CN117068404B - 空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间碎片探测定位驱离技术领域，具体涉及一种空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法。定位驱离系统包括光电搜索系统和激光探测定位驱离系统。本发明定位采用新型测轨技术，数字测距与模拟测角同时进行的技术，测量精度高，实时性强；驱离采用动态跟踪技术，通过对碎片外形的测量，选择最佳冲击角发射驱离激光，测量与驱离一气呼成，驱离效果好，可用于碎片测轨，也可用于碎片驱离。

Description

空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法

技术领域

本发明属于空间碎片探测定位驱离技术领域，具体涉及一种空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法，可对厘米级碎片探测定位驱离。

背景技术

目前，宇宙中大大小小的碎片和颗粒不计其数，严重威胁卫星的安全，一旦哪块碎片与卫星相撞，后果不堪想象。然后，碎片有大有小，小的如沙粒，探测与清理这些碎片无异于大海捞针。尽管人们提出了许多种清理碎片的方案，但实施过程或多或少存在局限性与不足。

清理碎片的前提是对碎片探测与定位，目前，探测碎片常用雷达探测与视觉图像探测两种方法。由于大气传输抖动、电离层闪烁、天文折射误差和大气衰减限制的影响，雷达只能在较低的频段工作，这将限制地基雷达的探测精度。视觉图像定位精度比雷达高，但只能在傍晚天黑以后，碎片上阳光没被地球遮挡的情况下，才能探测，一天中能探测时段很短，且视觉对小碎片的探测无能为力，即视觉探测的距离受碎片反射截面积的影响。

探测到碎片后，需要对碎片精确定位，才能实施遥控清理。有的碎片过于细小，精确定位非常困难。采用视觉方法定位，如果碎片小，就探测不到；碎片大，需要进行图像处理，采用质心定位，存在较大的时延。由于碎片在运动，想要实施清理，就要精确跟踪碎片。现有的光电跟踪系统，最好的跟踪精度为几十微弧，在百千公里距离上的线性位移高达几十米，连定位都困难，别说清理了。目前，对细小碎片的探测定位几乎没有一种射频和被动光学技术能胜任，特别对于小于厘米量级的碎片，探测定位清理都存在极大挑战，人们正在努力开发新的碎片清理技术和方法。

依靠专业清理卫星用机械手捕获碎片，或者发射捕获网兜住碎片，对清理大的碎片有效，对小碎片，经济代价高，清理效率低。碎片分布在不同的轨道上，专业清理卫星为了清理，不得不频频变轨，二次推进系统的动力资源会很快耗尽，只能作为如空间站这样高价值航天器的卫兵，而用于清理大量的小碎片必须另另辟蹊径。测量与清理大量小碎片还需考虑成本效益。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种空间碎片激光智能定位驱离系统及智能定位驱离方法，本发明有别于雷达与视觉技术、昼夜都能探测、可精确对厘米级空间碎片定位及清理。

本发明是这样实现的，本发明首先提供一种空间碎片激光智能定位驱离系统，包括光电搜索系统和激光探测定位驱离系统，激光探测定位驱离系统包括第一激光发射器、激光接收器、控制器、惯性测量组件、光波指向操控器、第二激光发射器、共轴光学系统、第一分光器、第二分光器、接收目镜、F-P滤光器、滤光片和光谱分析仪，光电搜索系统与控制器连接；

在第一激光发射器的激光发射方向上顺次设置第一分光器、第二分光器，光波指向操控器设置在第二分光器反射光的路径上，共轴光学系统设置在光波指向操控器反射光的路径上，激光接收器设置在第一分光器反射光的路径上，在第一分光器与激光接收器之间，按照距离第一分光器越来越远的顺序依次设置光谱分析仪、接收目镜、F-P滤光器、滤光片，惯性测量组件设置在光波指向操控器远离共轴光学系统的一侧，第二激光发射器设置在第二分光器远离光波指向操控器的一侧，控制器分别与第一激光发射器、激光接收器、惯性测量组件、光波指向操控器、第二激光发射器连接。

优选的，所述激光接收器包括多象限光电探测器、放大电路组和模数转换器；多象限光电探测器接收所述第一分光器的反射光，放大电路组包括多个放大电路，多象限光电探测器的每个象限分别连接一个放大电路，每个放大电路均与模数转换器连接。

本发明还提供一种空间碎片激光智能定位驱离方法，基于上述的空间碎片激光智能定位驱离系统，具体包括如下步骤：

1）根据TLE目录或者预设的空域，利用所述光电搜索系统搜索特定空域的潜在空间碎片；

2）搜索到潜在空间碎片后，将潜在空间碎片空域位置传输给所述激光探测定位驱离系统；

3）激光探测定位驱离系统根据收到的潜在空间碎片空域位置，进行扫描测量，直至确定空间碎片的精确位置，得到精确位置后，缩小扫描范围；

4）激光探测定位驱离系统根据空间碎片精确位置，选取最佳冲击角发射驱离激光波，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止；

5）所述惯性测量组件在整个过程中实时测定激光探测定位驱离系统的航向与姿态，并传递给所述控制器。

优选的，步骤3）包括如下步骤：

301）所述控制器接收到所述光电搜索系统发送的潜在空间碎片空域位置后，控制所述第一激光发射器发射高重频测量激光波，高重频测量激光波经过所述第一分光器，进入第二分光器，经第二分光器折射至所述光波指向操控器，所述光波指向操控器调整测量激光波的方向，再经过所述共轴光学系统进行扩束，最终发射向潜在空间碎片空域位置进行测量；

