用于空间碎片的自适应激光消旋方法转让专利
申请号 : CN201710544639.X
文献号 : CN107310755B
文献日 : 2019-09-27
发明人 : 万雄 , 王泓鹏 , 袁汝俊 , 张铭
申请人 : 中国科学院上海技术物理研究所
摘要 :
本发明公开了一种用于空间碎片的自适应激光消旋方法。该方法是在自适应激光消旋系统上实现的。该方法包括碎片追踪、实时对焦、碎片降速和消旋、平动降速实时评估、自适应平动降速、消旋实时评估、自适应消旋七个步骤。碎片追踪实现碎片分布分析且确定兴趣碎片目标；在自动对焦的基础上进行碎片降速和消旋；基于平动降速实时评估进行自适应平动降速；基于消旋实时评估的基础上进行自适应消旋。本发明的有益效果是，采用图像追踪子系统进行空间碎片分布实时分析，并挑选兴趣碎片目标；采用可变功率重频脉冲LID激光器与激光测距测速子系统、LID效果监测子系统，实现自适应碎片降速与消旋，以达到快速碎片消旋，提高碎片捕捉能力。
权利要求 :
1.一种用于空间碎片的自适应激光消旋方法，该自适应激光消旋方法是在一种用于空间碎片的自适应激光消旋系统上实现的，所述的用于空间碎片的自适应激光消旋系统由图像追踪子系统(5)、追踪分析子系统(6)、测距测速激光发射子系统(21)、回波接收子系统(7)、LID子系统(12)、LID效果监控分析子系统(10)、自适应聚焦子系统(29)及主控制分析器(11)组成，其特征在于自适应激光消旋方法包括以下步骤：
1)碎片追踪
主控制分析器发出指令启动成像分析器，成像分析器通过成像控制器启动成像探测器，成像探测器获取广角镜头视场范围内的空间碎片分布图像，并将其通过成像控制器送至成像分析器进行高速实时分析；成像分析器从图像中分离出空间兴趣碎片目标，实时计算其中心离主光轴的角度偏差，并将该角度偏差值传送到主控制分析器；主控制分析器接收到该角度偏差值后，发出控制指令给电动转台，电动转台带动机身主体转至主光轴与空间兴趣碎片目标中心相交；
2)实时对焦
主控制分析器给次镜控制器发送控制指令带动次镜不断沿主光轴平移，此时，空间兴趣碎片目标可见光辐射沿主光轴依次通过主镜、次镜反射，穿过中心孔，经多色镜反射，再经分光片反射后，转至效果监测光轴，被CCD面阵探测器接收，形成空间兴趣碎片目标可见光图像；主控制分析器启动LID图像分析器实时分析该图像，计算图像的高频信息，直至高频分量最大，此时为对焦状态，主控制分析器给次镜控制器发送指令，停止次镜的移动；
3)碎片降速和消旋
主控制分析器发出指令启动LID激光器，按默认的脉冲能量和重频发出脉冲激光，经光功率放大器进行功率放大，然后经扩束镜扩束，沿主光轴方向依次穿过双色镜、多色镜、中心孔后，经次镜反射、主镜反射后，聚焦至作用点，激光脉冲持续打击提供阻力与阻力矩，起到减速和消旋的作用；
4)平动降速实时评估
此时作用点与空间兴趣碎片目标中心重合，激光脉冲的阻力臂为0；此时LID激光脉冲仅提供阻力减速碎片，在击打进行的同时，进行消旋效果的平动降速实时评估，主控制分析器发出指令启动测距测速激光器，测距测速激光器发出的连续激光经波形及相位调制器调制后通过测距测速扩束镜扩束，沿测距测速光轴传输，经双色镜发射、沿主光轴穿过多色镜、中心孔后，经次镜反射、主镜反射后，聚焦至作用点，其回波信号沿反向传播，依次通过主镜、次镜反射，穿过中心孔，经多色镜反射，再穿过分光片后，沿测距测速接收光轴传输，由PIN光电二极管传感转化为电信号，再经测距测速解调电路解调后，基于相位法及多普勒效应计算得到空间兴趣碎片目标的距离及沿主光轴的实时平动速度信息；
5)自适应平动降速
主控制分析器发出指令自适应改变LID激光器的脉冲能量和重频，原则是降速快，适当降低能量和重频；降速慢，则适当增加能量和重频，不断进行步骤2)至4)，直至空间兴趣碎片目标的实时平动速度降为零；
