用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法

YNAO OpenIR > 应用天文研究组

	用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法
	彭月 ; 翟东升2 ; 苏必达 ; 王静 ; 孙腾 ; 陈红 ; 李鹏飞2 ; 李语强2
申请（专利权）人	北京环境特性研究所 ; 中国科学院云南天文台
专利号	ZL202310330114.1
申请号	CN202310330114.1
	2023-05-30
申请日期	2023-03-30
公开（公告）号	CN116184428A
公开日期	2023-05-30
IPC 分类号	G01S17/48G01S7/484G01S7/4865G01S7/481G01N21/21
授权国家	中国
专利类型	发明
专利状态	公开
学科领域	天文学 ; 天体测量学 ; 电子、通信与自动控制技术
产权排序	2
摘要	本发明涉及激光雷达探测技术领域，特别涉及一种用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法。其中，系统包括：激光发射模块、转镜组件、共用光路、回波接收模块和控制分系统；激光发射模块，用于发射对应波长的偏振光；转镜组件设置在激光发射模块、回波接收模块与共用光路之间，用于在发射状态时，移动至第一目标位置使激光发射模块发射的偏振光直接发射至共用光路，在接收状态时，转镜组件移动至第二目标位置，以将共用光路接收的目标回波反射至回波接收模块，以实现光路切换；控制分系统根据目标回波的接收时间和偏振光的发射时间实现远距离目标空间碎片的测距，以及根据目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别目标空间碎片的材质。
主权项	1.一种用于探测空间碎片的激光雷达系统，其特征在于，包括：激光发射模块(1)、转镜组件(2)、共用光路(3)、回波接收模块(4)和控制分系统；所述激光发射模块(1)，设置在所述转镜组件(2)的第一端，所述激光发射模块(1)用于发射第一波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光或第二波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；其中，所述第二波长小于所述第一波长；所述转镜组件(2)，设置在所述激光发射模块(1)、所述回波接收模块(4)与所述共用光路(3)之间，所述转镜组件(2)用于在发射状态时，移动至第一目标位置(a)使所述激光发射模块(1)发射的偏振光直接发射至所述共用光路(3)，在接收状态时，所述转镜组件(2)移动至第二目标位置，以将所述共用光路(3)接收的目标回波反射至所述回波接收模块(4)，以实现收发状态转换的光路切换；所述共用光路(3)，设置在所述转镜组件(2)的第二端，所述共用光路(3)用于在发射状态时，将所述偏振光发射至目标空间碎片，在接收状态时，接收所述目标空间碎片反射的目标回波；所述回波接收模块(4)，设置在所述转镜组件(2)的第三端，所述回波接收模块(4)用于接收所述目标回波，并探测出所述目标回波在不同偏振态下的回波强度；所述控制分系统分别与所述激光发射模块(1)、所述转镜组件(2)、所述共用光路(3)和所述回波接收模块(4)电连接，所述控制分系统用于控制所述激光发射模块(1)、所述转镜组件(2)、所述共用光路(3)和所述回波接收模块(4)的工作状态，并接收所述回波接收模块(4)探测的得到所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，以根据所述目标回波的接收时间和所述偏振光的发射时间确定所述目标空间碎片的距离，以及根据所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。 2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发射模块(1)包括：双波长激光装置(11)和起偏组件(12)；所述双波长激光装置(11)用于根据所述控制分系统的指令发射对应波长的线偏振光；所述双波长激光装置(11)包括第一激光器、第二激光器、反射组镜、倍频晶片，所述第一激光器和所述第二激光器并排设置，且所述第二激光器的出射端与所述双波长激光装置(11)的激光出射端处于同一直线；其中，所述第一激光器和所述第二激光器发射的线偏振光的波长均为第一波长；所述反射组镜设置在所述第一激光器的出射端，用于将所述第一激光器发射的第一波长的线偏振光反射至所述双波长激光装置(11)的激光出射端；所述倍频晶片设置在所述第二激光器的出射端，用于将所述第二激光器发射的第一波长的线偏振光转换成第二波长的线偏振光；所述起偏组件(12)设置在所述双波长激光装置(11)的激光出射端，所述起偏组件(12)用于将所述第一波长或第二波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。 3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述起偏组件(12)包括：第一位移平台(121)、第一旋转波片组(122)和第二旋转波片组(123)；其中，所述第一旋转波片组(122)和第二旋转波片组(123)分别适用于第一波长和第二波长；所述第一旋转波片组(122)包括第一波长的四分之一波片和二分之一波片，所述第二旋转波片组(123)包括第二波长的四分之一波片和二分之一波片；所述第一旋转波片组(122)和所述第二旋转波片组(123)设置在所述第一位移平台(121)上，通过所述第一位移平台(121)的移动，使所述双波长激光装置(11)发射的线偏振光穿过所述第一旋转波片组(122)或所述第二旋转波片组(123)；所述第一位移平台(121)用于根据所述双波长激光装置(11)发射的线偏振光的波长移动，以使对应波长的旋转波片组移动至所述双波长激光装置(11)的激光出射方向上，以利用对应波长的旋转波片组将对应波长的线偏振光调制成不同偏振方向及偏振态的偏振光。 