302）通过潜在空间碎片空域位置反射回来的回波信号再反向依次经过共轴光学系统、光波指向操控器、第二分光器、第一分光器后，再经过所述光谱分析仪分析回波信号以判断碎片材质，经过所述接收目镜调节焦距，经过所述F-P滤光器、所述滤光片进行滤光，然后进入所述激光接收器进行处理，激光接收器将回波信号转换成电信号，发送给控制器，控制器根据回波信号的电信号计算出空间碎片的距离值、飞行轨道并获得空间碎片的动态剖面特征图库；

所述步骤4）包括如下步骤：

401）控制器根据空间碎片距离值、飞行轨道和动态剖面特征图库，设定所述第二激光发射器的参数，控制第二激光发射器发射驱离激光波；

402）驱离激光波经过第二分光器、光波指向操控器、共轴光学系统，以最佳冲击角向空间碎片精确位置发射，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止。

进一步优选，步骤302）中，空间碎片距离值的计算方法为：

在所述控制器中设置最大测距范围，所述第一激光发射器每发射一个测量激光波的脉冲信号，通过所述激光接收器得到最大测距范围内的多象限单帧信号，控制器利用如下测距方法一或测距方法二处理多象限单帧信号以得到空间碎片距离值：

测距方法一：首先对多象限单帧信号，按象限在时域里进行累积运算，产生多象限单帧和信号；再对多象限单帧和信号进行滤波运算，得到滤波多象限单帧和信号；从滤波多象限单帧和信号中鉴别得到目标空间碎片信号，由目标空间碎片信号计算测量激光波往返目标空间碎片的时间，由往返时间计算目标空间碎片的距离值；

测距方法二：参照测距方法一得到滤波多象限单帧和信号；对靠近的两个测距周期或多个测距周期的滤波多象限单帧和信号进行互相关运算，得到滤波多象限多帧和信号；从滤波多象限多帧和信号中鉴别得到目标空间碎片信号，运算后得到测量激光波往返目标空间碎片的时间，由往返时间计算目标空间碎片距离值。

进一步优选，步骤302）中，目标空间碎片飞行轨道的计算方法包括如下步骤：

根据目标空间碎片距离值，所述控制器调用所述接收目镜变焦移动距离值，控制接收目镜变焦；

对所述激光接收器得到的多象限单帧信号，运用代数或积分方法，求解光斑的能量中心，即质心，获得质心坐标值，质心坐标值用笛卡尔坐标中的偏移量或极坐标形式表达；

坐标原点设置在接收光轴的轴上，对同一时间测量的目标空间碎片距离值与质心坐标值进行组合，得到目标的三维坐标值；

由相邻帧质心的坐标值时间顺序，得到目标空间碎片的移动方向，由多个连续的质心坐标值，求得质心的移动轨迹，即目标空间碎片的飞行轨迹，再将飞行轨迹的坐标通过所述惯性测量组件转化成地球坐标，形成目标空间碎片飞行轨道。

进一步优选，步骤302）中，目标空间碎片的动态剖面特征图库的获得方法包括如下步骤：

所述光波指向操控器对着可能存在空间碎片的一定空域范围，按照设定的方式进行扫描；

在扫描过程中，光波指向操控器（15）中的两维精密角度测量传感器不断测量光波指向操控器（15）的扫描位置，所述第一激光发射器（11）与光波指向操控器（15）的扫描位置一一对应发射激光波，进行目标空间碎片距离值、角度值与质心的连续测量，并把每帧目标空间碎片多象限单帧信号进行存储；

所述控制器根据判定阈值，对每帧目标空间碎片多象限单帧信号进行鉴别，得到串目标空间碎片多象限单帧信号，由串目标空间碎片多象限单帧信号的脉冲数量和脉冲周期，结合目标空间碎片距离值和角度值，通通过Radon变换与反变换或hough变换与反变换，对空间碎片进行层析成像，得到空间碎片外形宽度和轮廓；

由串目标空间碎片多象限单帧信号不同扫描方向上的外形宽度及变化规律，结合目标空间碎片外形宽度和轮廓，得到目标空间碎片飞行状态；

由不同扫描方向得到多组串目标空间碎片外形宽度和轮廓，由多组动态的串目标空间碎片外形宽度和轮廓解得目标空间碎片的旋转周期和旋转轴坐标，时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度；由空间碎片的位置坐标、外形宽度和时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度，组合成目标空间碎片动态剖面特征图库。

进一步优选，步骤402）中，最佳冲击角的确定方法为：

定义与测量激光波传输方向近似垂直的平面为正面，与测量激光波传输方向近似平行的平面为侧面，测量的串目标空间碎片多象限单帧信号最大宽度和幅度的目标空间碎片反射面定为正面；

由测量的空间碎片动态剖面特征图库中的图形，通过空间碎片面形变化规律，判断空间碎片旋转轴位置状态与方向：如果空间碎片面形宽度和信号幅度由小变大，或由大变小，则判定旋转轴处于垂直于测量激光波传输方向的平面内；

如果空间碎片面形宽度和信号幅度基本不变，则判定旋转轴与激光传输方向平行；

如果测量的串目标空间碎片面形宽度与信号幅度都变化，则根据剖面特征图，反演出空间碎片旋转轴的位置状态与方向；

碎片旋转轴相对在所述激光探测定位驱离系统参考点的位置，由碎片的空间三维坐标确定，串目标空间碎片多象限单帧信号宽度和幅度由大变小，再由小变大的时间，则为碎片的旋转周期，按照驱离激光最佳冲击角，由目标空间碎片动态剖面特征图库中的图形计算最佳冲击面。