6)消旋实时评估
空间兴趣碎片目标平动速度降为零以后，仅剩下定点转动速度，此时，空间兴趣碎片目标可见光辐射沿主光轴依次通过主镜、次镜反射，穿过中心孔，经多色镜反射，再经分光片反射后，转至效果监测光轴，被CCD面阵探测器接收形成的可见光图像，由LID图像分析器进行实时分析，通过不同时刻的图像序列分析，可计算出空间兴趣碎片目标实时转动速度及实时最大阻力臂作用点；
7)自适应消旋
主控制分析器发出指令给电动转台，电动转台带动机身主体转至主光轴与空间兴趣碎片目标实时最大阻力臂作用点重合；重复步骤2)与步骤6)，直至空间碎片目标的定点转动速度为0，此时空间兴趣碎片目标相对于自适应激光消旋系统的速度为零；可由碎片捕捉装置方便地捕捉。
说明书 :
用于空间碎片的自适应激光消旋方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种激光消旋系统与方法,尤其涉及一种采用复合激光及成像手段的目标消旋方法，适用于低地球轨道碎片的消旋，属于光电技术领域。
背景技术
[0002] 在地球轨道上由失效物体组成的集合称为空间碎片(Space debris)，也称轨道碎片、太空垃圾或空间废物。在低地球轨道(Low Earth orbit,简称LEO)中存在1500个大型碎片(每个质量均大于100千克)，其总质量占整个低轨碎片的质量总和1900砘的98％。
[0003] 每次卫星发射、空间探测及载人航天均可能产留下空间碎片。任何具有一定尺寸的两个空间物体如发生碰撞都将产生新的碎片。尤其当大的碰撞(例如一空间站与某一失效卫星)发生时，其产生的大量碎片将可能导致LEO无法继续使用。
[0004] 空间碎片产生的轨道扰动会改变轨道平面的方面，使得碰撞可能从任意方向上发生。碎片常导致高速碰撞，其速度可达每秒数公里。且在空间摄动力作用下，失去控制的低轨碎片大多处于高速旋转状态，旋转轴存在长期章动。这就导致碎片目标的相对测量、逼近与抓捕面临极大挑战。因此，针对碎片目标施加作用，将其旋转角速度减小一个数量级以上，即实现大幅度消旋是实施碎片接近、观测、捕获等任务的前提。
[0005] 目前，国际空间碎片相关技术包括离子束、气凝胶泡沫球、喷雾水、充气气球、电动系绳、加速电胶合法等，这些相关技术存在成本高、体积大、鲁棒性低的缺点，急需新型的碎片技术加以克服。激光诱导消旋(Laser induced derotation，简称LID)是一种基于低能激光光子动量的光压机制及高能激光诱导等离子体(Laser induced plasma，简称LIP)烧蚀形成等离子推力机理的技术，因此，LID可提供碎片消旋所需的阻力矩，是碎片消旋的一种可行方法。但尚未推出成熟的LID消旋系统及方法。
[0006] 针对传统天基碎片技术不足，本发明提出一种图像监控双脉冲激光自适应天基LID碎片方法，具有高鲁棒性的优点，适用于各种尺寸及转速的碎片消旋。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于提供一种低地球轨道空间碎片自适应激光消旋系统与方法，高鲁棒性可有效扩大适用碎片的尺寸速度范围，满足后续碎片捕捉的要求。
[0008] 本发明是这样来实现的：
[0009] 本发明提出的自适应激光消旋系统由电动转台和机身主体组成，机身主体内含有图像追踪子系统、追踪分析子系统、测距测速激光发射子系统、回波接收子系统、LID子系统、LID效果监控分析子系统、自适应聚焦子系统及主控制分析器；
[0010] 其中电动转台可接受主控制分析器的指令带动机身主体作三维任意角度的转动；
[0011] 图像追踪子系统由广角镜头与成像探测器组成；追踪分析子系统由成像控制器与成像分析器组成；成像控制器与成像探测器通过信号线通讯，成像控制器用以启动与控制成像探测器的成像，并接受其图像数据；成像分析器由高速GPU(注：Graphics Processing Unit，图形处理单元)组成，用以对图像进行高速实时分析；
