一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，包括光學系統(tǒng)、分光元件、探測器陣列、制冷系統(tǒng)。探測器陣列包括可見光探測器陣列和紅外探測器陣列，光學系統(tǒng)以及紅外探測器陣列分別配置制冷系統(tǒng)?？臻g碎片目標反射的可見光和自身輻射的紅外光由光學系統(tǒng)收集，分光元件將可見光和紅外光分成獨立的兩路，分別到達可見光探測器陣列和紅外探測器陣列。制冷系統(tǒng)分別對光學系統(tǒng)以及紅外探測器陣列進行制冷。當探測系統(tǒng)對地球陰影區(qū)域外空間碎片層探測時，可見光探測器陣列進行成像；當探測系統(tǒng)對處于地球陰影區(qū)覆蓋的空間碎片層進行探測時，紅外探測器陣列進行成像?？梢姽馓綔y器陣列與紅外探測器陣列分時工作，實現(xiàn)空間碎片探測的全空域覆蓋。
【專利說明】一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種空間碎片探測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著人類航天活動的日漸頻繁，各種航天活動產(chǎn)生了大量的空間碎片?？臻g碎片的相對運動速度可達15km/s，具有巨大動能，尺寸大于Icm的空間碎片能夠嚴重損毀航天器，對航天器的在軌安全運行構(gòu)成了嚴重威脅。
[0003]空間碎片探測是利用遙感或直接接觸的方式，對空間碎片環(huán)境進行動態(tài)監(jiān)視及對大尺寸空間碎片進行跟蹤、編目，達到為航天器安全在軌運行提供告警信息的目的?？臻g碎片探測是目前預防航天器與空間碎片碰撞的有效方式。此外，為了保障航天器不受空間碎片撞擊，要求空間碎片探測具有全時域、全空域覆蓋能力。
[0004]采用直接接觸的方式只能探測尺寸在毫米級以下的空間碎片，而威脅度較大的空間碎片尺寸在Icm以上，通常需要采用遙感探測的方式。空間碎片遙感探測主要包括地基和天基兩種探測途徑，每種途徑都包括光學和雷達兩種實現(xiàn)手段。
[0005]對于地基探測途徑，是指在地面建立空間碎片探測系統(tǒng)。這種方式的優(yōu)點是技術(shù)相對成熟、投資成本相對低，地面設備不受體積和質(zhì)量等因素限制，探測設備可采用大口徑以獲取高空間分辨率，采用大發(fā)射功率實現(xiàn)更遠的探測距離。但這種方式易受地理位置、光照、氣象等條件限制，可觀測空域有限，一天中的有效觀測時間也相對有限。因此，地基空間碎片探測系統(tǒng)無法達到對空域、時域的全天候無縫覆蓋，也就無法為航天器安全在軌運行提供完善、可靠的告警服務。
[0006]對于天基探測途徑，是指在天基平臺(包括衛(wèi)星、空間站)上建立空間碎片探測系統(tǒng)。這種方式的優(yōu)點是不受地理位置及氣象條件限制，通過在不同軌道布置多個天基探測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對空域、時域的無縫覆蓋。由于不受地球大氣干擾，天基空間碎片探測系統(tǒng)可以實現(xiàn)更高的分辨率和測量精度。因此，天基空間碎片探測在空域覆蓋性和監(jiān)視時效性等方面具有較大優(yōu)勢，是未來空間碎片探測的重要發(fā)展趨勢。天基空間碎片探測包括光學和雷達兩種手段，其中光學手段主要包括可見光、紅外兩種方式，雷達探測包括微波雷達、激光雷達兩種方式。
[0007]天基雷達探測屬于主動探測方式，其優(yōu)勢為不受光照條件限制，能夠?qū)崿F(xiàn)全時域覆蓋，并且能夠獲取更豐富的空間碎片信息。但是天基雷達探測系統(tǒng)采用主動探測方式，并且存在天線，往往功耗大、體積大、重量大，并且由于天基平臺可提供的能源有限，制約了雷達的可探測距離，通常雷達探測距離約50km。天基光學探測屬于被動探測方式，其優(yōu)勢為探測距離大，探測系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低。對比天基雷達探測系統(tǒng)，具有較高效費比，因此目前已發(fā)射和規(guī)劃中的天基空間碎片探測系統(tǒng)多采用光學探測手段。
[0008]天基光學探測主要包括可見光和紅外兩種方式，天基可見光探測系統(tǒng)通過探測目標反射的太陽光而探測目標，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、探測距離遠的優(yōu)點，所以目前天基光學探測系統(tǒng)多采用可見光方式。但是，對于空間碎片探測，需要實現(xiàn)全空域覆蓋。而地球存在陰影區(qū)，這一區(qū)域所覆蓋的空間碎片層(指空間碎片密度較大的區(qū)域，一般是軌道高度在300?2000km范圍內(nèi)的區(qū)域)內(nèi)無太陽光照，如圖1所示，天基可見光探測系統(tǒng)無法探測處于陰影區(qū)覆蓋的空間碎片，因此無法實現(xiàn)空間碎片探測的全空域覆蓋。