基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统技术方案

本发明专利技术提出了一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和数据处理单元；发射单元为固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片组成；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机内置的处理软件完成实时数据处理，所述工控机的内置软件包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作。用于控制固体激光器的操作。用于控制固体激光器的操作。

【技术实现步骤摘要】
基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统


[0001]本专利技术激光探测
，涉及一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法和系统。

技术介绍

[0002]随着航天活动的日益频繁，空间碎片与日俱增，对近地空间的航天器构成严重威胁。其中尺寸为1～10cm的厘米级空间碎片，由于数目较多难以主动规避、预警，且尺寸较大被动防护实施困难，已经成为对在轨航天器威胁最大的空间碎片。目前这类碎片的一种有效清理方式是大功率激光清理，其原理是让激光光束作用力作用于碎片质心，高能激光照射在碎片质心上，与其发生冲量耦合，碎片获得一个速度增量，增量满足一定条件时，碎片就会坠入大气层烧毁，实现碎片清理的目的。而采用大功率激光清理厘米级空间碎片，除了对碎片进行定位之外，还需要找到碎片的质心。这是因为冲量耦合作用必须作用在碎片的质心位置，才能使带来的速度增量推动碎片向大气层移动，否则碎片只会在空中翻转，而不会移动。对于厘米级的空间碎片，其质心的探测精度至少要达到亚厘米级甚至毫米级，而空间碎片激光测距忽略了碎片表面形状对激光回波的调制，将其作为点目标处理，即使提高激光测距系统距离分辨率也无法达到对厘米级空间碎片目标亚厘米级的质心探测精度。
[0003]目前厘米级空间碎片质心距离测量主要依赖于光学或雷达图像，通过图像解算目标的质心位置，这类方法要求图像中碎片所占像素数不少于4个，通过算法计算，最终可以达到的质心探测精度一般为0.5像素左右(Xi Jiangbo,Wen Desheng,Ersoy Okan K,Yi Hongwei,Yao Dalei,Song Zongxi,Xi Shaobo.Space debris detection in optical image sequences.[J].Applied optics,2016,55(28):7929
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7940.)。对于厘米级空间碎片来说，碎片需要在图像中占据多个像素，成像探测系统远距离探测中单像素分辨率至少要达到亚厘米量级，例如100km距离对应角分辨率要达到0.1μrad，现有的光学和雷达成像手段从机理上难以达到这样的探测精度要求。国防科技大学胡以华团队首次提出将激光反射层析应用于目标质心探测，提出利用多角度回波数据解算质心距离的方法，并以优于5cm的探测精度实现了50m处边长为141
×
70cm、夹角45
°
的平面四边形目标的质心定位(Lin Fang,Wang Jin
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cheng,Lei Wu
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hu,et al.Detection of barycenter of planar target based on laser reflective tomography[J].Optics Communications,2017,402:540
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544.)。对于近似面状的碎片目标，上述方法可以准确确定质心距离，但是对于形状复杂的碎片目标，由于遮挡效应的影响，某些角度存在不能照射到的阴影区域，仅依靠多角度激光回波数据难以准确解算得到质心距离。
[0004]中国专利公开CN110850433A提出了一种“基于激光反射断层成像技术探测空间碎片质心方法”，该专利公开给出一种基于激光反射断层成像技术的空间碎片质心探测方法流程图，如图1所示。
[0005]该方法主要包括探测目标多角度回波信号的采集、原始回波数据的配准、数据盲解卷积、多角度质心距离解算、质心坐标的最大似然估计、目标的轮廓图像重构、质心位置
的标定等步骤。将经过垂直照射目标并反射回探测器的回波信号经过滤波和归一化处理后的激光回波脉冲作为基准回波脉冲，对激光反射回波数据进行解卷积处理，得到目标本体反射率投影分布函数，进而计算得到该角度的回波数据算得到的质心到探测系统的距离。
[0006]对于近似面状的碎片目标，上述方法可以准确确定质心距离，但是对于形状复杂的碎片目标，由于遮挡效应的影响，某些角度存在不能照射到的阴影区域，仅依靠多角度激光回波数据难以准确解算得到质心距离。遮挡效应示意图如图2所示，激光束照射角度φ存在不能照射到的阴影区域，该角度激光回波数据仅受到黑色标记区域目标表面的调制，缺失了红色标记区域的目标表面信息，该角度回波难以准确解算得到质心距离。因此如何利用多角度激光回波反演得到目标完整、精准的轮廓图像从而准确解算得到质心距离成为待研究的关键点。

