在双波长激光装置11的激光出射端设置起偏组件12，将第一波长或第二波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。
继续参考图2，在一些实施方式中，起偏组件12包括：第一位移平台121、第一旋转波片组122和第二旋转波片组123；其中，第一旋转波片组122和第二旋转波片组123分别适用于第一波长和第二波长；第一旋转波片组122包括第一波长的四分之一波片和二分之一波片，第二旋转波片组123包括第二波长的四分之一波片和二分之一波片；
第一旋转波片组122和第二旋转波片组123设置在第一位移平台121上，通过第一位移平台121的移动，使双波长激光装置11发射的线偏振光穿过第一旋转波片组122或第二旋转波片组123；
第一位移平台121用于根据双波长激光装置11发射的线偏振光的波长移动，以使对应波长的旋转波片组移动至双波长激光装置11的激光出射方向上，以利用对应波长的旋转波片组将对应波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。
在本实施例中，第一旋转波片组122包括1064nm四分之一波片和1064nm二分之一波片，第二旋转波片组123包括532nm四分之一波片和532nm二分之一波片，如图2所示，当双波长激光装置11发射的线偏振光的波长为532nm时，第一位移平台121将第二旋转波片组123移动至双波长激光装置11的激光出射方向上，使双波长激光装置11发射的532nm线偏振光依次经过旋转的532nm二分之一波片和旋转的532nm四分之一波片后，被调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光，波长为1064nm时同理。
参考图2和图3，在一些实施方式中，共用光路3包括：调整光路31、分光镜32和望远镜33；
调整光路31设置在转镜组件2的第二端，用于在发射状态时，将激光发射模块1发射的偏振光扩束为准直光，在接收状态时，缩小目标回波的光束；
分光镜32为平面镜，设置在调整光路31的另一端，用于将扩束后的偏振光反射至望远镜33，以及将目标回波反射至调整光路31；
望远镜33设置在分光镜32的另一端，用于将扩束后的偏振光向目标空间碎片发射，以及接收目标空间碎片反射的目标回波。
在本实施例中，如图2所示，在发射状态时，激光发射模块1发射的偏振光通过双高点反射镜5反射至转镜组件2，由于是发射状态，转镜组件2不对偏振光进行反射，偏振光直接进入共用光路3的调整光路31，调整光路31将偏振光扩束为准直光射至分光镜32，分光镜32将扩束后的准直光反射至望远镜33，以将扩束后的偏振光射向目标空间碎片。而在接收状态时，如图3所示，望远镜33接收目标空间碎片反射的目标回波，分光镜32将目标回波反射至调整光路31，调整光路31缩小目标回波的光束，缩束后的目标回波射至转镜组件2。
在本实施例中，望远镜33采用1.2m直径的，用以实现对远距离空间碎片的测距与识别。且分光镜32为平面镜，其作用是将扩束后的激光束反射进入望远镜33向外发射以及将返回的目标回波反射进入调整光路31，此外来自望远镜33的星光还要透过该镜面成像。为保持良好的光学性能及反射目标回波和透射星光的功能，分光镜32前后表面面型PV优于0.25λ，前表面镀制45°入射、532nm和1064nm高反膜，后表面镀制45°入射、400—800nm增透膜。
继续参考图2和图3，在一些实施方式中，调整光路31包括：第一负透镜311、第二负透镜312、第二位移平台313、正透镜314；
第一负透镜311和第二负透镜312的适用波长分别为第一波长和第二波长，第一负透镜311和第二负透镜312设置于第二位移平台313上，通过第二位移平台313的移动，使偏振光或目标回波穿过第一负透镜311或第二负透镜312；
正透镜314设置在分光镜312的一端。
在本实施例中，为了适应多种波长的激光束，调整光路31中设置第二位移平台313，如图2和图3以第二波长532nm为例，在发射状态时，第二位移平台313将第二负透镜312移至光路中，使第二负透镜312与正透镜314形成扩束光路，对偏振光扩束为准直光；在接收状态时，正透镜314与第二负透镜312形成缩束光路，目标回波穿过正透镜314和第二负透镜312缩小光束。
参考图3，在一些实施方式中，回波接收模块4包括：第三位移平台41、第一反射镜42、第一回波接收箱43和第二回波接收箱44；
第二回波接收箱44设置于转镜组件2的第三端，且第二回波接收箱44的上端设置第三位移平台41；第二回波接收箱44用于接收第二波长的目标回波；
第一回波接收箱43与第二回波接收箱44平行设置，且第一回波接收箱43的上端设置第一反射镜42；第一回波接收箱43用于接收第一波长的目标回波；