[0012] 要实现对空间碎片进行消旋，碎片追踪是第一步。图像追踪子系统采用实时照像的方法对碎片进行追踪，获取成像视场内碎片的分布，并通过成像分析器进行实时分析，找到空间兴趣碎片目标并逼近，对其图像再进行实时分析，得出其几何特征及运动学特性，以供LID子系统高效率消旋；
[0013] LID子系统由LID激光器、光功率放大器、扩束镜组成；LID效果监控分析子系统由CCD面阵探测器和LID图像分析器组成；LID激光器发出的纳秒级高重频高能量激光经光功率放大器进行功率放大，然后经扩束镜扩束，再通过卡式望远镜持续击打空间兴趣碎片目标，对其提供恒定阻力及阻力矩，进行降速与消旋；
[0014] 测距测速激光发射子系统由测距测速激光器、波形及相位调制器、测距测速扩束镜组成；
[0015] 回波接收子系统由PIN光电二极管、测距测速解调电路组成；
[0016] 测距测速激光器发出的连续激光经波形及相位调制器调制后通过测距测速扩束镜扩束，再通过卡式望远镜照射空间兴趣碎片目标，其回波通过卡式望远镜后由PIN光电二极管传感转化为电信号，再经测距测速解调电路解调后，基于相位法及多普勒效应计算得到空间兴趣碎片目标的距离及速度信息，可对激光降速的效果进行实时评估；
[0017] LID效果监控分析子系统由CCD面阵探测器和LID图像分析器组成；空间兴趣碎片目标通过卡式望远镜在CCD面阵探测器上成像，再通过LID图像分析器进行图像处理与分析，对消旋的效果进行实时评估；
[0018] 自适应聚焦子系统由卡式望远镜和次镜控制器组成；卡式望远镜由次镜、主镜组成，主镜开有中心孔；次镜控制器可带动次镜沿主光轴平移，实现变焦和聚焦；
[0019] 主控制分析器可对LID激光器、测距测速激光器进行开关控制；可控制LID激光器输出激光脉冲的能量和重频；给次镜控制器发送控制位移指令；用以启动成像分析器、测距测速解调电路与LID图像分析器，并接收它们的分析结果；
[0020] 自适应激光消旋系统共有五个光轴：主光轴、测距测速接收光轴、效果监测光轴、测距测速光轴和图像追踪光轴，这五个光轴位于同一平面，且主光轴、图像追踪光轴、效果监测光轴三者相互平行，测距测速接收光轴与测距测速光轴相互平行，主光轴与测距测速光轴垂直；
[0021] 本发明提出的自适应激光消旋系统按以下步骤进行空间碎片的消旋：
[0022] (1)碎片追踪
[0023] 主控制分析器发出指令启动成像分析器，成像分析器通过成像控制器启动成像探测器，成像探测器获取广角镜头视场范围内的空间碎片分布图像，并将其通过成像控制器送至成像分析器进行高速实时分析；成像分析器从图像中分离出空间兴趣碎片目标，实时计算其中心离主光轴的角度偏差，并将该角度偏差值传送到主控制分析器；主控制分析器接收到该角度偏差值后，发出控制指令给电动转台，电动转台带动机身主体转至主光轴与空间兴趣碎片目标中心相交；
[0024] (2)实时对焦
[0025] 主控制分析器给次镜控制器发送控制指令带动次镜不断沿主光轴平移，此时，空间兴趣碎片目标可见光辐射沿主光轴依次通过主镜、次镜反射，穿过中心孔，经多色镜反射，再经分光片反射后，转至效果监测光轴，被CCD面阵探测器接收，形成空间兴趣碎片目标可见光图像；主控制分析器启动LID图像分析器实时分析该图像，计算图像的高频信息，直至高频分量最大，此时为对焦状态，主控制分析器给次镜控制器发送指令，停止次镜的移动；
[0026] (3)碎片降速和消旋
[0027] 主控制分析器发出指令启动LID激光器，按默认的脉冲能量和重频发出脉冲激光，经光功率放大器进行功率放大，然后经扩束镜扩束，沿主光轴方向依次穿过双色镜、多色镜、中心孔后，经次镜反射、主镜反射后，聚焦至作用点，激光脉冲持续打击提供阻力与阻力矩，起到减速和消旋的作用；
