一種用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)的激光雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光雷達(dá)，特別是一種用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)的激光雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類航天活動(dòng)的日益頻繁，在軌的航天器和空間碎片數(shù)量逐漸增多。在人們共享太空時(shí)代帶來(lái)的便利的同時(shí)，圍繞著地球的空間(尤其是低軌、極軌和地球同步軌道)正變得越來(lái)越擁擠。截至2013年8月7日，SSN編目的在軌廢棄物數(shù)量已達(dá)16801個(gè)。而無(wú)法編目的微小廢棄物重量已達(dá)幾千噸，數(shù)量超過(guò)200億，可造成航天器不同程度的損傷甚至功能失效。
[0003]然而，由于地基空間目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)能力有限，目前只能探測(cè)LE0軌道10cm以上的碎片、GE0軌道30cm以上的碎片。而1?10cm的碎片若與航天器碰撞又足以引起航天器致命性損傷，且其運(yùn)動(dòng)速度較快，若采用軌道機(jī)動(dòng)策略規(guī)避碎片，需要提前一定時(shí)間對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)未編目目標(biāo)軌道預(yù)測(cè)的方法通常是測(cè)量與目標(biāo)的相對(duì)方位和距離。
[0004]激光具有非常高的準(zhǔn)直性，其能量集中，方位指向精確，非常適合遠(yuǎn)距離測(cè)距。使用掃描機(jī)制的激光雷達(dá)可以滿足在遠(yuǎn)距離、小視場(chǎng)內(nèi)對(duì)碎片的探測(cè)。但是由于碎片運(yùn)動(dòng)方向具有隨機(jī)性，可能具有很大的切向速度，為了躲避和編目碎片，需要使用大視場(chǎng)、高幀率探測(cè)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別跟蹤，而傳統(tǒng)掃描激光雷達(dá)很難達(dá)到這種要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種掃描發(fā)射、面陣接收的復(fù)合可見(jiàn)光相機(jī)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，解決遠(yuǎn)距離(距離大于10km)、高速度(速度高于1.5km/s)、小目標(biāo)(面積小于100cm2)的高精度距離和方位探測(cè)和跟蹤問(wèn)題，大大降低了由于掃描激光雷達(dá)瞬時(shí)視場(chǎng)限制導(dǎo)致的探測(cè)失敗概率。
[0006]本發(fā)明目的通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):
[0007]提供一種用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)的激光雷達(dá)，包括激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)、激光發(fā)射器、處理器；
[0008]激光發(fā)射器用于發(fā)射激光；
[0009]激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)主鏡、分光器、可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)、激光探測(cè)系統(tǒng);經(jīng)目標(biāo)表面反射的激光和可見(jiàn)光被系統(tǒng)主鏡收集，經(jīng)分光器分光后，激光進(jìn)入激光探測(cè)系統(tǒng)，激光探測(cè)系統(tǒng)將激光到達(dá)激光探測(cè)系統(tǒng)的時(shí)刻發(fā)送給處理器;可見(jiàn)光進(jìn)入可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)，可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)將圖像信息發(fā)送到處理器；
[0010]處理器接收可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的圖像信息，計(jì)算目標(biāo)的方位信息;根據(jù)接收激光探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的激光到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算目標(biāo)距離激光雷達(dá)的距離。