第三位移平台41设置有第二反射镜411，当目标回波为第二波长时，第三位移平台41移出第二回波接收箱44的上端，以使目标回波经由转镜组件2反射至第二回波接收箱44；当目标回波为第一波长时，第三位移平台41将第二反射镜411移至第二回波接收箱44的上端，以利用第二反射镜411将转镜组件2反射的目标回波，反射至第一反射镜42，再利用第一反射镜42将目标回波反射至第一回波接收箱43。
在本实施例中，如图3所示，当目标回波的波长为532nm时，第三位移平台41向右移动，将第二反射镜411移至图3所示的位置，以使目标回波经由转镜组件2反射至第二回波接收箱44；当目标回波的波长为1064nm时，第三位移平台41向左移动，将第二反射镜411移至图3中虚线所画位置，以利用第二反射镜411将转镜组件2反射的目标回波，反射至第一反射镜42，再利用第一反射镜42将目标回波反射至第一回波接收箱43。
参考图3，在一些实施方式中，第一回波接收箱43包括：第一聚焦透镜431、第一小孔光阑432、第一准直透镜433、第一波长的四分之一波片434、格兰激光偏振器435、光纤耦合透镜436和第一单光子探测器437；
第二回波接收箱44包括：第二聚焦透镜441、第二小孔光阑442、第二准直透镜443、第二波长的四分之一波片444、偏振片445和第二单光子探测器446。
在本实施例中，第一回波接收箱43中第一聚焦透镜431、第一准直透镜433组合，对目标回波光束进行缩束；缩束后的光束入射到1064nm四分之一波片434、格兰激光偏振器435，实现对1064nm目标回波偏振方向的调制，利用SNSPD光子探测器437，实现对1064nm目标回波在不同偏振态下的回波强度的探测。
第二回波接收箱44中第二聚焦透镜441、第二准直透镜443组合，使目标回波光束与探测器匹配；在第二聚焦透镜441焦点处设置第二小孔光阑442，减小接收视场，滤除与目标回波方向不同的噪声光。532nm接收端的第二单光子探测器446为HQE-SPAD探测器，采用单光子雪崩二极管作为光电接收器。
需要说明的是，本实施例提供了转镜组件2两种不同的运动方式。
方式一：如图1所示，为在第一目标位置a、第二目标位置b之间平移移动的运动方式，来实现收发状态的光路转换，可以理解，该第一种运动方式中的转镜组件2包括平移平台，用于带动镜片平移。
方式二：设置有通光槽的镜片在光路中围绕中心轴旋转，在发射状态时，通光槽旋转至第三目标位置(即正对光路)，通过通光槽的旋转，实现收发状态的光路转换。
下面对方式二的转镜组件2进行具体说明。
结合图2、图3和图4，在一些实施方式中，转镜组件2可以包括：圆形镜片、镜室、传动机构、电机、控制驱动装置和同步信号发生器；
镜片的边缘开设有通光槽，通光槽用于在发射状态时，使激光发射模块1发射的偏振光通过，直接发射至共用光路3；且在接收状态时，目标回波从共用光路3发射至镜片上，以利用镜片将目标回波反射至回波接收模块4；
镜室用于安装镜片，且镜室的中心处与传动机构连接；
传动机构的另一端与电机连接，电机与控制驱动装置电连接，控制驱动装置用于控制电机的旋转速度，以带动传动机构、镜室和镜片旋转；
同步信号发生器用于检测镜片的转动，当镜片转动至设定位置时，同步信号发生器产生脉冲信号至控制分系统，以控制激光发射模块1发射对应波长的偏振光，且通光槽转动至第三目标位置，以使偏振光穿过通光槽发射至共用光路3。
在本实施例中，转镜组件2是设置在光路中的，如图4所示，镜片的边缘开设有通光槽，当镜片旋转至设定位置时，同步信号发生器产生脉冲信号至控制分系统，以控制激光发射模块1发射对应波长的偏振光，且通光槽正好旋转至第三目标位置，偏振光可以穿过通光槽发射至共用光路3，利用通光槽的旋转实现转镜组件2对收发光路的切换。镜片由控制驱动装置控制转速，镜片的转速设定为10±1R/S，与双波长激光装置11中激光器的工作频率相近，最佳转速为10R/S，视回波到达时刻的不同略微增减转速，避免回波到达时刻与激光发射时刻重叠。
同步信号发生器由光电二极管、650nm激光器及附属电路组成。为了提高控制精度，选用响应时间小于50ns的高速光电二极管，这样主控信号前沿抖动小于10μs，并且采取滤波措施，防止寄生脉冲引起误发激光，以保证每次发射激光时偏振激光束准确地穿过镜片的通光槽。
另外，同步信号发生器产生脉冲信号的时间，可以用于记录偏振光的发射时间，以用于目标空间碎片的测距。
在一些实施方式中，还包括：偏振检测装置；
偏振检测装置用于检测激光发射模块1发射的偏振光的偏振态，以使控制分系统在接收到回波接收模块4探测的得到目标回波在不同偏振态下的回波强度后，根据激光发射模块1发射的偏振光的偏振态和目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别目标空间碎片的材质。
在本实施例中，利用偏振检测装置检测激光发射模块1发射的偏振光的偏振态，在每次检测完一次偏振光的偏振态之后，可以将偏振检测装置切出。
在本实施例中，可以通过如下公式识别目标空间碎片的材质：
Sout＝Mtarget·Sin
式中，Sout为目标回波在不同偏振态下的回波强度，Sin为发射的偏振光的偏振态，Mtarget为目标空间碎片的偏振特性。