[0028] (4)平动降速实时评估
[0029] 此时作用点与空间兴趣碎片目标中心重合，激光脉冲的阻力臂为0；此时LID激光脉冲仅提供阻力减速碎片，在击打进行的同时，进行消旋效果的平动降速实时评估，主控制分析器发出指令启动测距测速激光器，测距测速激光器发出的连续激光经波形及相位调制器调制后通过测距测速扩束镜扩束，沿测距测速光轴传输，经双色镜发射、沿主光轴穿过多色镜、中心孔后，经次镜反射、主镜反射后，聚焦至作用点，其回波信号沿反向传播，依次通过主镜、次镜反射，穿过中心孔，经多色镜反射，再穿过分光片后，沿测距测速接收光轴传输，由PIN光电二极管传感转化为电信号，再经测距测速解调电路解调后，基于相位法及多普勒效应计算得到空间兴趣碎片目标的距离及沿主光轴的实时平动速度信息；
[0030] (5)自适应平动降速
[0031] 主控制分析器发出指令自适应改变LID激光器的脉冲能量和重频，原则是降速快，适当降低能量和重频；降速慢，则适当增加能量和重频，不断进行步骤(2)至(4)，直至空间兴趣碎片目标的实时平动速度降为零；
[0032] (6)消旋实时评估
[0033] 空间兴趣碎片目标平动速度降为零以后，仅剩下定点转动速度，此时，空间兴趣碎片目标可见光辐射沿主光轴依次通过主镜、次镜反射，穿过中心孔，经多色镜反射，再经分光片反射后，转至效果监测光轴，被CCD面阵探测器接收形成的可见光图像，由LID图像分析器进行实时分析，通过不同时刻的图像序列分析，可计算出空间兴趣碎片目标实时转动速度及实时最大阻力臂作用点；
[0034] (7)自适应消旋
[0035] 主控制分析器发出指令给电动转台，电动转台带动机身主体转至主光轴与空间兴趣碎片目标实时最大阻力臂作用点重合；重复步骤(2)与步骤(6)，直至空间碎片目标的定点转动速度为0，此时空间兴趣碎片目标相对于自适应激光消旋系统的速度为零；可由碎片捕捉装置方便地捕捉。
[0036] 本发明的有益效果是，提供了一种自适应激光消旋系统与方法，采用图像追踪子系统进行空间碎片分布实时分析，并挑选兴趣碎片目标；采用可变功率重频脉冲LID激光器与激光测距测速子系统、LID效果监测子系统，实现自适应碎片降速与消旋，以达到快速碎片消旋，提高碎片捕捉能力。
附图说明
[0037] 图1为本发明系统结构示意图，图中：1——空间兴趣碎片目标；2——作用点；3——次镜；4——卡式望远镜；5——图像追踪子系统；6——追踪分析子系统；7——回波接收子系统；8——分光片；9——CCD面阵探测器；10——LID效果监控分析子系统；11——主控制分析器；12——LID子系统；13——LID激光器；14——光功率放大器；15——扩束镜；
16——主镜；17——主光轴；18——测距测速接收光轴；19——效果监测光轴；20——双色镜；21——测距测速激光发射子系统；22——测距测速激光器；23——波形及相位调制器；
24——测距测速扩束镜；25——测距测速光轴；26——多色镜；27——中心孔；28——次镜控制器；29——自适应聚焦子系统；30——图像追踪光轴；31——广角镜头；32——成像探测器；33——信号线；34——成像控制器；35——成像分析器；36——电动转台；37——机身主体；38——PIN光电二极管；39——测距测速解调电路；40——LID图像分析器。
16——主镜；17——主光轴；18——测距测速接收光轴；19——效果监测光轴；20——双色镜；21——测距测速激光发射子系统；22——测距测速激光器；23——波形及相位调制器；
24——测距测速扩束镜；25——测距测速光轴；26——多色镜；27——中心孔；28——次镜控制器；29——自适应聚焦子系统；30——图像追踪光轴；31——广角镜头；32——成像探测器；33——信号线；34——成像控制器；35——成像分析器；36——电动转台；37——机身主体；38——PIN光电二极管；39——测距测速解调电路；40——LID图像分析器。
