[发明专利]高分辨率空间目标三维探测系统

说明书

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。

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。