通过对目标空间碎片的偏振特性Mtarget的计算，判断目标空间碎片的材质。
下面对识别目标空间碎片的材质的原理和方式进行说明。
当光从目标表面反射时，由于不同的入射角度、目标本身表面粗糙度及材料本身的特性，将导致光的偏振态发生改变，因此在反射过程中会把目标物体自身特性有关的特征信息携带出来。每个物体的反射光波都会有自己独有的偏振信息，而不同目标或同一目标的不同状态也会产生不同的偏振信息。通常目标的特征偏振包含着它的各种信息，而通过探测目标回波不同偏振态的回波强度就可以在一定程度上对目标特性作出判断。
激光发射模块1发射的不同偏振方向及偏振态的偏振光可以用Stokes矢量描述，Stokes矢量可以描述任意偏振态的偏振光，可利用偏振检测装置对激光发射模块1发射的每个偏振态的偏振光的四个参量进行测量。
单色平面波的Stokes矢量为：
Figure BDA0004154675420000121
其中，I代表辐射强度，Ex、Ey为振动平面上两个横向分量上的振幅大小，δ为两个横向振幅分量的相位差。
对于全偏振光，四个Stokes分量存在恒等关系：
I2＝Q2+U2+V2
其中，I代表辐射强度。
常用偏振态对应的Stokes矢量如下表1所示。
表1
偏振态 Stokes矢量 偏振态 Stokes矢量
水平线偏光 [1 1 0 0]T 左旋圆偏振 [1 0 0 -1]T
竖直线偏光 [1 -1 0 0]T 右旋圆偏振 [1 0 0 1]T
+45°线偏光 [1 0 1 0]T -45°线偏光 [1 0 -1 0]T
偏振光在传输过程中，由于受到外界的影响如：传输介质、界面的反射、散射、通过光学器件或系统等，原偏振光的偏振态会因此发生改变，从而导致原偏振光的偏振度降低，这一现象称为退偏现象。
目标回波的偏振特性用Mueller矩阵描述，表示散射介质对偏振态的偏振光(即Stokes矢量)的改变，即：
Sout＝Mtarget·Sin
其中，Mueller矩阵的形式如下：
Figure BDA0004154675420000122
式中，各Meuller矩阵分量描述的物理意义分别为：
M11：光波总强度在入射前后的变化，能直接体现散射粒子尺寸的总体信息；
M12：平行和垂直于散射平面的线性极化光的去极化率，取值与散射体的尺寸、形状、复折射率有关；
-M12/M11：散射体的线性极化程度；
M13：±45°线性极化光的去极化率；
M14：圆极化光的去极化率；
M21：描述±90°线性极化的入射光关于±90°线性极化的散射光的变化情况，M22偏离M11是揭示散射体是非球形的重要判据；
M44：描述±45°线性极化的入射光关于±45°线性极化的散射光的变化情况，M44偏离M33预示着散射体是非球对称的特征；
M34：描述圆极化的入射光关于±45°线性极化的散射光的变化情况，反映散射体的尺寸及复折射率。
了解Mueller各分量对于光偏振态的作用和包含的信息后，可以制作相应的光学器件来改变光的偏振态，有利于对统计的回波中的偏振信息进行分析。
在本实施例中，需要预先确定空间碎片可能存在的所有材质，并且通过模拟实验确定每种材质的Mueller矩阵。
例如：对于目标表面为朗伯体的情形，其Mueller矩阵可以表示为：
Figure BDA0004154675420000131
其中，ρ为目标的反射率，该目标的Mueller矩阵明显只保留入射波的I分量，故可称之为完全解偏目标。
对于完全保偏目标，其Mueller矩阵可以表示为：
Figure BDA0004154675420000132
油漆金属板的Mueller矩阵可以表示为：
Figure BDA0004154675420000141
那么，通过根据激光发射模块1发射的偏振光的偏振态和目标回波在不同偏振态下的回波强度，可以确定目标空间碎片的Mueller矩阵，进一步可以根据目标空间碎片的Mueller矩阵识别该目标空间碎片的材质。
如图5所示，本发明实施例还提供了一种基于本说明书任一实施例系统的空间碎片探测方法，方法包括：
步骤500，当转镜组件2移动至第一目标位置a时，控制分系统控制激光发射模块1发射对应波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；
步骤502，对应波长的双点高反射镜5将偏振光直接反射至共用光路3，以利用共用光路3将偏振光发射至目标空间碎片；
步骤504，利用共用光路3接收目标空间碎片反射的目标回波；其中，目标回波的波长与偏振光的波长相同；
步骤506，转镜组件2移动至第二目标位置b，以将共用光路3接收的目标回波反射至回波接收模块4；
步骤508，利用回波接收模块4对目标回波在不同偏振态下的回波强度进行探测，并将探测结果发送至控制分系统；
步骤510，控制分系统根据目标回波的接收时间和偏振光的发射时间确定目标空间碎片的距离，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别目标空间碎片的材质。