[0038] 注：CCD，电荷耦合器件；PIN，即在两种半导体之间的PN结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层。
具体实施方式
[0039] 本发明具体实施方式如图1所示。
[0040] 本发明提出的自适应激光消旋系统由电动转台36和机身主体37组成，机身主体37内含有图像追踪子系统5、追踪分析子系统6、测距测速激光发射子系统21、回波接收子系统7、LID子系统12、LID效果监控分析子系统10、自适应聚焦子系统29及主控制分析器11；
[0041] 其中电动转台36可接受主控制分析器11的指令带动机身主体37作三维任意角度的转动；
[0042] 图像追踪子系统5由广角镜头31与成像探测器32组成；追踪分析子系统6由成像控制器34与成像分析器35组成；成像控制器34与成像探测器32通过信号线33通讯，成像控制器34用以启动与控制成像探测器32的成像，并接受其图像数据；成像分析器35由高速GPU(注：Graphics Processing Unit，图形处理单元)组成，用以对图像进行高速实时分析；
[0043] 要实现对空间碎片进行消旋，碎片追踪是第一步。图像追踪子系统5采用实时照像的方法对碎片进行追踪，获取成像视场内碎片的分布，并通过成像分析器35进行实时分析，找到空间兴趣碎片目标1并逼近，对其图像再进行实时分析，得出其几何特征及运动学特性，以供LID子系统12高效率消旋；
[0044] LID子系统12由LID激光器13、光功率放大器14、扩束镜15组成；LID效果监控分析子系统10由CCD面阵探测器9和LID图像分析器40组成；LID激光器13发出的1064nm波长的纳秒级高重频高能量激光经光功率放大器14进行功率放大，然后经扩束镜14扩束，再通过卡式望远镜4持续击打空间兴趣碎片目标1，对其提供恒定阻力及阻力矩，进行降速与消旋；
[0045] 测距测速激光发射子系统21由测距测速激光器22、波形及相位调制器23、测距测速扩束镜24组成；
[0046] 回波接收子系统7由PIN光电二极管38、测距测速解调电路39组成；
[0047] 测距测速激光器22发出的1550nm连续激光经波形及相位调制器23调制后通过测距测速扩束镜24扩束，再通过卡式望远镜4照射空间兴趣碎片目标1，其回波通过卡式望远镜4后由PIN光电二极管38传感转化为电信号，再经测距测速解调电路39解调后，基于相位法及多普勒效应计算得到空间兴趣碎片目标1的距离及速度信息，可对激光降速的效果进行实时评估；
[0048] LID效果监控分析子系统10由CCD面阵探测器9和LID图像分析器40组成；空间兴趣碎片目标1通过卡式望远镜4在CCD面阵探测器9上成像，再通过LID图像分析器40进行图像处理与分析，对消旋的效果进行实时评估；
[0049] 自适应聚焦子系统29由卡式望远镜4和次镜控制器28组成；卡式望远镜4由次镜3、主镜16组成，主镜16开有中心孔27；次镜控制器28可带动次镜3沿主光轴17平移，实现变焦和聚焦；
[0050] 主控制分析器11可对LID激光器13、测距测速激光器22进行开关控制；可控制LID激光器13输出激光脉冲的能量和重频；给次镜控制器28发送控制位移指令；用以启动成像分析器35、测距测速解调电路39与LID图像分析器40，并接收它们的分析结果；
[0051] 自适应激光消旋系统共有五个光轴：主光轴17、测距测速接收光轴18、效果监测光轴19、测距测速光轴25和图像追踪光轴30，这五个光轴位于同一平面，且主光轴17、图像追踪光轴30、效果监测光轴19三者相互平行，测距测速接收光轴18与测距测速光轴25相互平行，主光轴17与测距测速光轴25垂直；