进一步优选，所述第二激光发射器的驱离激光发射方法为：

首先分析目标空间碎片动态剖面特征图库中的图形，确定最佳冲击角的最佳冲击面；

根据目标空间碎片飞行速度与轨迹，确定扫描空域范围；

控制所述光波指向操控器操控测量激光波，在确定的扫描空域循环扫描，扫描的同时，进行距离测量与目标空间碎片外形测量；

所述控制器根据空间碎片距离值、飞行轨道和动态剖面特征图库，设定第二激光发射器的输出功率、束散角和工作频率参数；

判断碎片状态是不是达到设定的最佳冲击角，一旦碎片状态满足预定要求，立即发射驱离激光波，如果不满足，回到扫描测量步骤，进入下一扫描周期，继续扫描与测量；

目标空间碎片多次到达最佳冲击角，多次发射了驱离激光波后，判断是否满足设定的发射周期或时间，如果满足，结束驱离激光波发射，如果不满足，继续驱离激光波，循环往复，直至满足；

光波指向操控器按每次发射一次驱离激光波，移动一个与目标空间碎片飞行速度和方向相对应的增量进行扫描，扫描周期的长短，由目标空间碎片飞行速度确定；扫描方式为左右与上下扫描，或非正交扫描方式，根据目标空间碎片旋转情况，调整扫描方式。

进一步优选，步骤302）中，所述接收目镜调节焦距的方法为：根据光斑质心测量精度要求，计算目标空间碎片距离值与光斑直径对应视场的关系，根据光斑直径对应视场计算接收目镜变焦的移动距离，将目标空间碎片距离与接收目镜变焦移动距离值一一对应，按表格形式存储在所述控制器中；

所述光波指向操控器的误差校正方法为：先将光波指向操控器的原始指向调成与光轴一致或调节成一个固定偏差，将固定偏差存在所述控制器中；使用过程中定时将光波指向操控器的偏转角度值与光斑质心坐标值进行比较，两者应该一一对应；如果两者存在差值，将偏差存储下来，在计算目标轨迹时予以修正。

本发明较之传统空间碎片激光驱离系统，具有如下四大明显优势：

（1）传统碎片探测系统采用光电跟踪器跟踪空间碎片，是一种连续闭环跟踪方法，跟踪环路存在惯性，难以保持跟踪的平稳性，因而影响跟踪精度。本发明采用动态跟踪法，不追求视线连续稳定跟踪目标，而是控制视线总是趋向目标，追求视线与目标在一定时间内接触的次数。只要具有足够的接触次数，就有机会对目标精确定位，并有效实施对目标的激光冲击。

（2）传统碎片探测系统采用视觉系统测量对空间碎片定位，是一种两维定位，即使增加激光测距仪实现三维定位，测角与测距测距分别进行，难免存在不同步的情况，定位精度存疑。且测量精度受限于视觉传感器的分辨率，距离越远，精度越差。本发明的空间碎片定位方法，采用激光测距测角同时进行的方法，直接测量空间碎片的三维坐标，能够避免系统不同步引起的误差，对碎片的定位更精确。

（3）传统碎片探测系统采用视觉系统测量碎片外形，探测的外形轮廓受目标反射率、反射光强度、背景光强弱影响，进光量大，形状增大，进光量小，形状缩小。本发明的空间碎片测量方法，采用激光脉冲测量空间碎片外形，是一种数字式测量方法，光的强弱不影响测量外形的准确性。而对碎片位置的测量，采用测距测角组合方法，是一种三维测量方法，测量精度高，测量实时性强，有利于对碎片轨道的测量。

（4）传统碎片激光冲击系统采用光电跟追踪器跟踪目标，然后实施冲击，由于跟踪系统响应带宽的制约，存在脱靶的可能。本发明的空间碎片激光驱离方法，探测到目标即发射驱离激光，没有响应带宽问题，也就不存在脱靶风险。另一优势，激光可对空间碎片进行轮廓测量，可测量碎片的旋转状态，如旋转速度、旋转轴、旋转周期、旋转方向，根据旋转状态，可确定驱离激光发射的最佳冲击时机与最佳冲击角度，可实现智能激光冲击，冲击效果可提高10%至30%。

除上述与传统碎片定位技术比较的四大优势外，还存在以下有益效果：

（5）本发明采用探测定位与驱离激光发射一体化共轴方案，系统体积小，重量轻，控制机构简单，系统误差小，为探测定位驱离精度提供了硬件保证。

（6）本发明采用多象限模拟激光质心测量方法，以及多脉冲目标距离相关测量方法，测量延时小，定位精度高，探测灵敏度高。因而可以对小至厘米量级的空间碎片进行探测与定位。

（7）本发明采用质心坐标与惯性测量组件双重确定系统精度的方法，排除了系统长期运转产生的误差，确保了对碎片的探测定位精度。

（8）本发明对空间碎片测量，质心测量采用模拟方法，以提高精度；碎片外形测量采用数字方法，以消除视觉测量方法的边缘不确定性。

（9）本发明采用距离测量和质心测量结合的方法，可直接对碎片进行精确三维定位，多点三维定位坐标，可计算碎片飞行轨迹，根据飞行轨迹可以计算空间碎片的轨道。因此，本发明的空间碎片激光探测定位驱离系统，可作为空间碎片编目测量的系统。

附图说明

图1为本发明的激光智能定位驱离系统的组成框图；

图2 为本发明的激光智能定位驱离系统激光接收器的组成框图；

图3为本发明的激光探测定位驱离系统激光接收光学系统示意图；

图4为本发明的激光智能定位驱离方法的一个扫描流程的目标串信号图。

具体实施方式

为使本发明的目的、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。此处描述的实施例仅仅是为了解释本发明，而不是限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域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。