技术实现思路

[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和工控机；发射单元包括：固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机完成实时数据处理，所述工控机包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作；
[0008]所述数据预处理模块，对接收的多角度激光回波数据执行数据预处理；所述空间物体质心距离估计模块估算质心距离；所述目标图像重构模块利用空间碎片的凸面对应的180
°
的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；所述图像处理模块对重构图像进行图像处理；所述质心距离解算模块结合理论质心对初始质心距离估计进行校正。
[0009]进一步的，所述固体激光器包括多种波长的红外光、可见光固体激光器或光纤激光器。
[0010]进一步的，所述固体红外光激光器为被动调Q激光器，中心波长1064nm，重频脉冲宽度93ps。
[0011]进一步的，所述激光扩束系统包括两个反射镜、一个分束棱镜、一个3倍扩束镜、一个5
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10倍变倍扩束镜和中性渐变衰减片；固体激光器的激光输出依次经过第一反射镜、分束棱镜、第二反射镜、衰减片和一个5
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10倍变倍扩束镜，输出探测空间碎片的探测激光，分束棱镜将90％以上激光能量输送给第二反射镜，其余的激光能量经过分束镜输入到3倍扩束镜输入端，该3倍扩束镜输出端注入单模光纤，传输给Pin光探测模块，生成记录参考信号。
[0012]进一步的，所述接收单元的接收的反射信号注入多模光纤，由多模光纤将反射信号输入APD光探测模块；生成所述多角度回波数据；
[0013]所述APD光探测模块和Pin光探测模块响应时间均为35ps。
[0014]进一步的，激光脉冲高速采集器的模拟带宽为4.25GHz，采样率50GSPS。
[0015]本专利技术还提出一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离估计方法，使用所述
的系统，所述方法包括如下步骤：
[0016]步骤1，工控机接收数据采集单元采集的多角度激光回波数据后，对所述数据进行数据预处理，计算得到该数据的峰值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光反射层析的空间小碎片质心距离探测系统，其特征在于，该系统包括：发射单元、接收单元、数据采集单元和工控机；发射单元包括：固体激光器、激光扩束系统和激光衰减片；接收单元采用口径D≥10cm的望远型光学接收系统，数据采集单元使用激光脉冲高速采集器，所采集的空间碎片反射的光信号生成多角度回波数据，该数据输入到工控机，由工控机完成实时数据处理，所述工控机包含：数据预处理模块，空间物体质心距离估计模块、目标图像重构模块，图像处理模块和质心距离解算模块；工控机还包括激光器监测控制装置，用于控制固体激光器的操作；所述数据预处理模块，对接收的多角度激光回波数据执行数据预处理；所述空间物体质心距离估计模块估算质心距离；所述目标图像重构模块利用空间碎片的凸面对应的180
°
的回波数据进行目标反投影重构，进而获得目标横截面的二维轮廓像；所述图像处理模块对重构图像进行图像处理；所述质心距离解算模块结合理论质心对初始质心距离估计进行校正。2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述固体激光器包括多种波长的红外光、可见光固体激光器或光纤激光器。3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述固体红外光激光器为被动调Q激光器，中心波长1064nm，重频脉冲宽度93ps。4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光扩束系统包括两个反射镜、一个分束棱镜、一个3倍扩束镜、一个5
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10倍变倍扩束镜和中性渐变衰减片；固体激光器的激光输出依次经过第一反射镜、分束棱镜、第二反射镜、衰减片和一个5
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10倍变倍扩束镜，输出探测空间碎片的探测激光，分束棱镜将90％以上激光能量输送给第二反射镜，其余的激光能量经过分束镜输入到3倍扩束镜输入端，该3倍扩束镜输出端注入单模光纤，传输给Pin光探测模块，生成记录参考信号。5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡以华，张鑫源，王一程，徐世龙，谌诗洋，韩飞，刘一凡，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：