一种全空域覆盖双模式一体化天基空间碎片探测系统

摘要

一种全空域覆盖双模式一体化天基空间碎片探测系统，包括光学系统、分光元件、探测器阵列、制冷系统。探测器阵列包括可见光探测器阵列和红外探测器阵列，光学系统以及红外探测器阵列分别配置制冷系统。空间碎片目标反射的可见光和自身辐射的红外光由光学系统收集，分光元件将可见光和红外光分成独立的两路，分别到达可见光探测器阵列和红外探测器阵列。制冷系统分别对光学系统以及红外探测器阵列进行制冷。当探测系统对地球阴影区域外空间碎片层探测时，可见光探测器阵列进行成像；当探测系统对处于地球阴影区覆盖的空间碎片层进行探测时，红外探测器阵列进行成像。可见光探测器阵列与红外探测器阵列分时工作，实现空间碎片探测的全空域覆盖。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间碎片探测系统。

背景技术

目前，随着人类航天活动的日渐频繁，各种航天活动产生了大量的空间碎 片。空间碎片的相对运动速度可达15km/s，具有巨大动能，尺寸大于1cm的 空间碎片能够严重损毁航天器，对航天器的在轨安全运行构成了严重威胁。

空间碎片探测是利用遥感或直接接触的方式，对空间碎片环境进行动态监 视及对大尺寸空间碎片进行跟踪、编目，达到为航天器安全在轨运行提供告警 信息的目的。空间碎片探测是目前预防航天器与空间碎片碰撞的有效方式。此 外，为了保障航天器不受空间碎片撞击，要求空间碎片探测具有全时域、全空 域覆盖能力。

采用直接接触的方式只能探测尺寸在毫米级以下的空间碎片，而威胁度较 大的空间碎片尺寸在1cm以上，通常需要采用遥感探测的方式。空间碎片遥感 探测主要包括地基和天基两种探测途径，每种途径都包括光学和雷达两种实现 手段。

对于地基探测途径，是指在地面建立空间碎片探测系统。这种方式的优点 是技术相对成熟、投资成本相对低，地面设备不受体积和质量等因素限制，探 测设备可采用大口径以获取高空间分辨率，采用大发射功率实现更远的探测距 离。但这种方式易受地理位置、光照、气象等条件限制，可观测空域有限，一 天中的有效观测时间也相对有限。因此，地基空间碎片探测系统无法达到对空 域、时域的全天候无缝覆盖，也就无法为航天器安全在轨运行提供完善、可靠 的告警服务。

对于天基探测途径，是指在天基平台（包括卫星、空间站）上建立空间碎 片探测系统。这种方式的优点是不受地理位置及气象条件限制，通过在不同轨 道布置多个天基探测系统，可以实现对空域、时域的无缝覆盖。由于不受地球 大气干扰，天基空间碎片探测系统可以实现更高的分辨率和测量精度。因此， 天基空间碎片探测在空域覆盖性和监视时效性等方面具有较大优势，是未来空 间碎片探测的重要发展趋势。天基空间碎片探测包括光学和雷达两种手段，其 中光学手段主要包括可见光、红外两种方式，雷达探测包括微波雷达、激光雷 达两种方式。

天基雷达探测属于主动探测方式，其优势为不受光照条件限制，能够实现 全时域覆盖，并且能够获取更丰富的空间碎片信息。但是天基雷达探测系统采 用主动探测方式，并且存在天线，往往功耗大、体积大、重量大，并且由于天 基平台可提供的能源有限，制约了雷达的可探测距离，通常雷达探测距离约 50km。天基光学探测属于被动探测方式，其优势为探测距离大，探测系统体积 小、重量轻、功耗低。对比天基雷达探测系统，具有较高效费比，因此目前已 发射和规划中的天基空间碎片探测系统多采用光学探测手段。

天基光学探测主要包括可见光和红外两种方式，天基可见光探测系统通过 探测目标反射的太阳光而探测目标，具有系统结构简单、分辨率高、探测距离 远的优点，所以目前天基光学探测系统多采用可见光方式。但是，对于空间碎 片探测，需要实现全空域覆盖。而地球存在阴影区，这一区域所覆盖的空间碎 片层（指空间碎片密度较大的区域，一般是轨道高度在300～2000km范围内的 区域）内无太阳光照，如图1所示，天基可见光探测系统无法探测处于阴影区 覆盖的空间碎片，因此无法实现空间碎片探测的全空域覆盖。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种全空域覆盖 双模式一体化天基空间碎片探测系统，通过可见光通道和红外通道一体化设计， 充分发挥红外谱段探测目标自身红外辐射的优势，实现了空间碎片探测的全空 域覆盖。