以下实施例中所述的“目标”包含了“碎片”、“空间碎片”的意思，“目标”含义更广泛，叙述空间碎片特性时候用“碎片”、“空间碎片”，泛指时用“目标”。

本发明的空间碎片激光智能定位驱离系统类似于一种包含驱离激光发射器的激光雷达，它通过激光扫描，获取空间碎片的位置坐标。传统的激光雷达采集目标的点云数据，点云数据是一种离散量，可以对目标轮廓测量。但由于采集的数据不连续，若要对目标精确定位，特别是远距离定位，就比较困难。本发明的激光智能定位驱离系统虽然也发射离散的脉冲激光，但它测量目标位置依据的是反射光强度，强度是一种连续数据。它的测量精度取决于探测器的灵敏度和反射光的强度，只要探测器灵敏度足够高，或反射光足够强，就能获得很好的定位精度。定位精度的提高，也是测轨精度的提高。

虽然，激光波方向性好，空间分辨率高，但对远距离的空间碎片测量，目标处的光斑尺寸还是远远大于碎片外形尺度。如依据光斑的空间尺度测量碎片的位置，还是存在精度不足的问题。本发明只应用激光波对空间碎片进行粗定位，再根据碎片在光束中的反射光强度，采用质心测量方法，对碎片位置进行精确测量。因此，本发明既具有激光测量目标距离远的特点，又具有对目标定位精度高的特点。这是一种特别针对空间碎片设计的新方法。

本发明的激光驱离空间碎片的方法也与传统激光驱离方法不同。传统激光驱离方法采用ATP系统，先捕获目标，再跟踪目标，并维持跟踪状态，然后发射驱离空间碎片的激光。已知现有光电跟踪系统最高的跟踪精度为十几微弧，而一厘米大小碎片对应的角度是几个微弧，小于光电跟踪系统的跟踪精度，理论上就处于脱靶状态，即使跟踪上了，维持稳定跟踪状态也很难。若采用两套跟踪系统，一套粗跟踪系统，一套细跟踪系统，仍然无法突破光电跟踪系统跟踪精度的技术瓶颈。本发明的激光智能定位驱离系统，不采用光电跟踪系统跟踪目标，而是采用扫描系统探测目标，避开了需要始终稳定跟踪目标的问题。扫描系统对目标范围略大的区域进行密集激光波扫描，一旦光束接触到目标，反射光立即被激光接收器接收到，经短暂时间的信号传输，立即控制驱离激光波发射。由于测量激光波与驱离激光波同轴，从接收到测量激光到发射驱离激光的时延又很小，驱离激光波几乎与探测到目标的测量激光波同时，且沿着测量激光波原路击中目标。这就避开了需要高精度跟踪系统的问题，简化了跟踪机构，也简化了跟踪方法。传统光电跟踪器是一种补差跟踪法，被动跟踪法，跟踪视线永远落在目标后面；本发明的扫描方法是一种动态跟踪法，具有激光冲击的实时性和精确性，因而是一种智能化的定位驱离系统。

实施例1

图1为一种本发明的激光智能定位驱离系统的组成框图，由光电搜索系统（图中未示出）和激光探测定位驱离系统1组成。光电搜索系统用于开始探测时，对需要清理碎片的空域进行概略瞄准，确定探测区域的边界，或者确定探测的起点，或者搜索可疑碎片。明确探测区域、或者探测边界、或者碎片粗略位置，精确定位交给激光探测定位驱离系统1完成。

激光探测定位驱离系统1包括第一激光发射器11、激光接收器12、控制器13、惯性测量组件14、光波指向操控器15、第二激光发射器17、共轴光学系统16、第一分光器18、第二分光器19、接收目镜20、F-P滤光器21、滤光片22和光谱分析仪23；

所述的第一激光发射器11配置为发射高重频的测量激光波，用于对空间碎片的距离、外形与位置探测；

所述的激光接收器12配置为接收空间碎片反射的第一激光发射器11发射的回波光束；

所述的控制器13配置为根据用户输入命令，控制光波指向操控器15偏转光束；对第一激光发射器11发射的光束编码；接收激光接收器12送来的测量信号，并计算出碎片距离值、碎片位置、碎片的外形尺寸、碎片飞行状态，计算碎片飞行轨道；采集并记录惯性测量组件的方向与位置值；根据测量的碎片静态与动态参数，设定第二激光发射器17发射参数，并控制第二激光发射器17发射驱离激光波；控制接收目镜20变焦；接收光电搜索系统输出的空间碎片空域范围参数，必要时，控制光电搜索系统调整搜索范围；整理并输出空间碎片轨道参数；

所述的光波指向操控器15包括两维精密角度测量传感器，配置为对第一激光发射器11发射的探测光束、第二激光发射器17发射的驱离光束和目标反射的回波光束进行方向控制与局部区域扫描；

