CN117368937B - 一种主被动光学一体测角测距系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间目标激光测距技术领域，具体涉及一种主被动光学一体测角测距系统，包括光学接收组件、激光器、库德光路、二级扩束镜、激光接收组件以及探测成像组件，激光器出射激光，激光经过库德光路反射后进入二级扩束镜出射完成激光发散角的压缩，光学接收组件对被测目标的目标光束以及激光回波进行收集，激光接收组件利用收集的激光回波完成对被测目标进行测距，探测成像组件基于目标光束和激光回波完成对被测目标的光学成像、闭环跟踪以及对激光的光尖成像，通过激光发射/激光接收和目标跟踪设置于同一跟踪系统上，保证激光发射和接收的光轴稳定性，可实现目标的测角测距实现单站对观测目标的定轨。
Description
技术领域
本发明涉及空间目标激光测距技术领域，尤其涉及一种主被动光学一体测角测距系统。
背景技术
空间目标激光测距技术是一项利用激光脉冲测量地面观测站到空间目标距离的观测技术，是目前整个监测体系中测距精度最高的探测手段，能够有效提升空间目标监测网中的测距数据精度的上限。利用激光测距望远镜的高精度特性，可以对空间目标进行的精密监测，为危险事件的决策提供支持。
目前各激光测距台站对空间非合作目标进行测距一般选择在晨昏时段，因为只有在晨昏时段才能实现目标的捕获和光子接收探测的低噪声，才能高效的实现空间目标的激光测距。并且各台站测距数据均只提供测距信息和时间信息给测距网进行数据的融合而未进行测角信息和测距信息的融合，从而获取单站定位信息。
非合作目标测距的主要瓶颈在于其初轨预报精度差，要进行高效的激光测距需要以下条件。
1）非合作目标可视可调：非合作目标通常采用TLE预报，初轨精度较差，可能导致目标无法进入光学接收视场，因此需要对目标轨道进行修正使之进入视场；
2）激光光尖可视：只有光尖可视才能使激光能够准确照射到目标；
3）激光光轴与接收光轴稳定性高：只有两轴稳定性高才能实现目标的稳定照射和回波的稳定接收；
4）指向精度高：指向精度高才能稳定捕获目标；
5）回波数据可获取：单光子探测器背景噪声大，距离门开度小很难实现回波的获取，需要增加窄带滤光片。
6）数据能识别：微弱的回波信号会淹没在噪声中造成测距任务失败。
现有技术的缺点：现有的激光测距台站大多进行晨昏合作目标常规测距，采用低功率皮秒激光器和跟踪探测器进行目标捕获跟踪及恒星标校。由于激光器功率限制很难实现非合作目标的测距。另外，没有对测距信息和跟踪系统的测角信息进行数据融合，无法完成目标的单站定位。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种主被动光学一体测角测距系统。
本发明实施例中提供一种主被动光学一体测角测距系统，包括：
光学接收组件，用于收集目标光束和激光回波；
高功率激光器，用于出射激光，对被测目标进行照射；
库德光路，用于对所述激光器出射的激光进行全反射；
二级扩束镜，用于对所述库德光路反射的所述激光进行扩束，完成对所述激光发散角的压缩；
激光接收组件，用于接收所述光学接收组件手机的激光回波，并基于所述激光回波完成所述被测目标的测距，其中，所述激光器和所述激光接收组件设置于同一跟踪系统上；
探测成像组件，用于完成对所述被测目标的成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，输出目标的方位俯仰角度；
所述激光器出射激光，所述激光经过所述库德光路反射后进入所述二级扩束镜出射完成激光发散角的压缩，所述光学接收组件对所述被测目标的目标光束以及被所述激光进行照射后产生激光回波进行收集，所述激光接收组件利用所述光学接收组件收集的所述激光回波完成对所述被测目标进行测距，所述探测成像组件基于所述目标光束和所述激光回波完成对所述被测目标的光学成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，通过对目标的测距和跟踪系统的测角实现目标的测角测距，实现测角测距一体化。
作为一种可选的方案，测距和测角功能在同一套跟踪系统上实现。
作为一种可选的方案，测角精度优于5″，测距精度优于1m。
作为一种可选的方案，所述激光器采用高功率纳秒脉冲激光器。
作为一种可选的方案，在进行闭环跟踪时，探测能力在1000公里处3平米目标的视星等为6星等至8星等。
作为一种可选的方案，1000公里处3平米目标的星等估算公式为：
式中，A为目标有效反射横截面积，ρ为目标表面反射率，R为目标观测斜距，F为相位角函数，若将空间目标近似看做漫反射圆柱体，则相位角函数F可具体表示为：