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，通過可見光通道和紅外通道一體化設計，充分發(fā)揮紅外譜段探測目標自身紅外輻射的優(yōu)勢，實現(xiàn)了空間碎片探測的全空域覆蓋。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，搭載于天基平臺，包括光學系統(tǒng)、分光元件、探測器陣列、制冷系統(tǒng)；探測器陣列包括可見光探測器陣列和紅外探測器陣列；制冷系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)以及紅外探測器陣列的制冷系統(tǒng)；空間碎片目標反射的可見光和自身輻射的紅外光首先由光學系統(tǒng)收集，然后通過分光元件將同時收集到的可見光和紅外光分開成獨立的兩路，分別到達可見光探測器陣列和紅外探測器陣列進行成像；當對地球陰影區(qū)域外空間碎片層進行探測時，制冷系統(tǒng)對光學系統(tǒng)進行制冷，制冷達到光學系統(tǒng)的工作溫度后，可見光探測器陣列工作，對陰影區(qū)域外的空間碎片層進行探測，對陰影區(qū)域外的空間碎片層探測結(jié)束后，可見光探測器陣列關(guān)閉，光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)保持工作；當對處于地球陰影區(qū)覆蓋的空間碎片層進行探測時，光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)保持工作，同時紅外探測器陣列的制冷系統(tǒng)對紅外探測器進行制冷，達到紅外探測器陣列的工作溫度后，紅外探測器陣列工作，對陰影區(qū)域內(nèi)的空間碎片層進行探測。
[0011]所述的光學系統(tǒng)為折射式系統(tǒng)、折反式系統(tǒng)或者反射式系統(tǒng)。所述的探測器陣列為面陣CCD探測器或者CMOS探測器。所述的制冷系統(tǒng)的制冷方式為儲存式制冷、輻射制冷或者機械制冷。所述的分光元件為二向色分束鏡、棱鏡或者光柵。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0013](I)本發(fā)明在天基探測系統(tǒng)中增加紅外通道，利用紅外譜段探測空間碎片的自身輻射，可探測到處于地球陰影區(qū)的空間碎片，彌補了可見光探測系統(tǒng)受光照條件限制的缺陷，實現(xiàn)了空間碎片探測的全空域覆蓋；
[0014](2)本發(fā)明的探測系統(tǒng)有兩種探測模式:可見光探測模式和紅外探測模式。探測系統(tǒng)對地球陰影區(qū)域外空間碎片層探測時，采用可見光探測模式；對地球陰影區(qū)空間碎片層探測時，采用紅外探測模式。兩種探測模式分時工作，在實現(xiàn)全空域覆蓋的同時能夠節(jié)省大量天基平臺的能源；
[0015](3)本發(fā)明的探測系統(tǒng)采用一體化設計思想，將兩種探測模式集成到一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)的探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，便于應用到天基平臺；
[0016](4)本發(fā)明的探測系統(tǒng)搭載于天基平臺，較傳統(tǒng)地基探測系統(tǒng)而言，具有分辨率高，定軌精度高，可全天時、全天候工作的特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明所描述的空間碎片環(huán)境示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明所述的探測系統(tǒng)組成原理框圖；[0019]圖3為本發(fā)明中光學系統(tǒng)的一種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明的空間碎片探測系統(tǒng)為天基空間碎片探測系統(tǒng)，即所述的探測系統(tǒng)需搭載于天基平臺。
[0021]如圖2所示，本發(fā)明是一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，組成部分包括:光學系統(tǒng)、分光元件、探測器陣列、制冷系統(tǒng)。
[0022]光學系統(tǒng)用于收集空間碎片目標反射的可見光和自身輻射的紅外光，其中，紅外光收集能力可達到對長波紅外(Sym-Uym)的收集。分光元件用于將光學系統(tǒng)同時收集到的可見光和紅外光分開成兩路，其中反射的是可見光，透射的是紅外光。經(jīng)過分光元件分光后的可見光和紅外光，分別由可見光探測器陣列和紅外探測器陣列接收并成像。在探測系統(tǒng)工作過程中，制冷系統(tǒng)I對光學系統(tǒng)進行制冷，保證光學系統(tǒng)處于低溫環(huán)境中。當紅外探測器工作時，制冷系統(tǒng)2工作，保證紅外探測器的工作溫度。