上述方法的内容，由于与本发明系统实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明系统实施例中的叙述，此处不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于探测空间碎片的激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射模块(1)、转镜组件(2)、共用光路(3)、回波接收模块(4)和控制分系统；
所述激光发射模块(1)，设置在所述转镜组件(2)的第一端，所述激光发射模块(1)用于发射第一波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光或第二波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；其中，所述第二波长小于所述第一波长；
所述转镜组件(2)，设置在所述激光发射模块(1)、所述回波接收模块(4)与所述共用光路(3)之间，所述转镜组件(2)用于在发射状态时，移动至第一目标位置(a)使所述激光发射模块(1)发射的偏振光直接发射至所述共用光路(3)，在接收状态时，所述转镜组件(2)移动至第二目标位置，以将所述共用光路(3)接收的目标回波反射至所述回波接收模块(4)，以实现收发状态转换的光路切换；
所述共用光路(3)，设置在所述转镜组件(2)的第二端，所述共用光路(3)用于在发射状态时，将所述偏振光发射至目标空间碎片，在接收状态时，接收所述目标空间碎片反射的目标回波；
所述回波接收模块(4)，设置在所述转镜组件(2)的第三端，所述回波接收模块(4)用于接收所述目标回波，并探测出所述目标回波在不同偏振态下的回波强度；
所述控制分系统分别与所述激光发射模块(1)、所述转镜组件(2)、所述共用光路(3)和所述回波接收模块(4)电连接，所述控制分系统用于控制所述激光发射模块(1)、所述转镜组件(2)、所述共用光路(3)和所述回波接收模块(4)的工作状态，并接收所述回波接收模块(4)探测的得到所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，以根据所述目标回波的接收时间和所述偏振光的发射时间确定所述目标空间碎片的距离，以及根据所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射模块(1)包括：双波长激光装置(11)和起偏组件(12)；所述双波长激光装置(11)用于根据所述控制分系统的指令发射对应波长的线偏振光；
所述双波长激光装置(11)包括第一激光器、第二激光器、反射组镜、倍频晶片，所述第一激光器和所述第二激光器并排设置，且所述第二激光器的出射端与所述双波长激光装置(11)的激光出射端处于同一直线；其中，所述第一激光器和所述第二激光器发射的线偏振光的波长均为第一波长；
所述反射组镜设置在所述第一激光器的出射端，用于将所述第一激光器发射的第一波长的线偏振光反射至所述双波长激光装置(11)的激光出射端；
所述倍频晶片设置在所述第二激光器的出射端，用于将所述第二激光器发射的第一波长的线偏振光转换成第二波长的线偏振光；
所述起偏组件(12)设置在所述双波长激光装置(11)的激光出射端，所述起偏组件(12)用于将所述第一波长或第二波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述起偏组件(12)包括：第一位移平台(121)、第一旋转波片组(122)和第二旋转波片组(123)；其中，所述第一旋转波片组(122)和第二旋转波片组(123)分别适用于第一波长和第二波长；所述第一旋转波片组(122)包括第一波长的四分之一波片和二分之一波片，所述第二旋转波片组(123)包括第二波长的四分之一波片和二分之一波片；
所述第一旋转波片组(122)和所述第二旋转波片组(123)设置在所述第一位移平台(121)上，通过所述第一位移平台(121)的移动，使所述双波长激光装置(11)发射的线偏振光穿过所述第一旋转波片组(122)或所述第二旋转波片组(123)；
所述第一位移平台(121)用于根据所述双波长激光装置(11)发射的线偏振光的波长移动，以使对应波长的旋转波片组移动至所述双波长激光装置(11)的激光出射方向上，以利用对应波长的旋转波片组将对应波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转镜组件(2)包括：圆形镜片、镜室、传动机构、电机、控制驱动装置和同步信号发生器；
所述镜片的边缘开设有通光槽，所述通光槽用于在发射状态时，使所述激光发射模块(1)发射的偏振光通过，直接发射至所述共用光路(3)；且在接收状态时，所述目标回波从所述共用光路(3)发射至所述镜片上，以利用所述镜片将所述目标回波反射至所述回波接收模块(4)；