所述的惯性测量组件14配置为实时测定激光探测定位驱离系统1的航向与姿态；

所述的第二激光发射器17配置为发射驱离空间碎片的激光波；

所述的共轴光学系统16配置为第一激光发射器11、第二激光发射器12的发射天线与激光接收器的会聚天线；

所述的第一分光器18配置为对发射与接收的测量激光波进行分光；

所述的第二分光器19配置为测量激光波和驱离激光波进行分光；

所述的接收目镜20配置为用此接收目镜20调节光接收系统焦距，以形成合适的接收视场；

所述的F-P滤光器21配置为透过目标回波信号，阻止杂散光进入；

所述的滤光片22配置为透过目标回波信号，阻止杂散光进入；

所述的光谱分析仪23配置为测量碎片气化后的反射光束，用以判断碎片材质；

优选地，第一激光发射器11与第二激光发射器17的工作波长不相同，譬如前者为波长1550nm，后者波长为1064nm。

优选地，第二分光器19为波长分光器，第一分光器18为空间分光。

优选地，滤光片22阻止第二激光发射器17的光束透过。

光电搜索系统和激光探测定位驱离系统1可以刚性连接安装，也可以分体安装，两者在光轴指向上在同一坐标系中相关联；

通常空间碎片激光智能定位驱离系统安装在卫星上，用于空间对碎片的探测定位。这时可以不装第二激光发射器17，以减轻卫星载荷重量。

如果空间碎片激光智能定位驱离系统安装在地面，可以增加卫星定位系统，以便对碎片进行探测定位编目。

图2 为本发明的空间碎片激光智能定位驱离系统的激光接收器12的组成框图，在图2中，激光接收器12包括多象限光电探测器26、放大电路组27和模数转换器28；

优选地，多象限光电探测器26配置为探测空间碎片反射的测量激光信号，每个探测象限输出信号分别与各自的放大电路连接；多象限光电探测器26的象限数≥2个，优选地为4个或9个，或16个，或更多个，取决于被探测碎片的距离；

优选地，放大电路组27由2个或多个放大电路组成，配置为对多象限光电探测器26输出的弱信号进行放大，每个放大电路分别与多象限探测器26的一个象限连接；

优选地，模数转换器28为多路模数转换电路，配置为将放大电路多路输出信号进行数字量化，数字化后的信号送控制器。

所述的激光探测定位驱离系统1的搜索、探测、定位、驱离碎片的方法如下：

实施例2

本发明的空间碎片激光智能定位驱离系统搜索探测定位驱离流程具体包括：

步骤31，根据TLE目录，或者预设的特定空域，用光电搜索系统搜索特定空域及潜在碎片；

步骤32，搜索到潜在碎片后，将碎片空域位置传输给激光探测定位驱离系统1中；

步骤33，激光探测定位驱离系统1根据收到的碎片空域位置，进行扫描测量，直至确定空间碎片精确空间位置；

步骤34，得到精确位置后，缩小扫描范围；

步骤35，根据空间碎片精确位置，发射驱离激光波；

步骤36，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止。

实施例3

本发明的激光探测定位驱离系统测距流程具体包括：

首先控制器13设置最大测距范围，定义最大测距范围内采集的目标空间碎片回波信号为一帧信号，一个象限一个测距周期内采集的目标空间碎片回波信号为单象限单帧信号，一个象限不同测距周期采集的目标空间碎片回波信号为单象限多帧信号，同一测距周期分别采集的多个象限的目标空间碎片回波信号为多象限单帧信号，不同测距周期采集的多个象限的目标空间碎片回波信号为多象限多帧信号。每发射一个激光脉冲信号，得到最大测距范围内每个象限一帧数字象限信号。

测距方法一：

步骤41：首先对包含一个或多个象限信号的单帧数字象限信号，按象限在时域里进行累积运算，产生多象限单帧和信号；

步骤42：再对多象限单帧和信号进行滤波运算，得到滤波多象限单帧和信号；

步骤43：从滤波多象限单帧和信号，鉴别得到目标信号；

步骤44：由目标信号计算测量光束往返目标的时间；

步骤45：由往返时间计算目标距离值。

测距方法二：

步骤41：首先对包含一个或多个象限信号的单帧数字象限信号，按象限在时域里进行累积运算，产生象限和信号；

步骤42：再对象限和信号进行滤波运算，得到滤波多象限单帧和信号；

步骤46：对靠近的两个测距周期或多个测距周期的滤波多象限单帧和信号进行互相关运算，得到滤波多象限多帧和信号；

步骤47：从滤波多象限多帧和信号，鉴别得到目标信号；

步骤48：运算后得到测量光束往返目标的时间；

步骤49：由往返时间计算目标距离值。

当激光探测定位驱离系统1搜索目标时，如果空间碎片距离较远，可以采用测距方法二进行测距。

实施例4

为了实现空间碎片的高精度质心测量，需要对激光接收器会聚天线的视场进行调节。所述的激光探测定位驱离系统1的接收目镜的调焦方法为：根据光斑质心测量精度要求，计算目标距离值与光斑直径对应视场的关系，根据光斑直径对应视场计算接收目镜变焦的移动距离，将目标距离与接收目镜变焦移动距离值一一对应，按表格形式存储在控制器13的存储器中。需要变焦时，再根据距离值调用变焦移动距离值。

实施例5

本发明的激光探测定位驱离系统的飞行轨道测量方法流程具体包括：

步骤51：根据目标距离值，控制器13调用接收目镜20变焦移动距离值，控制接收目镜20变焦；

步骤52：对数字象限信号幅值，运用代数方法，或积分方法，求解光斑的能量中心，即质心，获得质心坐标值；质心坐标值可以用笛卡尔坐标系中的偏移量表达，也可以按极坐标形式表达；坐标原点设置在接收光轴的轴上；

步骤53：对同一时间测量的目标距离值与质心坐标值进行组合，得到目标的三维坐标值；

步骤54：由相邻帧质心的坐标值时间顺序，可得到目标的移动方向；

步骤55：由多个连续的质心坐标值，求得质心的移动轨迹，即目标的飞行轨迹；

步骤56：再将飞行轨迹的坐标通过惯性测量组件转化成地球坐标，形成空间碎片轨道。

质心坐标计算一种实施例，偏移量计算公式如下：

(1)