[0023]在本發(fā)明中，光學系統(tǒng)可以是折射式系統(tǒng)、反射式系統(tǒng)或折反式系統(tǒng)。圖3為一種包括主鏡、次鏡、三鏡的三反離軸光學系統(tǒng)。
[0024]分光元件可以是二向色分束鏡，也可以是其它種類的分光元件。二向色分束鏡是能夠?qū)⒁环N(或多種)波長的光反射，將另一種(或多種)波長的光透過，達到將不同波長的光分開的一種光學元件。二向色分束鏡具體可選用美國Semrock 二向色分束鏡、Andover 二向色分束鏡。其它種類的分光兀件可選用棱鏡或者光柵。
[0025]探測器陣列包括可見光探測器陣列和紅外探測器陣列。探測器可以是面陣CXD(電荷耦合器件)或CMOS (互補金屬氧化物半導體)探測器。
[0026]制冷系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)I以及紅外探測器陣列的制冷系統(tǒng)2。制冷系統(tǒng)可以選用輻射制冷器、斯特林制冷機等。
[0027]制冷方式可以是儲存式制冷、輻射制冷或機械制冷，制冷溫度通常根據(jù)要實現(xiàn)的具體探測系統(tǒng)指標而確定。
[0028]本發(fā)明采用可見光和紅外兩種探測模式分時工作方式，具體步驟如下:
[0029](I)當探測系統(tǒng)對如圖1所示陰影區(qū)域外的空間碎片層進行探測時，制冷系統(tǒng)I工作，對光學系統(tǒng)制冷，達到光學系統(tǒng)的工作溫度后，可見光探測器陣列工作，對陰影區(qū)域外的空間碎片層進行探測。對陰影區(qū)域外的空間碎片層探測結(jié)束后，可見光探測器陣列關(guān)閉，制冷系統(tǒng)I繼續(xù)工作。
[0030](2)當探測系統(tǒng)對如圖1所示陰影區(qū)域內(nèi)的空間碎片層進行探測時，制冷系統(tǒng)I繼續(xù)對光學系統(tǒng)制冷，同時制冷系統(tǒng)2工作，對紅外探測器制冷，達到紅外探測器陣列的工作溫度后，紅外探測器陣列工作，對陰影區(qū)域內(nèi)的空間碎片層進行探測。
[0031]如上所述，可見光和紅外兩種探測模式分時工作，可以實現(xiàn)空間碎片探測的全空
域覆蓋。
[0032]本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，搭載于天基平臺，其特征在于:包括光學系統(tǒng)、分光元件、探測器陣列、制冷系統(tǒng)；探測器陣列包括可見光探測器陣列和紅外探測器陣列；制冷系統(tǒng)包括光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)以及紅外探測器陣列的制冷系統(tǒng)；空間碎片目標反射的可見光和自身輻射的紅外光首先由光學系統(tǒng)收集，然后通過分光元件將同時收集到的可見光和紅外光分開成獨立的兩路，分別到達可見光探測器陣列和紅外探測器陣列進行成像；當對地球陰影區(qū)域外空間碎片層進行探測時，制冷系統(tǒng)對光學系統(tǒng)進行制冷，制冷達到光學系統(tǒng)的工作溫度后，可見光探測器陣列工作，對陰影區(qū)域外的空間碎片層進行探測，對陰影區(qū)域外的空間碎片層探測結(jié)束后，可見光探測器陣列關(guān)閉，光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)保持工作；當對處于地球陰影區(qū)覆蓋的空間碎片層進行探測時，光學系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)保持工作，同時紅外探測器陣列的制冷系統(tǒng)對紅外探測器進行制冷，達到紅外探測器陣列的工作溫度后，紅外探測器陣列工作，對陰影區(qū)域內(nèi)的空間碎片層進行探測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的光學系統(tǒng)為折射式系統(tǒng)、折反式系統(tǒng)或者反射式系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的探測器陣列為面陣CCD探測器或者CMOS探測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的制冷系統(tǒng)的制冷方式為儲存式制冷、輻射制冷或者機械制冷。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種全空域覆蓋雙模式一體化天基空間碎片探測系統(tǒng)，其特征在于:所述的分光兀件為二向色分束鏡、棱鏡或者光柵。
【文檔編號】G01V8/10GK103675938SQ201310632202
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】焦建超, 阮寧娟, 蘇云, 何寶琨, 王超, 呂紅, 莊緒霞, 李錦勝 申請人:北京空間機電研究所