4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述转镜组件(2)包括：圆形镜片、镜室、传动机构、电机、控制驱动装置和同步信号发生器；所述镜片的边缘开设有通光槽，所述通光槽用于在发射状态时，使所述激光发射模块(1)发射的偏振光通过，直接发射至所述共用光路(3)；且在接收状态时，所述目标回波从所述共用光路(3)发射至所述镜片上，以利用所述镜片将所述目标回波反射至所述回波接收模块(4)；所述镜室用于安装所述镜片，且所述镜室的中心处与所述传动机构连接；所述传动机构的另一端与所述电机连接，所述电机与所述控制驱动装置电连接，所述控制驱动装置用于控制所述电机的旋转速度，以带动所述传动机构、所述镜室和所述镜片旋转；所述同步信号发生器用于检测所述镜片的转动，当所述镜片转动至设定位置时，所述同步信号发生器产生脉冲信号至所述控制分系统，以控制所述激光发射模块(1)发射对应波长的偏振光，且所述通光槽转动至所述第三目标位置，以使所述偏振光穿过所述通光槽发射至所述共用光路(3)。 5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述共用光路(3)包括：调整光路(31)、分光镜(32)和望远镜(33)；所述调整光路(31)设置在所述转镜组件(2)的第二端，用于在发射状态时，将所述激光发射模块(1)发射的偏振光扩束为准直光，在接收状态时，缩小所述目标回波的光束；所述分光镜(32)为平面镜，设置在所述调整光路(31)的另一端，用于将扩束后的偏振光反射至所述望远镜(33)，以及将所述目标回波反射至所述调整光路(31)；所述望远镜(33)设置在所述分光镜(32)的另一端，用于将扩束后的偏振光向所述目标空间碎片发射，以及接收所述目标空间碎片反射的所述目标回波。 6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述调整光路(31)包括：第一负透镜(311)、第二负透镜(312)、第二位移平台(313)、正透镜(314)；所述第一负透镜(311)和所述第二负透镜(312)的适用波长分别为第一波长和第二波长，所述第一负透镜(311)和第二负透镜(312)设置于所述第二位移平台(313)上，通过所述第二位移平台(313)的移动，使所述偏振光或所述目标回波穿过所述第一负透镜(31)或所述第二负透镜(312)；所述正透镜(314)设置在所述分光镜(312)的一端。 7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述回波接收模块(4)包括：第三位移平台(41)、第一反射镜(42)、第一回波接收箱(43)和第二回波接收箱(44)；所述第二回波接收箱(44)设置于所述转镜组件(2)的第三端，且所述第二回波接收箱(44)的上端设置所述第三位移平台(41)；所述第二回波接收箱(44)用于接收所述第二波长的目标回波；所述第一回波接收箱(43)与所述第二回波接收箱(44)平行设置，且所述第一回波接收箱(43)的上端设置所述第一反射镜(42)；所述第一回波接收箱(43)用于接收所述第一波长的目标回波；所述第三位移平台(41)设置有第二反射镜(411)，当所述目标回波为第二波长时，所述第三位移平台(41)移出所述第二回波接收箱(44)的上端，以使所述目标回波经由所述转镜组件(2)反射至所述第二回波接收箱(44)；当所述目标回波为第一波长时，所述第三位移平台(41)将所述第二反射镜(411)移至所述第二回波接收箱(44)的上端，以利用所述第二反射镜(411)将所述转镜组件(2)反射的所述目标回波，反射至所述第一反射镜(42)，再利用所述第一反射镜(42)将所述目标回波反射至所述第一回波接收箱(43)。 8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述第一回波接收箱(43)包括：第一聚焦透镜(431)、第一小孔光阑(432)、第一准直透镜(433)、第一波长的四分之一波片(434)、格兰激光偏振器(435)、光纤耦合透镜(436)和第一单光子探测器(437)；所述第二回波接收箱(44)包括：第二聚焦透镜(441)、第二小孔光阑(442)、第二准直透镜(443)、第二波长的四分之一波片(444)、偏振片(445)和第二单光子探测器(446)。 9.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其特征在于，还包括：偏振检测装置；所述偏振检测装置用于检测所述激光发射模块(1)发射的所述偏振光的偏振态，以使所述控制分系统在接收到所述回波接收模块(4)探测的得到所述目标回波在不同偏振态下的回波强度后，根据所述激光发射模块(1)发射的所述偏振光的偏振态和所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。 10.一种基于权利要求1-9中任一项所述系统的空间碎片探测方法，其特征在于，包括：当转镜组件(2)移动至第一目标位置(a)时，控制分系统控制激光发射模块(1)发射对应波长的不同偏振方向及偏振态的偏振光；对应波长的双点高反射镜(5)将所述偏振光直接反射至共用光路(3)，以利用所述共用光路(3)将所述偏振光发射至目标空间碎片；利用所述共用光路(3)接收所述目标空间碎片反射的目标回波；其中，所述目标回波的波长与所述偏振光的波长相同；所述转镜组件(2)移动至第二目标位置(b)，以将所述共用光路(3)接收的目标回波反射至所述回波接收模块(4)；利用所述回波接收模块(4)对所述目标回波在不同偏振态下的回波强度进行探测，并将所述探测结果发送至所述控制分系统；所述控制分系统根据所述目标回波的接收时间和所述偏振光的发射时间确定所述目标空间碎片的距离，以及根据所述目标回波在不同偏振态下的回波强度，识别所述目标空间碎片的材质。
语种	中文
专利代理人	谭辉
代理机构	北京格允知识产权代理有限公司
文献类型	专利
条目标识符	http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/26041
专题	应用天文研究组
作者单位	1.北京环境特性研究所; 2.中国科学院云南天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	彭月,翟东升,苏必达,等. 用于探测空间碎片的激光雷达系统及空间碎片探测方法. ZL202310330114.1[P]. 2023-05-30.

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文件名称/大小	文献类型	版本类型	开放类型	使用许可
CN116184428A-用于探测空间碎（1067KB）	专利		开放获取	CC BY-NC-SA	浏览请求全文