所述镜室用于安装所述镜片，且所述镜室的中心处与所述传动机构连接；
所述传动机构的另一端与所述电机连接，所述电机与所述控制驱动装置电连接，所述控制驱动装置用于控制所述电机的旋转速度，以带动所述传动机构、所述镜室和所述镜片旋转；
所述同步信号发生器用于检测所述镜片的转动，当所述镜片转动至设定位置时，所述同步信号发生器产生脉冲信号至所述控制分系统，以控制所述激光发射模块(1)发射对应波长的偏振光，且所述通光槽转动至所述第三目标位置，以使所述偏振光穿过所述通光槽发射至所述共用光路(3)。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述共用光路(3)包括：调整光路(31)、分光镜(32)和望远镜(33)；
所述调整光路(31)设置在所述转镜组件(2)的第二端，用于在发射状态时，将所述激光发射模块(1)发射的偏振光扩束为准直光，在接收状态时，缩小所述目标回波的光束；
所述分光镜(32)为平面镜，设置在所述调整光路(31)的另一端，用于将扩束后的偏振光反射至所述望远镜(33)，以及将所述目标回波反射至所述调整光路(31)；
所述望远镜(33)设置在所述分光镜(32)的另一端，用于将扩束后的偏振光向所述目标空间碎片发射，以及接收所述目标空间碎片反射的所述目标回波。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调整光路(31)包括：第一负透镜(311)、第二负透镜(312)、第二位移平台(313)、正透镜(314)；
所述第一负透镜(311)和所述第二负透镜(312)的适用波长分别为第一波长和第二波长，所述第一负透镜(311)和第二负透镜(312)设置于所述第二位移平台(313)上，通过所述第二位移平台(313)的移动，使所述偏振光或所述目标回波穿过所述第一负透镜(31)或所述第二负透镜(312)；
所述正透镜(314)设置在所述分光镜(312)的一端。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回波接收模块(4)包括：第三位移平台(41)、第一反射镜(42)、第一回波接收箱(43)和第二回波接收箱(44)；
所述第二回波接收箱(44)设置于所述转镜组件(2)的第三端，且所述第二回波接收箱(44)的上端设置所述第三位移平台(41)；所述第二回波接收箱(44)用于接收所述第二波长的目标回波；
所述第一回波接收箱(43)与所述第二回波接收箱(44)平行设置，且所述第一回波接收箱(43)的上端设置所述第一反射镜(42)；所述第一回波接收箱(43)用于接收所述第一波长的目标回波；
所述第三位移平台(41)设置有第二反射镜(411)，当所述目标回波为第二波长时，所述第三位移平台(41)移出所述第二回波接收箱(44)的上端，以使所述目标回波经由所述转镜组件(2)反射至所述第二回波接收箱(44)；当所述目标回波为第一波长时，所述第三位移平台(41)将所述第二反射镜(411)移至所述第二回波接收箱(44)的上端，以利用所述第二反射镜(411)将所述转镜组件(2)反射的所述目标回波，反射至所述第一反射镜(42)，再利用所述第一反射镜(42)将所述目标回波反射至所述第一回波接收箱(43)。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一回波接收箱(43)包括：第一聚焦透镜(431)、第一小孔光阑(432)、第一准直透镜(433)、第一波长的四分之一波片(434)、格兰激光偏振器(435)、光纤耦合透镜(436)和第一单光子探测器(437)；
所述第二回波接收箱(44)包括：第二聚焦透镜(441)、第二小孔光阑(442)、第二准直透镜(443)、第二波长的四分之一波片(444)、偏振片(445)和第二单光子探测器(446)。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，还包括：偏振检测装置；
所述偏振检测装置用于检测所述激光发射模块(1)发射的所述偏振光的偏振态，以使所述控制分系统在接收到所述回波接收模块(4)探测的得到所述目标回波在不同偏振态下的回波强度后，根据所述激光发射模块(1)发射的所述偏振光的偏振态和所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述系统的空间碎片探测方法，其特征在于，包括：
当转镜组件(2)移动至第一目标位置(a)时，控制分系统控制激光发射模块(1)发射对应波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；
对应波长的双点高反射镜(5)将所述偏振光直接反射至共用光路(3)，以利用所述共用光路(3)将所述偏振光发射至目标空间碎片；
利用所述共用光路(3)接收所述目标空间碎片反射的目标回波；其中，所述目标回波的波长与所述偏振光的波长相同；
