基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，涉及空間【技術(shù)領(lǐng)域】，解決現(xiàn)有地面高能激光發(fā)射系統(tǒng)對空間碎片過程中存在光路中元件受熱變形等問題，本系統(tǒng)從地面發(fā)射多束高功率激光到空間碎片上，多光束能量的疊加實現(xiàn)對空間碎片的燒蝕作用。為了提高光束在空間碎片上面的作用效果，系統(tǒng)中采用了自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)對光學(xué)元件熱變形和大氣引起的擾動進行校正；同時，系統(tǒng)使用激光導(dǎo)星技術(shù)，提高了對暗弱空間目標的作用能力。該空間碎片清除系統(tǒng)是在地球表面上實現(xiàn)對空間碎片清除的一種方式，系統(tǒng)應(yīng)用能量疊加的原理，采用多束激光發(fā)射，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同軌道高度的空間碎片進行處理，各關(guān)鍵單元技術(shù)實現(xiàn)難度降低，維護方便，成本也相應(yīng)減少。
【專利說明】基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及空間碎片的清除技術(shù)。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間碎片是指圍繞地心軌道運行的人造物體，一般已經(jīng)沒有利用價值。它是人類 進行空間活動的產(chǎn)物，包括停止運行的航天器（如衛(wèi)星、空間站、航天飛機等）、用于發(fā)射衛(wèi) 星的火箭殘留物、多級火箭分離所產(chǎn)生的碎片、空間物體之間碰撞產(chǎn)生的碎片等。隨著人類 空間活動的進行，空間碎片的數(shù)量呈現(xiàn)不斷增長的趨勢，其潛在的碰撞風(fēng)險嚴重威脅著航 天器的安全在軌運行。
[0003] 對空間碎片的研究重點在于監(jiān)視與清除。對空間碎片進行監(jiān)視，是給出每一個瞬 間其在天空中的位置及變化，確定運行軌道。雖然對于一些規(guī)律運行的空間碎片，航天器可 以根據(jù)其運行軌道采取主動規(guī)避措施避免碰撞，但是對新產(chǎn)生的碎片或是較小的碎片，主 動規(guī)避措施就將會失效。所以為了確保航天器的安全運行，有必要采取主動清除手段對空 間碎片進行處理。
[0004] 從地面上發(fā)射高能激光束到空間碎片，利用激光對空間碎片材料的燒蝕作用，實 現(xiàn)對空間碎片去除是一種可行的方案。目前，類似的系統(tǒng)基本上都是采用一套激光發(fā)射系 統(tǒng)把一束高能激光發(fā)射到目標上。這種激光作用系統(tǒng)，除了激光器自身的性能影響之外，受 激光照射的擴束光路中的鏡片會產(chǎn)生溫度變形，使系統(tǒng)的出射光束質(zhì)量達不到最優(yōu)的性能 指標；另外激光經(jīng)大氣傳輸?shù)竭_目標，大氣湍流會使激光產(chǎn)生畸變，而且強激光傳輸?shù)拇髿?熱暈效應(yīng)也會引起激光畸變，從而造成碎片靶標上的激光功率不均勻或下降，嚴重影響系 統(tǒng)的效能。針對上述問題，目前比較好的解決辦法是在激光發(fā)射系統(tǒng)中引入自適應(yīng)光學(xué)技 術(shù)，實現(xiàn)激光束整形與大氣傳輸校正。
[0005] 為了實現(xiàn)較好的空間碎片去除效果，要求到達碎片上的激光功率密度足夠大。這 一方面可以增大發(fā)射激光器的功率；另一方面可以增大發(fā)射望遠鏡的口徑，使采用自適應(yīng) 光學(xué)技術(shù)后，在空間碎片上的接近衍射極限光斑足夠小。但是，單純增大功率對激光器技術(shù) 的要求較高，并且激光功率增大之后，光路系統(tǒng)中的光學(xué)元件溫度變形會變得難以控制，嚴 重影響出射光束質(zhì)量；而增大發(fā)射望遠鏡的口徑則對望遠鏡技術(shù)提出了更高的要求，相對 應(yīng)的自適應(yīng)光學(xué)規(guī)模也會加大，這些都會增加系統(tǒng)的實現(xiàn)難度及成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決地面高能激光發(fā)射系統(tǒng)對空間碎片過程中存在光路中元件受熱變 形以及系統(tǒng)實現(xiàn)難度大成本高等問題，提供一種基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片 清除系統(tǒng)。