。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明实施例中提供一种主被动光学一体测角测距系统，包括：用于收集目标光束和激光回波的光学接收组件，用于出射激光，对被测目标进行照射的高功率纳秒激光器；用于对所述激光器出射的激光进行全反射的库德光路，用于对所述库德光路反射的所述激光进行扩束，完成对所述激光发散角的压缩的二级扩束镜，用于接收所述光学接收组件手机的激光回波，并基于所述激光回波完成所述被测目标的测距的激光接收组件，用于完成对所述被测目标的成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像的探测成像组件，所述激光器出射激光，所述激光经过所述库德光路反射后进入所述二级扩束镜出射完成激光发散角的压缩，所述光学接收组件对所述被测目标的目标光束以及被所述激光进行照射后产生激光回波进行收集，所述激光接收组件利用所述光学接收组件收集的所述激光回波完成对所述被测目标进行测距，所述探测成像组件基于所述目标光束和所述激光回波完成对所述被测目标的光学成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，通过激光发射和激光接收设置于同一跟踪系统上，实现高精度测角，保证激光发射和接收的光轴稳定性，可实现恒星标校提升系统的指向精度，有效提高测距成功率。
附图说明
图1是根据本发明一种实施例提供的主被动光学一体测角测距系统的结构示意图；
图2是根据本发明一种实施例提供的主被动光学一体测角测距系统中实际效果示意图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
结合图1所示，本发明实施例中提供一种主被动光学一体测角测距系统，包括：
光学接收组件1，用于收集目标光束和激光回波；
激光器2，用于出射激光，对被测目标进行照射，产生激光回波；
库德光路3，用于对所述激光器2出射的激光进行全反射，库德光路3实际上是一种全反射光路，它是由导光镜将光线导入库德光路3，然后由多面高精度反射镜通过反射改变光的传播路径，使光线通过库德镜以后可以发送到预定的方向上去。库德光路3被广泛应用于激光发射系统，地面经纬仪等光学系统中，库德光路3中各光学反射镜的对准精度直接决定了库德光路3对于入射光束的角度控制精度；
二级扩束镜4，用于对所述库德光路3反射的所述激光进行扩束，完成对所述激光发散角的压缩；
激光接收组件5，用于接收所述光学接收组件1手机的激光回波，并基于所述激光回波完成所述被测目标的测距，其中，所述激光器2和所述激光接收组件5设置于同一跟踪系统上，该跟踪系统提供被测目标的角度信息，以及保证激光发射和接收的光轴稳定性，激光发射与接收采用分置的模式保证系统可以高频获取回波数据，采用先进测距的测距控制技术有效提高测距成功率；
探测成像组件6，用于完成对所述被测目标的成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，激光接收和激光光尖监视均采用主口径以提升系统探测能力，实现目标的捕获跟踪和激光光尖成像，同时采用可实现恒星标校提升系统的指向精度；
所述激光器出射激光，所述激光经过所述库德光路3反射后进入所述二级扩束镜4出射完成激光发散角的压缩，所述光学接收组件对所述被测目标的目标光束以及被所述激光进行照射后产生激光回波进行收集，所述激光接收组件利用所述光学接收组件收集的所述激光回波完成对所述被测目标进行测距，所述探测成像组件基于所述目标光束和所述激光回波完成对所述被测目标的光学成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，通过对目标的测距和跟踪系统的测角实现目标的测角测距，实现测角测距一体化。
在一些实施例中，所述激光器采用高功率纳秒脉冲激光器，保证系统的测距能力，需要说明的是本领域普通技术人员可以灵活选择激光器，对此不做限定。
在一些实施例中，在进行闭环跟踪时，所述探测成像组件6成像可实现1000公里处3平米目标的视星等为6星等至8星等，目标的视星等值与目标形状、观测位相角(太阳-目标-测站三者之间的夹角)、目标表面材料特性密切相关，具体地，1000公里处3平米目标的星等估算公式为：
式中，A为目标有效反射横截面积，ρ为目标表面反射率，R为目标观测斜距，F为相位角函数，若将空间目标近似看做漫反射圆柱体，则相位角函数F可具体表示为：
。
目标表面漫反射率ρ标表面漫时，1000km处面积3平米目标视星等，如表1所示。
表1
目标表面漫反射率ρ标表面漫时，1000km处面积3平米目标视星等，如表2所示。