[0052] 本发明提出的自适应激光消旋系统按以下步骤进行空间碎片的消旋：
[0053] (1)碎片追踪
[0054] 主控制分析器11发出指令启动成像分析器35，成像分析器35通过成像控制器34启动成像探测器32，成像探测器32获取广角镜头31视场范围内的空间碎片分布图像，并将其通过成像控制器34送至成像分析器35进行高速实时分析；成像分析器35从图像中分离出空间兴趣碎片目标1，实时计算其中心离主光轴17的角度偏差，并将该角度偏差值传送到主控制分析器11；主控制分析器11接收到该角度偏差值后，发出控制指令给电动转台36，电动转台36带动机身主体37转至主光轴17与空间兴趣碎片目标1中心相交；
[0055] (2)实时对焦
[0056] 主控制分析器11给次镜控制器28发送控制指令带动次镜3不断沿主光轴17平移，此时，空间兴趣碎片目标1可见光辐射沿主光轴17依次通过主镜16、次镜3反射，穿过中心孔27，经多色镜26反射，再经分光片8反射后，转至效果监测光轴19，被CCD面阵探测器9接收，形成空间兴趣碎片目标1可见光图像；主控制分析器11启动LID图像分析器40实时分析该图像，计算图像的高频信息，直至高频分量最大，此时为对焦状态，主控制分析器11给次镜控制器28发送指令，停止次镜的移动；
[0057] (3)碎片降速和消旋
[0058] 主控制分析器11发出指令启动LID激光器13，按默认的脉冲能量和重频发出脉冲激光，经光功率放大器14进行功率放大，然后经扩束镜15扩束，沿主光轴17方向依次穿过双色镜20、多色镜26、中心孔27后，经次镜3反射、主镜16反射后，聚焦至作用点2，激光脉冲持续打击提供阻力与阻力矩，起到减速和消旋的作用；
[0059] (4)平动降速实时评估
[0060] 此时作用点2与空间兴趣碎片目标1中心重合，激光脉冲的阻力臂为0；此时LID激光脉冲仅提供阻力减速碎片，在击打进行的同时，进行消旋效果的平动降速实时评估，主控制分析器11发出指令启动测距测速激光器22，测距测速激光器22发出的1550nm连续激光经波形及相位调制器23调制后通过测距测速扩束镜24扩束，沿测距测速光轴25传输，经双色镜20发射、沿主光轴17穿过多色镜26、中心孔27后，经次镜3反射、主镜16反射后，聚焦至作用点2，其回波信号沿反向传播，依次通过主镜16、次镜3反射，穿过中心孔27，经多色镜26反射，再穿过分光片8后，沿测距测速接收光轴18传输，由PIN光电二极管38传感转化为电信号，再经测距测速解调电路39解调后，基于相位法及多普勒效应计算得到空间兴趣碎片目标1的距离及沿主光轴17的实时平动速度信息；
[0061] (5)自适应平动降速
[0062] 主控制分析器11发出指令自适应改变LID激光器13的脉冲能量和重频，原则是降速快，适当降低能量和重频；降速慢，则适当增加能量和重频，不断进行步骤(2)至(4)，直至空间兴趣碎片目标1的实时平动速度降为零；
[0063] (6)消旋实时评估
[0064] 空间兴趣碎片目标1平动速度降为零以后，仅剩下定点转动速度，此时，空间兴趣碎片目标1可见光辐射沿主光轴17依次通过主镜16、次镜3反射，穿过中心孔27，经多色镜26反射，再经分光片8反射后，转至效果监测光轴19，被CCD面阵探测器9接收形成的可见光图像，由LID图像分析器40进行实时分析，通过不同时刻的图像序列分析，可计算出空间兴趣碎片目标1实时转动速度及实时最大阻力臂作用点；
[0065] (7)自适应消旋
[0066] 主控制分析器11发出指令给电动转台36，电动转台36带动机身主体37转至主光轴17与空间兴趣碎片目标1实时最大阻力臂作用点重合；重复步骤(2)与步骤(6)，直至空间碎片目标1的定点转动速度为0，此时空间兴趣碎片目标1相对于自适应激光消旋系统的速度为零；可由碎片捕捉装置方便地捕捉。