本发明的技术解决方案是：一种全空域覆盖双模式一体化天基空间碎片探 测系统，搭载于天基平台，包括光学系统、分光元件、探测器阵列、制冷系统； 探测器阵列包括可见光探测器阵列和红外探测器阵列；制冷系统包括光学系统 的制冷系统以及红外探测器阵列的制冷系统；空间碎片目标反射的可见光和自 身辐射的红外光首先由光学系统收集，然后通过分光元件将同时收集到的可见 光和红外光分开成独立的两路，分别到达可见光探测器阵列和红外探测器阵列 进行成像；当对地球阴影区域外空间碎片层进行探测时，制冷系统对光学系统 进行制冷，制冷达到光学系统的工作温度后，可见光探测器阵列工作，对阴影 区域外的空间碎片层进行探测，对阴影区域外的空间碎片层探测结束后，可见 光探测器阵列关闭，光学系统的制冷系统保持工作；当对处于地球阴影区覆盖 的空间碎片层进行探测时，光学系统的制冷系统保持工作，同时红外探测器阵 列的制冷系统对红外探测器进行制冷，达到红外探测器阵列的工作温度后，红 外探测器阵列工作，对阴影区域内的空间碎片层进行探测。

所述的光学系统为折射式系统、折反式系统或者反射式系统。所述的探测 器阵列为面阵CCD探测器或者CMOS探测器。所述的制冷系统的制冷方式为 储存式制冷、辐射制冷或者机械制冷。所述的分光元件为二向色分束镜、棱镜 或者光栅。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明在天基探测系统中增加红外通道，利用红外谱段探测空间碎片 的自身辐射，可探测到处于地球阴影区的空间碎片，弥补了可见光探测系统受 光照条件限制的缺陷，实现了空间碎片探测的全空域覆盖；

（2）本发明的探测系统有两种探测模式：可见光探测模式和红外探测模式。 探测系统对地球阴影区域外空间碎片层探测时，采用可见光探测模式；对地球 阴影区空间碎片层探测时，采用红外探测模式。两种探测模式分时工作，在实 现全空域覆盖的同时能够节省大量天基平台的能源；

（3）本发明的探测系统采用一体化设计思想，将两种探测模式集成到一个 系统中，实现的探测系统结构简单，重量轻，便于应用到天基平台；

（4）本发明的探测系统搭载于天基平台，较传统地基探测系统而言，具有 分辨率高，定轨精度高，可全天时、全天候工作的特点。

附图说明

图1为本发明所描述的空间碎片环境示意图；

图2为本发明所述的探测系统组成原理框图；

图3为本发明中光学系统的一种实现结构图。

具体实施方式

本发明的空间碎片探测系统为天基空间碎片探测系统，即所述的探测系统 需搭载于天基平台。

如图2所示，本发明是一种全空域覆盖双模式一体化天基空间碎片探测系 统，组成部分包括：光学系统、分光元件、探测器阵列、制冷系统。

光学系统用于收集空间碎片目标反射的可见光和自身辐射的红外光，其中， 红外光收集能力可达到对长波红外（8μm-12μm）的收集。分光元件用于将光 学系统同时收集到的可见光和红外光分开成两路，其中反射的是可见光，透射 的是红外光。经过分光元件分光后的可见光和红外光，分别由可见光探测器阵 列和红外探测器阵列接收并成像。在探测系统工作过程中，制冷系统1对光学 系统进行制冷，保证光学系统处于低温环境中。当红外探测器工作时，制冷系 统2工作，保证红外探测器的工作温度。

在本发明中，光学系统可以是折射式系统、反射式系统或折反式系统。图 3为一种包括主镜、次镜、三镜的三反离轴光学系统。

分光元件可以是二向色分束镜，也可以是其它种类的分光元件。二向色分 束镜是能够将一种（或多种）波长的光反射，将另一种（或多种）波长的光透 过，达到将不同波长的光分开的一种光学元件。二向色分束镜具体可选用美国 Semrock二向色分束镜、Andover二向色分束镜。其它种类的分光元件可选用 棱镜或者光栅。

探测器阵列包括可见光探测器阵列和红外探测器阵列。探测器可以是面阵 CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）探测器。

制冷系统包括光学系统的制冷系统1以及红外探测器阵列的制冷系统2。 制冷系统可以选用辐射制冷器、斯特林制冷机等。

制冷方式可以是储存式制冷、辐射制冷或机械制冷，制冷温度通常根据要 实现的具体探测系统指标而确定。

本发明采用可见光和红外两种探测模式分时工作方式，具体步骤如下：

（1）当探测系统对如图1所示阴影区域外的空间碎片层进行探测时，制 冷系统1工作，对光学系统制冷，达到光学系统的工作温度后，可见光探测器 阵列工作，对阴影区域外的空间碎片层进行探测。对阴影区域外的空间碎片层 探测结束后，可见光探测器阵列关闭，制冷系统1继续工作。

（2）当探测系统对如图1所示阴影区域内的空间碎片层进行探测时，制 冷系统1继续对光学系统制冷，同时制冷系统2工作，对红外探测器制冷，达 到红外探测器阵列的工作温度后，红外探测器阵列工作，对阴影区域内的空间 碎片层进行探测。

如上所述，可见光和红外两种探测模式分时工作，可以实现空间碎片探测 的全空域覆盖。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。