[0007] 基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，包括激光發(fā)射望遠鏡、三鏡、 折轉(zhuǎn)鏡、激光導(dǎo)星單元、光路中繼系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)組件和高功率激光發(fā)射器；
[0008] 激光導(dǎo)星單元發(fā)射的激光光束在空中形成激光導(dǎo)星，導(dǎo)星光線依次經(jīng)激光發(fā)射望 遠鏡、三鏡、折轉(zhuǎn)鏡以及光路中繼系統(tǒng)后，進入自適應(yīng)光學(xué)組件，所述自適應(yīng)光學(xué)組件測得 當(dāng)前系統(tǒng)波像差，并進行校正，高功率激光發(fā)射器發(fā)射的激光束依次通過自適光學(xué)組件、光 路中繼系統(tǒng)、折轉(zhuǎn)鏡以及三鏡后，經(jīng)激光發(fā)射望遠鏡發(fā)射到空間碎片目標上，實現(xiàn)對空間碎 片的清除。
[0009] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除 系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)射多束高功率激光到空間碎片上面，激光光束的能量在空間碎片上疊加，實現(xiàn) 對碎片的燒蝕處理。為了克服熱變形及大氣擾動對激光傳輸?shù)挠绊?，在光束發(fā)射系統(tǒng)中采 用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)進行校正，提高激光的作用效果；另外，為了實現(xiàn)對暗弱空間碎片目標的 清除，系統(tǒng)中采用了激光導(dǎo)星作為自適應(yīng)光學(xué)校正的參考源。
[0010] 本發(fā)明在地面上實現(xiàn)對空間碎片的清除，避免了發(fā)射在軌空間清除裝置的高成 本、高系統(tǒng)復(fù)雜度等風(fēng)險；采用多激光合束技術(shù)，可以降低對單個激光器功率的要求，弱化 單一高功率激光器所帶來的鏡面熱變形問題，同時對望遠鏡技術(shù)的要求也相應(yīng)降低；采用 自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，降低了熱變形和大氣對激光傳輸?shù)挠绊?；實現(xiàn)對光路元件熱變形和大氣 引起的光束畸變的自適應(yīng)補償，同時，系統(tǒng)引入激光導(dǎo)星技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對暗弱空間碎片目 標的高精度激光作用。提高了對暗弱空間碎片目標的作用效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 示意圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中拼接 式主鏡結(jié)構(gòu)形式示意圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中激光 導(dǎo)星單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)中自適 應(yīng)光學(xué)組件及激光發(fā)射器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖5為對應(yīng)于圖2中各子鏡排列方式的傾斜校正鏡組中各子鏡的排列方式示意 圖；