[0011]優(yōu)選的，還包括二維轉(zhuǎn)臺(tái)，固定所述激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)、激光發(fā)射器，激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)和激光發(fā)射器;處理器根據(jù)計(jì)算出的目標(biāo)方位信息調(diào)整二維轉(zhuǎn)臺(tái)，使得目標(biāo)處于激光探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)視場(chǎng)內(nèi)，根據(jù)接收激光探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的激光到達(dá)時(shí)刻，計(jì)算目標(biāo)距離激光雷達(dá)間的距離。
[0012]優(yōu)選的，目標(biāo)的方位信息的獲取方法如下:處理器在圖像中提取目標(biāo)可見(jiàn)光信息，根據(jù)相鄰兩幅圖像中目標(biāo)位置的變化，計(jì)算目標(biāo)移動(dòng)方向和速度，計(jì)算方位信息。
[0013]優(yōu)選的，激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)還包括脈沖發(fā)射計(jì)時(shí)單元，激光發(fā)射器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)分光后，一路經(jīng)PIN管接收后發(fā)送到脈沖發(fā)射計(jì)時(shí)單元，記錄激光發(fā)射的初始時(shí)間，并將激光發(fā)射的初始時(shí)間發(fā)送給處理器，另一路向目標(biāo)發(fā)射。
[0014]優(yōu)選的，激光發(fā)射器發(fā)出的激光發(fā)散角為2mrad，低于可見(jiàn)光相機(jī)角分辨率。
[0015]優(yōu)選的，激光雷達(dá)接收系統(tǒng)視場(chǎng)角為1°，并使用面陣探測(cè)器進(jìn)行距離成像。
[0016]優(yōu)選的，激光發(fā)射器發(fā)射能量為10-20J。
[0017]優(yōu)選的，所述目標(biāo)為空間碎片，所述激光雷達(dá)固定在航天器上探測(cè)空間碎片的初軌，并進(jìn)行編目。
[0018]優(yōu)選的，可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)采用可見(jiàn)光相機(jī)的光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)，包括可見(jiàn)光光學(xué)接收系統(tǒng)、C⑶探測(cè)器和A/D采集器。
[0019]優(yōu)選的，所述分光器為鍍膜反射鏡。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021](1)本發(fā)明將可見(jiàn)光相機(jī)與激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)復(fù)合使用，大大減小了主被動(dòng)復(fù)合探測(cè)接收光學(xué)系統(tǒng)的尺寸。
[0022](2)本發(fā)明使用掃描裝置對(duì)視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行掃描，在同等探測(cè)能力的條件下降低了激光平均功率，更加適合星上使用。
[0023](3)本發(fā)明使用掃描發(fā)射、面陣探測(cè)器接收的方式，使激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)與可見(jiàn)光相機(jī)中心視場(chǎng)重合，從而實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)激光雷達(dá)的引導(dǎo)，提高系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的捕獲概率。使用掃描發(fā)射、面陣探測(cè)器接收的方式，使激光發(fā)射掃描不影響接收系統(tǒng)。
[0024](4)本發(fā)明提出一種大視場(chǎng)可探測(cè)遠(yuǎn)距離、小尺寸目標(biāo)距離和方位的激光雷達(dá)，可計(jì)算空間尚未編目的小尺寸碎片運(yùn)行軌道，通過(guò)多次交會(huì)探測(cè)，可最終對(duì)其進(jìn)行編目，進(jìn)而保護(hù)在軌航天器的運(yùn)行安全。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為本發(fā)明激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)光路原理圖
[0026]圖2為本發(fā)明激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)的剖面圖；
[0027]圖3為本發(fā)明激光掃描發(fā)射器組成示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明激光雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]本發(fā)明提供一種掃描發(fā)射、面陣接收的復(fù)合可見(jiàn)光相機(jī)的激光雷達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)可見(jiàn)光相機(jī)對(duì)目標(biāo)精確定位，轉(zhuǎn)動(dòng)接收光學(xué)系統(tǒng)使目標(biāo)位于視場(chǎng)中心位置，在小視場(chǎng)內(nèi)使用強(qiáng)激光掃描目標(biāo)，得到目標(biāo)高精度距離信息。
