一种用于远距离目标探测的激光雷达制造技术

本发明专利技术涉及一种用于远距离目标探测的激光雷达，包括激光与可见光探测系统、激光发射器、处理器；激光与可见光探测系统包括系统主镜、分光器、可见光光学探测系统、激光探测系统；经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器分光后，激光进入激光探测系统，激光探测系统将激光到达激光探测系统的时刻发送给处理器；可见光进入可见光光学探测系统，可见光光学探测系统将图像信息发送到处理器；处理器根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离；接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息。本发明专利技术将可见光相机与激光雷达接收光学系统复合使用，减小了主被动复合探测接收光学系统的尺寸，减轻了系统重量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光雷达，特别是一种用于远距离目标探测的激光雷达。
技术介绍
随着人类航天活动的日益频繁，在轨的航天器和空间碎片数量逐渐增多。在人们共享太空时代带来的便利的同时，围绕着地球的空间(尤其是低轨、极轨和地球同步轨道)正变得越来越拥挤。截至2013年8月7日，SSN编目的在轨废弃物数量已达16801个。而无法编目的微小废弃物重量已达几千吨，数量超过200亿，可造成航天器不同程度的损伤甚至功能失效。然而，由于地基空间目标探测系统探测能力有限，目前只能探测LE0轨道10cm以上的碎片、GE0轨道30cm以上的碎片。而1?10cm的碎片若与航天器碰撞又足以引起航天器致命性损伤，且其运动速度较快，若采用轨道机动策略规避碎片，需要提前一定时间对其运动轨迹进行预测。对未编目目标轨道预测的方法通常是测量与目标的相对方位和距离。激光具有非常高的准直性，其能量集中，方位指向精确，非常适合远距离测距。使用扫描机制的激光雷达可以满足在远距离、小视场内对碎片的探测。但是由于碎片运动方向具有随机性，可能具有很大的切向速度，为了躲避和编目碎片，需要使用大视场、高帧率探测设备进行识别跟踪，而传统扫描激光雷达很难达到这种要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种扫描发射、面阵接收的复合可见光相机的激光雷达系统，解决远距离(距离大于10km)、高速度(速度高于1.5km/s)、小目标(面积小于100cm2)的高精度距离和方位探测和跟踪问题，大大降低了由于扫描激光雷达瞬时视场限制导致的探测失败概率。本专利技术目的通过如下技术方案予以实现:提供一种用于远距离目标探测的激光雷达，包括激光与可见光探测系统、激光发射器、处理器；激光发射器用于发射激光；激光与可见光探测系统包括系统主镜、分光器、可见光光学探测系统、激光探测系统;经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器分光后，激光进入激光探测系统，激光探测系统将激光到达激光探测系统的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统，可见光光学探测系统将图像信息发送到处理器；处理器接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息;根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离激光雷达的距离。优选的，还包括二维转台，固定所述激光与可见光探测系统、激光发射器，激光与可见光探测系统和激光发射器;处理器根据计算出的目标方位信息调整二维转台，使得目标处于激光探测系统的探测视场内，根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻，计算目标距离激光雷达间的距离。优选的，目标的方位信息的获取方法如下:处理器在图像中提取目标可见光信息，根据相邻两幅图像中目标位置的变化，计算目标移动方向和速度，计算方位信息。优选的，激光与可见光探测系统还包括脉冲发射计时单元，激光发射器发射的脉冲激光经分光后，一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间，并将激光发射的初始时间发送给处理器，另一路向目标发射。优选的，激光发射器发出的激光发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。优选的，激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。优选的，激光发射器发射能量为10-20J。优选的，所述目标为空间碎片，所述激光雷达固定在航天器上探测空间碎片的初轨，并进行编目。优选的，可见光光学探测系统采用可见光相机的光学探测系统，包括可见光光学接收系统、C⑶探测器和A/D采集器。