[0016] 圖6為對應(yīng)圖2中各子鏡排列方式的變形鏡組中各子鏡的排列方式示意圖。

【具體實施方式】
[0017]

【具體實施方式】一、結(jié)合圖1至圖6說明本實施方式，基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合 束空間碎片清除系統(tǒng)，主要由激光發(fā)射望遠鏡、激光導(dǎo)星單元3、光路中繼系統(tǒng)6、η路自適 應(yīng)光學(xué)組件7和η多路高功率激光發(fā)射器8組成。其中拼接式主鏡1、次鏡2組成的激光 發(fā)射望遠鏡作為主光學(xué)系統(tǒng)安裝在一套支撐及目標跟蹤系統(tǒng)上面，該支撐與跟蹤系統(tǒng)為大 多數(shù)望遠鏡的固有組成部分，所述激光導(dǎo)星單元3安裝在次鏡2的背面，發(fā)射一束激光到約 90公里的海拔高度，形成激光導(dǎo)星，望遠鏡接收導(dǎo)星的光線，經(jīng)過三鏡4、折轉(zhuǎn)鏡5、光路中 繼系統(tǒng)6后，進入自適應(yīng)光學(xué)組件7。自適應(yīng)光學(xué)組件7測得當(dāng)前的系統(tǒng)波像差，并進行校 正。由η路高功率激光發(fā)射器8發(fā)射的激光束依次通過各自的自適應(yīng)光學(xué)相關(guān)組件7、光路 中繼系統(tǒng)6、折轉(zhuǎn)鏡5和三鏡4后，由激光發(fā)射望遠鏡主鏡對應(yīng)的拼接子鏡發(fā)射出去。因為 由大氣擾動引起的波像差已經(jīng)過自適應(yīng)光學(xué)組件7校正，所以這時從望遠鏡發(fā)射到空間碎 片目標上的激光束也是校正好的，激光在目標上的能量將高度集中，各激光束能量的疊加 將對空間碎片產(chǎn)生燒蝕效果。η為正整數(shù)。
[0018] 結(jié)合圖2說明本實施方式，激光發(fā)射望遠鏡主鏡1由七塊子鏡組成，每塊子鏡對應(yīng) 一套激光器8和一套自適應(yīng)光學(xué)組件7。考慮空間碎片的大小、軌道高度、材料特性、大氣條 件、自適應(yīng)光學(xué)校正效果等條件，實際系統(tǒng)的實現(xiàn)方式及結(jié)構(gòu)參數(shù)，如子鏡的口徑與形狀、 子鏡的數(shù)量、子鏡的拼接形式等根據(jù)計算結(jié)果進行設(shè)計，不限于此種情況。
[0019] 結(jié)合圖3說明本實施方式，激光導(dǎo)星單元由導(dǎo)星激光器3-1發(fā)出的光線，依次經(jīng)過 導(dǎo)星發(fā)射望遠鏡次鏡3-3、主鏡3-2發(fā)射出去。圖中略去了常規(guī)使用的導(dǎo)星發(fā)射望遠鏡支撐 和指向調(diào)節(jié)組件、導(dǎo)星激光器相關(guān)組件等。
[0020] 結(jié)合圖4說明本實施方式，所述光路中繼系統(tǒng)由第一光路組件6-1、第二光路組件 6- 2和第三光路組件6-3組成，所述自適應(yīng)光學(xué)組件7由傾斜校正鏡組7-1、第二光學(xué)組件 7- 4、第三光學(xué)組件7-5、第四光學(xué)組件7-6、第五光學(xué)組件7-7、變形鏡組7-3、波前傾斜傳感 器7-8、波前傳感器7-9、波前處理器7-10、傾斜校正控制器7-11和變形鏡控制器7-12組 成；第一光路組件6-1、第二光路組件6-2和第三光路組件6-3實現(xiàn)拼接主鏡1與傾斜校正 鏡組7-1成光學(xué)共軛關(guān)系，第一光學(xué)組件7-2實現(xiàn)拼接主鏡1與變形鏡組7-3成光學(xué)共軛 關(guān)系。從激光導(dǎo)星來的光線依次經(jīng)過主鏡1、次鏡2、三鏡4、折轉(zhuǎn)鏡5、第一光路組件6-1、第 二光路組件6-2和第三光路組件6-3、傾斜校正鏡組7-1、第一光學(xué)組件7-2、變形鏡組7-3、 第二光學(xué)組件7-4、第三光學(xué)組件7-5先由第四光學(xué)組件7-6進入波前傾斜傳感器7-8,再 由第五光學(xué)組件7-7進入波前傳感器7-9。