[0030]由于小碎片尺寸非常小，其反射截面非常小，雖然激光方向性很好，但是在10公里以外的光束截面積遠(yuǎn)大于小碎片尺寸，導(dǎo)致小碎片激光反射效率很低。除此之外，碎片表面材料漫反射、碎片自旋、接收光學(xué)系統(tǒng)效率，都會(huì)降低激光反射后的能量，導(dǎo)致激光利用率進(jìn)一步降低。若使用發(fā)散角較大的光束覆蓋小視場(chǎng)，對(duì)于其中目標(biāo)面陣成像，那么對(duì)激光器的發(fā)射功率要求極高。由于星上設(shè)備體積重量有明確要求，高功率激光器體積重量難以滿足要求，所以必須降低激光器發(fā)射功率，減小激光光束發(fā)散角，從而降低激光輸出功率，因此使用掃描型激光雷達(dá)對(duì)小視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行掃描。
[0031]傳統(tǒng)掃描激光雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)共光路，使用二維掃描鏡進(jìn)行視場(chǎng)掃描。但是由于激光雷達(dá)需要使用可見(jiàn)光相機(jī)進(jìn)行引導(dǎo)，激光雷達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)如果能夠與可見(jiàn)光相機(jī)復(fù)合，將降低系統(tǒng)算法難度，并且減輕系統(tǒng)重量。因此，系統(tǒng)使用掃描發(fā)射、面陣接收的激光雷達(dá)對(duì)小碎片進(jìn)行探測(cè)。
[0032]參見(jiàn)圖2系統(tǒng)包括以下部分:激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)、激光發(fā)射器、星上處理器；
[0033]參見(jiàn)圖3激光發(fā)射器用于發(fā)射激光，包括脈沖激光器8、分光鏡5、激光整形擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)6、激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、PIN、脈沖發(fā)射計(jì)時(shí)單元。脈沖激光器發(fā)射的激光經(jīng)分光鏡分光后，一路經(jīng)激光整形擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行整形擴(kuò)束后，由激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)；另一路經(jīng)PIN管接收后發(fā)送到脈沖發(fā)射計(jì)時(shí)單元，記錄激光發(fā)射的初始時(shí)間。激光發(fā)射器發(fā)出的激光經(jīng)整形擴(kuò)束后發(fā)散角為2mrad，低于可見(jiàn)光相機(jī)角分辨率。激光雷達(dá)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)安裝有振鏡7，用于在視場(chǎng)內(nèi)掃描。激光雷達(dá)接收系統(tǒng)視場(chǎng)角為1°，并使用面陣探測(cè)器進(jìn)行距離成像。
[0034]激光與可見(jiàn)光探測(cè)系統(tǒng)包括系統(tǒng)主鏡1、分光器4、可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)2、激光探測(cè)系統(tǒng)3、二維轉(zhuǎn)臺(tái)11;經(jīng)目標(biāo)表面反射的激光和可見(jiàn)光被系統(tǒng)主鏡收集，經(jīng)分光器4分光后，激光進(jìn)入激光探測(cè)系統(tǒng)3，激光探測(cè)系統(tǒng)將激光到達(dá)激光探測(cè)系統(tǒng)3的時(shí)刻發(fā)送給處理器;可見(jiàn)光進(jìn)入可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)2，可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)2將圖像信息發(fā)送到處理器；
[0035]參見(jiàn)圖1可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)包括可見(jiàn)光光學(xué)接收系統(tǒng)、(XD探測(cè)器、A/D采集器，均采用可見(jiàn)光相機(jī)的現(xiàn)有裝置。
[0036]激光探測(cè)系統(tǒng)包括激光雷達(dá)光學(xué)接收系統(tǒng)，APD探測(cè)器，脈沖到達(dá)計(jì)時(shí)單元，將激光到達(dá)時(shí)刻發(fā)送給處理器。
[0037]處理器接收可見(jiàn)光光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的圖像信息，計(jì)算目標(biāo)的方位信息包括偏航、俯仰角度;根據(jù)接收激光探測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的激光到達(dá)時(shí)刻和激光發(fā)射的初始時(shí)間，計(jì)算目標(biāo)距離。<