（2）

式中：x和y表示光斑质心相对光轴中心的偏移距离,Ｖ1、Ｖ2、Ｖ3、Ｖ4为四象限探测器各象限输出的光电流信号转换成的电压信号，ｋ是一个可调节系数。

图3中（a）、（b）、（c）为本发明的激光探测定位驱离系统激光接收光学系统示意图，质心坐标计算的另一种实施例中，偏移角度计算公式如下：

（3）

（4）

式中：ε_x和ε_y表示光斑29、质心30相对光轴中心的偏移角度，d表示探测面24离接收口径的距离，f为接收光学系统焦距；焦面25为接收光学系统焦点所在的面。

实施例6

所述的激光探测定位驱离系统1的光波指向操控器15误差校正方法为：事先将光波指向操控器15的原始指向调成与光轴一致，或调节成一个固定偏差，将固定偏差存在控制器的存储器中；使用过程定时将光波指向操控器15的偏转角度值与光斑质心坐标值进行比较，两者应该一一对应；如果两者存在差值，将这偏差存储下来，在计算目标轨迹时予以修正。

实施例7

本发明激光探测定位驱离系统的碎片动态剖面特征图库获得流程包括如下步骤：

步骤61：光束指向操控器对着可能存在空间碎片的一定空域范围，按照设定的方式，譬如使用但不限于米字、田字、螺旋式进行扫描；

步骤62：一边扫描，一边根据扫描位置同步发射测量光束，进行距离与质心的连续测量，并把每帧目标信号存下来；

步骤63：根据判定阈值，对每帧目标信号进行鉴别，得到串目标信号；

步骤64：由串目标空间碎片信号的脉冲数量和脉冲周期，结合目标空间碎片距离值和角度值，通过Radon变换与反变换或hough变换与反变换，对空间碎片进行层析成像，得到空间碎片外形宽度和轮廓；

步骤65：由不同扫描方向得到多组串目标空间碎片外形宽度和轮廓，由多组动态的串目标空间碎片外形宽度和轮廓解得目标空间碎片的旋转周期和旋转轴坐标，时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度；

步骤66：由空间碎片的位置坐标、外形宽度和时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度，组合成目标空间碎片动态剖面特征图库。

图4为本发明的激光探测定位驱离系统一个扫描流程的目标串信号图，在图4中，随着时间的推进，测量激光波从目标外围开始扫描，一开始没扫到目标时，激光接收器接收到的信号是噪声杂波，幅度比较小；光束接近目标时，信号幅度逐步增加，直至光束完全覆盖目标，信号幅度基本不变；随着光斑逐步离开目标，信号幅度逐步减小，直至完全脱离目标，信号幅度又恢复开始扫描的状态，只有噪声杂波，幅度较小。如果目标旋滚，反射面积变化，串信号的宽度和幅度随之变化。由串信号的宽度和幅度可判断目标的宽度W和运动状态。

空间碎片速度v为：

(1)

式中 为第k个质心的角度； />为第k+i个质心的角度；/>为第k至k+i激光发射脉冲数量；t为激光发射周期；R为空间碎片距离。

空间碎片宽度W为：

(2)

式中 为激光发射总脉冲数； t为激光发射周期。

定义与激光波传输方向近似垂直的平面为正面，与激光波传输方向近似平行的平面为侧面；测量的串目标信号最大宽度和幅度的目标反射面定为正面；扫描时串目标信号宽度和幅度由小变大，或由大变小，则判定旋转轴处于垂直于激光传输方向的平面内；扫描时串目标信号宽度和幅度基本不变，则判定旋转轴与激光传输方向平行；如果测量的串目标信号宽度与幅度都变化，则根据目标信号宽度和幅度、宽度上升沿下降沿，判断旋转轴的位置；碎片旋转轴相对在激光探测定位驱离系统1参考点的位置，由碎片的空间三维坐标确定；串信号宽度和幅度由大变小，再由小变大的时间，则为碎片的旋转周期；按照驱离激光最佳冲击角（120°至145°），由目标的数字状态图计算最佳冲击角的最佳冲击面。

实施例8

本发明激光探测定位驱离系统的驱离激光发射流程具体包括：

步骤71：首先分析目标空间碎片动态剖面特征图，确定最佳冲击角的最佳冲击面；

步骤72：根据目标飞行速度与轨迹，确定扫描空域范围；

步骤73：控制光束指向操控器15操控测量激光束，在确定的扫描空域循环扫描；

步骤74：扫描的同时，进行距离测量与碎片外形测量；

步骤75：根据空间碎片距离值与空间碎片外形尺寸，设定所述第二激光发射器17输出功率、束散角和工作频率参数；

步骤76：判断碎片状态是不是达到设定的最佳冲击角；

步骤77：一旦碎片状态达到最佳冲击角，立即发射驱离激光束；如果不满足，回到步骤74，进入下一扫描周期，继续扫描与测量；

步骤78：目标多次到达最佳运动状态，多次发射了驱离激光后，判断是否满足设定的发射周期或时间，如果满足，结束扫描与激光发射；如果不满足，回到步骤73，循环往复；

步骤79：直至满足，结束发射。

光波指向操控器15按每次发射一次驱离激光，移动一个与目标飞行速度和方向相对应的增量进行扫描；扫描周期的长短，由目标飞行速度确定；基本的扫描方式为左右与上下扫描，或非正交扫描方式，根据碎片旋转情况，可以调整扫描方式，调整到尽可能与碎片旋转轴垂直的方向扫描。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于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：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，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范围。

Claims (9)

1.空间碎片激光智能定位驱离系统，其特征在于，包括光电搜索系统和激光探测定位驱离系统（1），激光探测定位驱离系统（1）包括第一激光发射器（11）、激光接收器（12）、控制器（13）、惯性测量组件（14）、光波指向操控器（15）、第二激光发射器（17）、共轴光学系统（16）、第一分光器（18）、第二分光器（19）、接收目镜（20）、F-P滤光器（21）、滤光片（22）和光谱分析仪（23），光电搜索系统与控制器（13）连接；

在第一激光发射器（11）的激光发射方向上顺次设置第一分光器（18）、第二分光器（19），光波指向操控器（15）设置在第二分光器（19）反射光的路径上，共轴光学系统（16）设置在光波指向操控器（15）反射光的路径上，激光接收器（12）设置在第一分光器（18）反射光的路径上，在第一分光器（18）与激光接收器（12）之间，按照距离第一分光器（18）越来越远的顺序依次设置光谱分析仪（23）、接收目镜（20）、F-P滤光器（21）、滤光片（22），惯性测量组件（14）设置在光波指向操控器（15）远离共轴光学系统（16）的一侧，第二激光发射器（17）设置在第二分光器（19）远离光波指向操控器（15）的一侧，控制器（13）分别与第一激光发射器（11）、激光接收器（12）、惯性测量组件（14）、光波指向操控器（15）、第二激光发射器（17）连接；

所述激光接收器（12）包括多象限光电探测器（26）、放大电路组（27）和模数转换器（28）；多象限光电探测器（26）接收所述第一分光器（18）的反射光，放大电路组（27）包括多个放大电路，多象限光电探测器（26）的每个象限分别连接一个放大电路，每个放大电路均与模数转换器（28）连接。

2.空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，基于权利要求1所述的空间碎片激光智能定位驱离系统，具体包括如下步骤：

1）根据TLE目录或者预设的空域，利用所述光电搜索系统搜索特定空域的潜在空间碎片；

2）搜索到潜在空间碎片后，将潜在空间碎片空域位置传输给所述激光探测定位驱离系统（1）；

3）激光探测定位驱离系统（1）根据收到的潜在空间碎片空域位置，进行扫描测量，直至确定空间碎片的精确位置，得到精确位置后，缩小扫描范围；

4）激光探测定位驱离系统（1）根据空间碎片精确位置，选取最佳冲击角发射驱离激光波，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止；

5）所述惯性测量组件（14）在整个过程中实时测定激光探测定位驱离系统（1）的航向与姿态，并传递给所述控制器（13）。

3.根据权利要求2所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤3）包括如下步骤：

301）所述控制器（13）接收到所述光电搜索系统发送的潜在空间碎片空域位置后，控制所述第一激光发射器（11）发射高重频测量激光波，高重频测量激光波经过所述第一分光器（18），进入第二分光器（19），经第二分光器（19）折射至所述光波指向操控器（15），所述光波指向操控器（15）调整测量激光波的方向，再经过所述共轴光学系统（16）进行扩束，最终发射向潜在空间碎片空域位置进行测量；

302）通过潜在空间碎片空域位置反射回来的回波信号再反向依次经过共轴光学系统（16）、光波指向操控器（15）、第二分光器（19）、第一分光器（18）后，再经过所述光谱分析仪（23）分析回波信号以判断碎片材质，经过所述接收目镜（20）调节焦距，经过所述F-P滤光器（21）、所述滤光片（22）进行滤光，然后进入所述激光接收器（12）进行处理，激光接收器（12）将回波信号转换成电信号，发送给控制器（13），控制器（13）根据回波信号的电信号计算出空间碎片的距离值、飞行轨道并获得空间碎片的动态剖面特征图库；

所述步骤4）包括如下步骤：

401）控制器（13）根据空间碎片距离值、飞行轨道和动态剖面特征图库，设定所述第二激光发射器（17）的参数，控制第二激光发射器（17）发射驱离激光波；

402）驱离激光波经过第二分光器（19）、光波指向操控器（15）、共轴光学系统（16），以最佳冲击角向空间碎片精确位置发射，直至满足设定的发射次数或发射时间，或空间碎片离开后停止。

4.根据权利要求3所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，空间碎片距离值的计算方法为：

在所述控制器（13）中设置最大测距范围，所述第一激光发射器（11）每发射一个测量激光波的脉冲信号，通过所述激光接收器（12）得到最大测距范围内的多象限单帧信号，控制器（13）利用如下测距方法一或测距方法二处理多象限单帧信号以得到空间碎片距离值：

测距方法一：首先对多象限单帧信号，按象限在时域里进行累积运算，产生多象限单帧和信号；再对多象限单帧和信号进行滤波运算，得到滤波多象限单帧和信号；从滤波多象限单帧和信号中鉴别得到目标空间碎片信号，由目标空间碎片信号计算测量激光波往返目标空间碎片的时间，由往返时间计算目标空间碎片的距离值；

测距方法二：参照测距方法一得到滤波多象限单帧和信号；对靠近的两个测距周期或多个测距周期的滤波多象限单帧和信号进行互相关运算，得到滤波多象限多帧和信号；从滤波多象限多帧和信号中鉴别得到目标空间碎片信号，运算后得到测量激光波往返目标空间碎片的时间，由往返时间计算目标空间碎片距离值。

5.根据权利要求4所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，目标空间碎片飞行轨道的计算方法包括如下步骤：

根据目标空间碎片距离值，所述控制器（13）调用所述接收目镜（20）变焦移动距离值，控制接收目镜（20）变焦；

对所述激光接收器（12）得到的多象限单帧信号，运用代数或积分方法，求解光斑的能量中心，即质心，获得质心坐标值，质心坐标值用笛卡尔坐标中的偏移量或极坐标形式表达；

坐标原点设置在接收光轴的轴上，对同一时间测量的目标空间碎片距离值与质心坐标值进行组合，得到目标的三维坐标值；

由相邻帧质心的坐标值时间顺序，得到目标空间碎片的移动方向，由多个连续的质心坐标值，求得质心的移动轨迹，即目标空间碎片的飞行轨迹，再将飞行轨迹的坐标通过所述惯性测量组件（14）转化成地球坐标，形成目标空间碎片飞行轨道。

6.根据权利要求4所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，目标空间碎片的动态剖面特征图库的获得方法包括如下步骤：

所述光波指向操控器（15）对着可能存在空间碎片的一定空域范围，按照设定的方式进行扫描；

在扫描过程中，光波指向操控器（15）中的两维精密角度测量传感器不断测量光波指向操控器（15）的扫描位置，所述第一激光发射器（11）与光波指向操控器（15）的扫描位置一一对应发射激光波，进行目标空间碎片距离值、角度值与质心的连续测量，并把每帧目标空间碎片多象限单帧信号进行存储；

所述控制器（13）根据判定阈值，对每帧目标空间碎片多象限单帧信号进行鉴别，得到串目标空间碎片多象限单帧信号，由串目标空间碎片多象限单帧信号的脉冲数量和脉冲周期，结合目标空间碎片距离值和角度值，通过Radon变换与反变换或hough变换与反变换，对空间碎片进行层析成像，得到空间碎片外形宽度和轮廓；

由串目标空间碎片多象限单帧信号不同扫描方向上的外形宽度及变化规律，结合目标空间碎片外形宽度和轮廓，得到目标空间碎片飞行状态；

由不同扫描方向得到多组串目标空间碎片外形宽度和轮廓，由多组动态的串目标空间碎片外形宽度和轮廓解得目标空间碎片的旋转周期和旋转轴坐标，时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度；由空间碎片的位置坐标、外形宽度和时间轴层析图像、旋转周期、旋转轴坐标、飞行速度，组合成目标空间碎片动态剖面特征图库。

7.根据权利要求6所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤402）中，最佳冲击角的确定方法为：

定义与测量激光波传输方向近似垂直的平面为正面，与测量激光波传输方向近似平行的平面为侧面，测量的串目标空间碎片多象限单帧信号最大宽度和幅度的目标空间碎片反射面定为正面；

由测量的空间碎片动态剖面特征图库中的图形，通过空间碎片面形变化规律，判断空间碎片旋转轴位置状态与方向：如果空间碎片面形宽度和信号幅度由小变大，或由大变小，则判定旋转轴处于垂直于测量激光波传输方向的平面内；

如果空间碎片面形宽度和信号幅度基本不变，则判定旋转轴与激光传输方向平行；

如果测量的串目标空间碎片面形宽度与信号幅度都变化，则根据剖面特征图，反演出空间碎片旋转轴的位置状态与方向；

碎片旋转轴相对在所述激光探测定位驱离系统（1）参考点的位置，由碎片的空间三维坐标确定，串目标空间碎片多象限单帧信号宽度和幅度由大变小，再由小变大的时间，则为碎片的旋转周期，按照驱离激光最佳冲击角，由目标空间碎片动态剖面特征图库中的图形计算最佳冲击面。

8.根据权利要求6所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，所述第二激光发射器（17）的驱离激光发射方法为：

首先分析目标空间碎片动态剖面特征图库中的图形，确定最佳冲击角的最佳冲击面；

根据目标空间碎片飞行速度与轨迹，确定扫描空域范围；

控制所述光波指向操控器（15）操控测量激光波，在确定的扫描空域循环扫描，扫描的同时，进行距离测量与目标空间碎片外形测量；

所述控制器（13）根据空间碎片距离值、飞行轨道和动态剖面特征图库，设定第二激光发射器（17）的输出功率、束散角和工作频率参数；

判断碎片状态是不是达到设定的最佳冲击角，一旦碎片状态满足预定要求，立即发射驱离激光波，如果不满足，回到扫描测量步骤，进入下一扫描周期，继续扫描与测量；

目标空间碎片多次到达最佳冲击角，多次发射了驱离激光波后，判断是否满足设定的发射周期或时间，如果满足，结束驱离激光波发射，如果不满足，继续驱离激光波，循环往复，直至满足；

光波指向操控器（15）按每次发射一次驱离激光波，移动一个与目标空间碎片飞行速度和方向相对应的增量进行扫描，扫描周期的长短，由目标空间碎片飞行速度确定；扫描方式为左右与上下扫描，或非正交扫描方式，根据目标空间碎片旋转情况，调整扫描方式。

9.根据权利要求3所述的空间碎片激光智能定位驱离方法，其特征在于，步骤302）中，所述接收目镜（20）调节焦距的方法为：根据光斑质心测量精度要求，计算目标空间碎片距离值与光斑直径对应视场的关系，根据光斑直径对应视场计算接收目镜（20）变焦的移动距离，将目标空间碎片距离与接收目镜（20）变焦移动距离值一一对应，按表格形式存储在所述控制器（13）中；

所述光波指向操控器（15）的误差校正方法为：先将光波指向操控器（15）的原始指向调成与光轴一致或调节成一个固定偏差，将固定偏差存在所述控制器（13）中；使用过程中定时将光波指向操控器（15）的偏转角度值与光斑质心坐标值进行比较，两者应该一一对应；如果两者存在差值，将偏差存储下来，在计算目标轨迹时予以修正。