波前處理器7-10獲得波前傾斜傳感器7-8和 波前傳感器7-9的信號，進行處理并提供控制信號給傾斜校正控制器7-11和變形鏡控制器 7-12,分別實現(xiàn)對傾斜校正鏡組7-1和變形鏡組7-3的閉環(huán)控制，達到對光波前擾動校正的 目的。第二光學(xué)組件7-4、第三光學(xué)組件7-5、第四光學(xué)組件7-6和第五光學(xué)組件7-7使變 形鏡7-3 (1)和波前傳感器7-9成光學(xué)共軛關(guān)系。高功率激光器8發(fā)射的激光依次經(jīng)過第 三光學(xué)組件7-5、第二光學(xué)組件7-4、變形鏡組7-3、第一光學(xué)組件7-2、傾斜校正鏡組7-1、第 一光路組件6-1、第二光路組件6-2和第三光路組件6-3、折轉(zhuǎn)鏡5、三鏡4、次鏡2,再由主鏡 1發(fā)射出去。因為傾斜校正鏡組7-1和變形鏡組7-3已經(jīng)實現(xiàn)了波前校正，所以這時發(fā)射出 去的激光束是經(jīng)過校正的，到達空間碎片目標的是不受熱畸變與大氣影響的理想光束。
[0021] 結(jié)合圖5說明本實施方式，圖5給出了對應(yīng)于圖2主鏡中各子鏡排列方式的傾斜 校正鏡組7-1中各校正子鏡的排列方式，要求傾斜校正鏡組7-1與拼接主鏡1成光學(xué)共軛 關(guān)系。傾斜校正鏡組7-1由相互獨立的七塊傾斜校正子鏡組成。傾斜校正鏡組7-1各子鏡 與主鏡1的相應(yīng)子鏡成光學(xué)共軛關(guān)系。每個傾斜校正子鏡由三個位移促動器111做二維的 傾斜調(diào)整。
[0022] 結(jié)合圖6說明本實施方式，圖6給出了對應(yīng)圖2主鏡中各子鏡排列方式的變形鏡 組7-3中變形鏡子鏡的排列方式，要求變形鏡組7-3與拼接主鏡1成光學(xué)共軛關(guān)系。變形 鏡組7-3由相互獨立的七塊變形鏡子鏡組成。變形鏡7-3各子鏡與主鏡1的相應(yīng)子鏡成光 學(xué)共軛關(guān)系。每個變形鏡子鏡下面都有多個促動器112,實現(xiàn)對鏡面面形的控制。
[0023] 本實施方式所述的波前傳感器7-9與變形鏡7-3各子鏡成光學(xué)共軛關(guān)系，所述波 前傳感器7-9可以有多種實現(xiàn)方式，既可采用常規(guī)的Shack-Hartmann傳感器，也可以采用 基于能量集中度的SPGD方法等。所述多路高功率激光器，根據(jù)光學(xué)設(shè)計合理布局，使系統(tǒng) 滿足一束發(fā)射激光對應(yīng)一個拼接子鏡的要求。
[0024] 本實施方式對于拼接式主鏡1結(jié)構(gòu)形式空間碎片清除系統(tǒng)，其特點是多束激光發(fā) 射主鏡采用子鏡拼接的形式，一個子鏡對應(yīng)發(fā)射一束激光束，這些拼接子鏡共用一個次鏡 和一套激光導(dǎo)星系統(tǒng)。但是，每個激光發(fā)射子鏡各自采用一套自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對熱變形和 大氣擾動進行校正；當(dāng)空間碎片目標較亮?xí)r，用空間碎片作為校正參考源，當(dāng)空間碎片為暗 弱目標時，用共用的激光導(dǎo)星作為參考源。這種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點是不需要研制大口徑的激 光發(fā)射主鏡，降低主鏡研制成本及與其對應(yīng)的多單元數(shù)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的研制成本，且采 用激光合束的形式可以降低對單個激光器功率的要求，降低單一高功率激光器所帶來的鏡 面熱變形問題，同時整個系統(tǒng)只需要一套激光導(dǎo)星系統(tǒng)。
【權(quán)利要求】
1. 基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，包括激光發(fā)射望遠鏡、三鏡 (4)、折轉(zhuǎn)鏡（5)、激光導(dǎo)星單元（3)、光路中繼系統(tǒng)（6)、自適應(yīng)光學(xué)組件（7)和高功率激光 發(fā)射器（8); 激光導(dǎo)星單元（3)發(fā)射的激光光束在空中形成激光導(dǎo)星，導(dǎo)星光線依次經(jīng)激光發(fā)射望 遠鏡、三鏡（4)、折轉(zhuǎn)鏡（5)以及光路中繼系統(tǒng)（6)后，進入自適應(yīng)光學(xué)組件（7)，所述自適 應(yīng)光學(xué)組件（7)測得當(dāng)前系統(tǒng)波像差，并進行校正，高功率激光發(fā)射器（8)發(fā)射的激光束依 次通過自適光學(xué)組件（7)、光路中繼系統(tǒng)（6)、折轉(zhuǎn)鏡（5)以及三鏡（4)后，經(jīng)激光發(fā)射望遠 鏡發(fā)射到空間碎片目標上，實現(xiàn)對空間碎片的清除。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其特征 在于，所述激光發(fā)射望遠鏡包括主鏡（1)和次鏡（2)，所述主鏡（1)由多塊子鏡拼接而成，所 述自適應(yīng)光學(xué)組件（7)和高功率激光發(fā)射器（8)均為多路，每塊子鏡對應(yīng)一路激光發(fā)射器 (8)和一路自適應(yīng)光學(xué)組件（7)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其特 征在于，自適應(yīng)光學(xué)組件（7)由傾斜校正鏡組（7-1)、多個光學(xué)組件、變形鏡組（7-3)、波前 傾斜傳感器（7-8)、波前傳感器（7-9)、波前處理器（7-10)、傾斜校正控制器（7-11)和變 形鏡控制器（7-12)組成；經(jīng)激光導(dǎo)星單元（3)在空中形成激光導(dǎo)星，導(dǎo)星光線依次經(jīng)主鏡 (1)、次鏡（2)、三鏡（4)、折轉(zhuǎn)鏡（5)、光路中繼系統(tǒng)（6)、傾斜校正鏡組（7-1)、第一光學(xué)組件 (7-2)、變形鏡組（7-3)、第二光學(xué)組件（7-4)、第三光學(xué)組件（7-5)以及第四光學(xué)組件（7-6) 進入波前傾斜傳感器（7-8)，再經(jīng)第五光學(xué)組件（7-7)進入波前傳感器（7-9)，波前處理器 (7-10)對獲得波前傾斜傳感器（7-8)和波前傳感器（7-9)的信號進行處理并提供控制信號 給傾斜校正控制器（7-11)和變形鏡控制器（7-12)，分別實現(xiàn)對傾斜校正鏡組（7-1)和變形 鏡組（7-3)的波前校正。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其特征 在于，所述傾斜校正鏡組（7-1)由多個相互獨立的傾斜校正子鏡組成，所述變形鏡組（7-3) 由多個相互獨立的變形鏡子鏡組成，傾斜校正鏡組（7-1)與主鏡（1)成光學(xué)共軛，每個傾斜 校正子鏡與每塊對應(yīng)的子鏡成光學(xué)共軛，變形鏡組（7-3)與主鏡（1)成光學(xué)共軛，每個變形 鏡子鏡與每塊對應(yīng)的子鏡成光學(xué)共軛。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其特征 在于，所述每個傾斜校正子鏡由三個位移促動器做二維的傾斜調(diào)整，每個變形鏡由多個促 動器實現(xiàn)對鏡面面形的控制。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)的激光合束空間碎片清除系統(tǒng)，其特征 在于，所述的波前傳感器（7-9)與變形鏡組（7-3)的每個變形鏡子鏡成光學(xué)共軛。
【文檔編號】G02B27/06GK104155748SQ201410367117
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】王建立, 林旭東, 劉欣悅, 衛(wèi)沛鋒, 王亮 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所