表2
90°位相角时，1000km处面积3平米目标视星等，如表3所示。
表3
120°位相角时，1000km处面积3平米目标视星等，如表4所示。
表4
有上述分析可知，1000公里处3平米目标的视星等约为6~8等。
本实施例中提供的主被动光学一体测角测距系统，探测能力分析如表5所示。
表5
结合图2所示，本发明实施例中提供的提出了适合非合作目标的测距系统，实现等效尺寸大于3m2@1000km目标测距，实际效果图如图2所示，该系统采用如下方案：
激光发射和激光接收设置于同一跟踪系统上，使得测距和测角功能在同一套跟踪系统上实现，保证激光发射和接收的光轴稳定性和获取同一角度信息；激光发射与接收采用分置的模式保证系统可以高频获取回波数据，测角精度优于5″，测距精度优于1m。
采用高功率纳秒激光器和单光子接收探测器作为系统的激光出射和激光回波接收；
激光接收和激光光尖监视均采用主口径以提升系统探测能力，采用探测成像组件实现目标的捕获跟踪和激光光尖成像，同时采用探测成像组件可实现恒星标校提升系统的指向精度；
采用先进测距的测距控制技术有效提高测距成功率。本发明实施例中提供一种主被动光学一体测角测距系统，包括：用于收集目标光束和激光回波的光学接收组件，用于出射激光，对被测目标进行照射的激光器；用于对所述激光器出射的激光进行全反射的库德光路3，用于对所述库德光路3反射的所述激光进行扩束，完成对所述激光发散角的压缩的二级扩束镜4，用于接收所述光学接收组件手机的激光回波，并基于所述激光回波完成所述被测目标的测距的激光接收组件，用于完成对所述被测目标的成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像的探测成像组件，所述激光器出射激光，所述激光经过所述库德光路3反射后进入所述二级扩束镜4出射完成激光发散角的压缩，所述光学接收组件对所述被测目标的目标光束以及被所述激光进行照射后产生激光回波进行收集，所述激光接收组件利用所述光学接收组件收集的所述激光回波完成对所述被测目标进行测距，所述探测成像组件基于所述目标光束和所述激光回波完成对所述被测目标的光学成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，通过激光发射和激光接收设置于同一跟踪系统上，保证激光发射和接收的光轴稳定性，可实现白天的恒星标校提升系统的指向精度，有效提高测距成功率。
应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (3)
1.一种主被动光学一体测角测距系统，其特征在于，包括：
光学接收组件，用于收集目标光束和激光回波；
激光器，采用高功率脉冲激光器，用于出射激光，对被测目标进行照射；
库德光路，用于对所述激光器出射的激光进行全反射；
二级扩束镜，用于对所述库德光路反射的所述激光进行扩束，完成对所述激光发散角的压缩；
激光接收组件，用于接收所述光学接收组件收集的激光回波，并基于所述激光回波完成所述被测目标的测距，其中，所述激光器和所述激光接收组件设置于同一跟踪系统上；
探测成像组件，用于完成对所述被测目标的成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，且激光接收和激光光尖监视均采用主口径；
所述激光器出射激光，所述激光经过所述库德光路反射后进入所述二级扩束镜出射完成激光发散角的压缩，所述光学接收组件对所述被测目标的目标光束以及被所述激光进行照射后产生激光回波进行收集，所述激光接收组件利用所述光学接收组件收集的所述激光回波完成对所述被测目标进行测距，所述探测成像组件基于所述目标光束和所述激光回波完成对所述被测目标的光学成像、闭环跟踪以及对所述激光的光尖成像，通过对目标的测距和跟踪系统的测角实现目标的测角测距，实现测角测距一体化；其中，若将空间目标近似看做漫反射圆柱体，相位角函数F为：
其中，表示测得的相位角；
根据所述相位角函数F得到1000公里处3平米目标的星等估算公式为：
式中，A为目标有效反射横截面积，ρ为目标表面反射率，R为目标观测斜距。
2.根据权利要求1所述的主被动光学一体测角测距系统，其特征在于，所述激光器采用高功率纳秒脉冲激光器。
3.根据权利要求1所述的主被动光学一体测角测距系统，其特征在于，在进行闭环跟踪时，探测能力在1000公里处3平米目标的视星等为6星等至8星等。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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