优选的，所述分光器为镀膜反射镜。本专利技术与现有技术相比具有如下优点:(1)本专利技术将可见光相机与激光雷达接收光学系统复合使用，大大减小了主被动复合探测接收光学系统的尺寸。(2)本专利技术使用扫描装置对视场内进行扫描，在同等探测能力的条件下降低了激光平均功率，更加适合星上使用。(3)本专利技术使用扫描发射、面阵探测器接收的方式，使激光雷达接收光学系统与可见光相机中心视场重合，从而实现大视场可见光相机对激光雷达的引导，提高系统对目标的捕获概率。使用扫描发射、面阵探测器接收的方式，使激光发射扫描不影响接收系统。(4)本专利技术提出一种大视场可探测远距离、小尺寸目标距离和方位的激光雷达，可计算空间尚未编目的小尺寸碎片运行轨道，通过多次交会探测，可最终对其进行编目，进而保护在轨航天器的运行安全。【附图说明】图1为本专利技术激光与可见光探测系统光路原理图图2为本专利技术激光与可见光探测系统的剖面图；图3为本专利技术激光扫描发射器组成示意图；图4为本专利技术激光雷达系统组成示意图。【具体实施方式】本专利技术提供一种扫描发射、面阵接收的复合可见光相机的激光雷达系统，经过可见光相机对目标精确定位，转动接收光学系统使目标位于视场中心位置，在小视场内使用强激光扫描目标，得到目标高精度距离信息。由于小碎片尺寸非常小，其反射截面非常小，虽然激光方向性很好，但是在10公里以外的光束截面积远大于小碎片尺寸，导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、接收光学系统效率，都会降低激光反射后的能量，导致激光利用率进一步降低。若使用发散角较大的光束覆盖小视场，对于其中目标面阵成像，那么对激光器的发射功率要求极高。由于星上设备体积重量有明确要求，高功率激光器体积重量难以满足要求，所以必须降低激光器发射功率，减小激光光束发散角，从而降低激光输出功率，因此使用扫描型激光雷达对小视场内进行扫描。传统扫描激光雷达的发射系统和接收系统共光路，使用二维扫描镜进行视场扫描。但是由于激光雷达需要使用可见光相机进行引导，激光雷达接收光学系统如果能够与可见光相机复合，将降低系统算法难度，并且减轻系统重量。因此，系统使用扫描发射、面阵接收的激光雷达对小碎片进行探测。参见图2系统包括以下部分:激光与可见光探测系统、激光发射器、星上处理器；参见图3激光发射器用于发射激光，包括脉冲激光器8、分光镜5、激光整形扩束光学系统6、激光发射光学系统、PIN、脉冲发射计时单元。脉冲激光器发射的激光经分光镜分光后，一路经激光整形扩束光学系统进行整形扩束后，由激光发射光学系统发射进行目标探测；另一路经PIN管接收后发送到脉冲发射计时单元，记录激光发射的初始时间。激光发射器发出的激光经整形扩束后发散角为2mrad，低于可见光相机角分辨率。激光雷达发射光学系统安装有振镜7，用于在视场内扫描。激光雷达接收系统视场角为1°，并使用面阵探测器进行距离成像。激光与可见光探测系统包括系统主镜1、分光器4、可见光光学探测系统2、激光探测系统3、二维转台11;经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜收集，经分光器4分光后，激光进入激光探测系统3，激光探测系统将激光到达激光探测系统3的时刻发送给处理器;可见光进入可见光光学探测系统2，可见光光学探测系统2将图像信息发送到处理器；参见图1可见光光学探测系统包括可见光光学接收系统、(XD探测器、A/D采集器，均采用可见光相机的现有装置。激光探测系统包括激光雷达光学接收系统，APD探测器，脉冲到达计时单元，将激光到达时刻发送给处理器。处理器接收可见光光学探测系统发送的图像信息，计算目标的方位信息包括偏航、俯仰角度;根据接收激光探测系统发送的激光到达时刻和激光发射的初始时间，计算目标距离。<当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于远距离目标探测的激光雷达，其特征在于：包括激光与可见光探测系统(10)、激光发射器(9)、处理器；激光发射器(9)用于发射激光；激光与可见光探测系统(10)包括系统主镜(1)、分光器(4)、可见光光学探测系统(2)、激光探测系统(3)；经目标表面反射的激光和可见光被系统主镜(1)收集，经分光器(4)分光后，激光进入激光探测系统(3)，激光探测系统(3)将激光到达激光探测系统(3)的时刻发送给处理器；可见光进入可见光光学探测系统(2)，可见光光学探测系统(2)将图像信息发送到处理器；处理器接收可见光光学探测系统(2)发送的图像信息，计算目标的方位信息；根据接收激光探测系统(3)发送的激光到达时刻，计算目标与激光雷达间的距离。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩旭，李志，尹建凤，林亲，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11