所述转镜组件(2)移动至第二目标位置(b)，以将所述共用光路(3)接收的目标回波反射至所述回波接收模块(4)；
利用所述回波接收模块(4)对所述目标回波在不同偏振态下的回波强度进行探测，并将所述探测结果发送至所述控制分系统；
所述控制分系统根据所述目标回波的接收时间和所述偏振光的发射时间确定所述目标空间碎片的距离，以及根据所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。
CN202310330114.1A 2023-03-30 2023-03-30 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法 Pending CN116184428A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310330114.1A CN116184428A (zh) 2023-03-30 2023-03-30 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310330114.1A CN116184428A (zh) 2023-03-30 2023-03-30 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116184428A true CN116184428A (zh) 2023-05-30

Family

ID=86450727

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310330114.1A Pending CN116184428A (zh) 2023-03-30 2023-03-30 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116184428A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109709572B (zh) 一种半共轴光路接收激光雷达系统
US20190113622A1 (en) Lidar system and method
CN210015229U (zh) 一种距离探测装置
US20230184905A1 (en) Optical system of laser radar, and laser radar system
CN109270515B (zh) 可变扫描区域同轴收发扫描激光雷达
CN110749893B (zh) 一种二维扫描激光雷达装置及电子设备
US20210341610A1 (en) Ranging device
US11762069B2 (en) Techniques for determining orientation of a target using light polarization
US11940571B2 (en) Performing speckle reduction using polarization
CN210142187U (zh) 一种距离探测装置
CN110658509A (zh) 基于一维衍射光学元件doe的激光雷达系统
CN113625295A (zh) 一种用于激光雷达的光学系统和激光雷达
WO2021168832A1 (zh) 一种激光探测系统及车辆
CN104977725A (zh) 用于光电吊舱的光学系统
CN113156401B (zh) 一种收发分置激光雷达光学系统
WO2020051088A1 (en) Polarization encoded beam delivery and collection
CN113391295B (zh) 一种激光雷达扫描系统和装置
WO2022088334A1 (zh) 相干激光雷达
CN113960570A (zh) 基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法
CN114779212A (zh) 激光雷达
US20230305117A1 (en) Detection apparatus, control method and control apparatus of detection apparatus, lidar system, and terminal
CN116184428A (zh) 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法
WO2022188687A1 (zh) 一种探测装置、探测器、激光雷达及终端设备
CN113296079B (zh) 一种远距离光电探测系统
CN213957612U (zh) 一种激光雷达收发共置光路系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination