天基空间碎片光电探测新技术研究

付强, 史浩东, 王超, 刘壮,李英超, 姜会林

(1. 长春理工大学空间光电技术研究所, 长春130022;2. 吉林省空间光电技术重点实验室, 长春130022;3. 空间光电技术国家地方联合工程中心, 长春130022)

1 引言

空间碎片主要包括废弃的人造卫星、 航天器电池和燃料箱爆炸或撞击产生的碎片、 运载火箭的末级、 固体火箭发动机的喷射物、 在执行航天任务过程中的抛弃物等。 据美国空间监视网(SSN) 观测, 尺寸大于10cm 空间碎片约2 万个、1 ～10cm 之间约有90 多万个、 1 ～0.1cm 之间约有3000 多万个, 其中低轨区域的约占75%。 空间碎片给在轨航天器的正常运行和宇航员的人身安全造成巨大威胁, 已严重影响人类的空间科技活动。 因此, 各航天大国均开展了空间碎片的探测编目工作, 通过精准掌握空间碎片尺寸数量、持续感知空间碎片运动轨迹, 提前做出预警规避, 以保障空间活动的正常开展。

目前, 具备空间碎片探测能力的国家和地区主要有美国、 俄罗斯、 欧洲、 中国等。 美国采用地基全球布站、 天地联合探测的体制, 累计编目空间碎片23000 多个, 低轨探测能力10cm, 定轨精度500m; 高轨探测能力20cm, 定轨精度2km,并且正朝着低轨探测1cm, 定轨精度10m; 高轨探测10cm, 定轨精度100m 方向发展。 俄罗斯同样采用全球布站, 累计编目11000 多个, 低轨探测能力15cm, 具备对空间碎片发现、 跟踪、 识别的能力。 1995 年, 我国加入国际组织机构间空间碎片协调委员会, 采取了积极务实的举措以加强空间碎片监测、 预警甚至清除等工作。 目前我国监测范围、 探测能力、 定轨精度等方面技术与美俄等国相比较低。 近年来, 随着天基光电技术的不断发展, 我国已开展了数次天基观测试验。 由于天基观测具有地基不可比拟的优势, 未来天基空间碎片探测必将成为不可或缺的重要手段之一, 而与之相关的光电探测技术也必将受到国内外的高度重视。

未来, 为进一步提升对空间碎片的感知能力, 天基空间碎片探测系统将朝着高分辨、 多维度、 多功能等方向发展。 超分辨成像、 偏振光谱探测、 测侦通一体化等一大批新兴光电探测核心关键技术不断从理论走向工程应用, 为天基空间碎片的精准高效探测提供了更多的技术手段, 探测效果正逐步显现。 本文重点针对上述三种技术手段进行阐述, 其他关键技术由于篇幅原因不做具体分析。

2 光学超分辨成像

大多数空间碎片尺寸小, 距离远, 目前仅能通过点源探测手段判断有无, 难以对空间碎片的尺寸和形状进行精细识别, 更难以看清空间碎片细节。 然而, 随着微纳卫星技术的跨越式发展,未来在轨卫星将与空间碎片尺寸相当, 这对空间碎片的甄别提出了更严峻的挑战。 因此, 亟需提升天基光学系统的成像分辨率。 由光学原理可知, 成像分辨率主要受探测器分辨率和光学系统衍射分辨率限制, 探测器像元尺寸越小, 分辨率越高, 但工艺难度越大; 而光学系统衍射分辨率由光学系统口径决定, 口径越大, 分辨率越高。传统成像光学系统大多受探测器分辨率限制, 而天基空间碎片探测系统往往受口径限制。 但受限于火箭发射能力和成本, 光学系统口径难以做大, 严重影响目前天基光学系统的空间分辨率。

光学超分辨成像是近年来提出的一种新兴光学概念, 与以往图像超分辨处理方式不同, 不仅需要对光学系统进行设计改造, 还需对图像进行超分辨率重构, 通过计算光学的方式实现超分辨率成像。 2014 年, 诺贝尔化学奖即授予三位从事显微光学超分辨率成像的科学家[1]。 而空间遥感领域的超分辨成像与显微成像有所不同, 其观测的目标往往是非合作的动态目标, 这对超分辨率成像提出了更高的要求。

目前, 在空间遥感领域方面, 光学超分辨成像技术主要有合成孔径超分辨成像、 光筛子超分辨成像、 超振荡透镜超分辨成像以及瞳函数调制超分辨成像等。 其中, 合成孔径超分辨成像是将多个子孔径的不同接收光束进行相位调整后相干叠加, 得到一个分辨率等效为更大口径系统分辨率的光学成像系统[2]。 这种方式虽然降低了子孔径的加工难度, 但系统整体尺寸并没有太大的减少。 光子筛是一种类似于菲涅尔波带片的衍射光学元件, 将波带片的环带设计成大量微孔, 可以达到比其特征尺寸更小的超分辨效果, 但其衍射效率比波带片低, 且工作波长很窄, 也不适用于天基空间碎片远距离观测。 超振荡透镜超分辨成像是利用超振荡函数调制的光学波前, 在远场传输场中利用相干叠加产生超分辨聚焦光斑, 从而实现远场超分辨。 但由于主瓣能量过高, 损失能量过大, 导致其同样不适用于空间碎片探测。

瞳函数调制超分辨成像是超震荡透镜超分辨的一种特殊形式, 利用光瞳处的超分辨衍射元件或相位板对点扩散函数进行调制, 通过有针对性地设计相位板, 调制主瓣能量和旁瓣能量分布,从而实现高对比度的超分辨率成像。 瞳函数调制技术, 理论上可以利用更小的光学系统口径得到任意大小的超衍射分辨倍率, 并具可实现非相干光实时超分辨成像, 使其有望应用于天基空间望远镜上对远距离空间碎片进行探测。

在瞳函数调制超分辨成像研究方面, 2016 年,西班牙坎塔布里亚大学的Canales 设计出以斯特列尔(Strehl) 比率作为核心函数的二元相位滤波器。 2017 年, 昆明理工大学张巧鸽根据光波标量衍射理论, 提出了在数字全息显微系统物光中加入幂级数光瞳滤波器或环形光瞳滤波器的成像新方法。 2018 年, 长春理工大学王超设计了一种具有高斯特列尔比的二维多项式位相型横向超分辨光瞳滤波器, 其构成的二位多项式相位函数可表示为:

式中, ci1和ci2分别表示第i 项幂级数的系数和余弦函数与幂级数成绩项的系数。 最后通过仿真实验掌握了视场变化对光瞳滤波器超分辨的影响[3]。

2020 年, 王超又对超分辨望远系统的像差进行了分析和优化[4], 考虑到了光学系统有像差时, 光瞳函数由位相光瞳滤波器的光瞳函数和Zernike 光瞳函数组成, 因此引入Zernike 像差后,焦点附近的复振幅归一化可表示为:

式中, P (ρ) 为光学系统的光瞳调制函数; φ (ρ)为Zernike 位相函数; v 和u 分别为成像面轴向和径向坐标; J0() 为零阶贝塞尔函数。

设计了具有低旁瓣因子的五环带超分辨光瞳调制器, 分析了离焦、 彗差、 像散、 球差等不同种类像差及光瞳调制器误差对其超分辨参数的影响, 给出了各项像差的容限。 采用四区型位相光瞳滤波器进行位相调制, 如图1 所示,最终将系统的超分辨倍率从1.21 倍提高到1.31 倍。

图1 位相板仿真图和实物图Fig.1 Simulation picture and physical picture of phase plate

未来, 还需突破光瞳分布优化设计、 滤波器高精度加工、 滤波器高精度装调等关键技术, 进一步解决光学超分辨的工程应用问题, 促进光学超分辨成像在空间碎片探测上的应用。

3 偏振光谱探测

传统光电探测技术根据目标本身材质的光学特性及其形状、 姿态、 状态、 夹角等因素来探测空间目标反射太阳光亮度中所包含的光强信息,但因受到宇宙中粒子以及背景杂光的干扰, 严重影响了目标探测的对比度。 为解决传统光电探测受到较大干扰而探不清的问题, 可以利用自然光经碎片表面反射后产生的偏振光, 滤除背景杂光, 提高探测对比度。 另外, 还可采用光谱技术可在获取目标二维空间信息的同时, 得到每个空间像素所对应的物点辐射连续光谱, 构成一个按光谱顺序排列的图像数据“立方体”, 利用光谱信息反演空间碎片材料及其他特征, 提升探测精度。

光谱偏振探测技术是光谱探测技术与偏振探测技术的有机融合, 能够同时获取目标二维图像信息、 图像中各点光谱信息以及波长依赖的偏振信息。 偏振探测采用斯托克斯矢量法来描述偏振光, 其表现形式为:

式中,I 表示总光强; M 表示0°透光轴和90°透光轴的两个偏振方向上的光强差;C 表示45°透光轴和135°透光轴的两个偏振方向的光强差异; S 表示左旋和右旋圆偏振光光强的差异。

光的偏振度DoLP 代表偏振光在总光强中所占的百分比, 斯托克斯矢量法把偏振度定义为:

偏振角AoLP 表示偏振光振动方向和定义的参考方向的夹角, 定义如下式:

根据傅里叶变换光谱学理论, 复原斯托克斯参量的光谱分辨率由每个通道分得的最大光程差L 与波片厚度d 决定, 则偏振光谱分辨率为:

式中, 计算光程差时将某一波段内的双折射率视为固定值Δn;d 为玻片厚度。

最初以美国亚利桑那大学等为代表的科研机构提出了以液晶型光谱偏振成像机制为代表的时分成像, 但无法监测运动目标, 且电噪声大、 热稳定性差、 光损耗严重。 近十年来, 国外开展了多种偏振光谱成像体制研究, 提出了多块高级次玻片计算层析型 (CTIS)[5,6]、 偏振光栅型[7]、声光可调滤光器型 (AOTF)[8]、 傅里叶变换型[8-11]以及微纳偏振滤光器件型等多种光谱偏振机制[12], 促进了探测能力的不断提高。 国内从2005 年之后开展光谱偏振成像技术研究, 研制了液晶型、 声光可调型、 多波段滤光型等多种机制光谱偏振仪器[13-19]。 但受原理所限, 非干涉型多维度信息获取机制很难单光路单探测器同时获得探测器上每一像元的光谱、 偏振、 强度信息, 导致时空信息匹配难、 光谱、 空间、 时间同时高分辨实现难、 全偏振信息获取难、 仪器有运动或电控调制而稳定性差、 轻小型化难、 功耗高等问题; 而静态无源干涉光谱偏振成像机制存在视场小、 成像速度低的问题。

2019 年西安交通大学公开一种超紧凑型快照式偏振光谱成像探测装置及探测方法, 实现了快照式光谱偏振成像[20]。 2020 年, 北京空间机电研究所刘彦利提出了一种基于光纤传像束和像元级偏振探测器的光谱偏振成像新模式[21], 如图2所示, 以快照式方式同步获取目标的二维空间信息、 一维光谱信息和四个角度的偏振信息, 未来有望应用在空间碎片探测上。

未来还需进一步突破时空精准匹配的光谱偏振成像、 多维度信息获取系统优化、 多维高分辨图像复原与重构等关键技术, 以解决偏振光谱探测在空间碎片动目标探测方面的应用难题。

4 测侦通一体化

传统空间碎片探测系统仅以单一功能为主,没有同时兼顾多种探测手段和信息传输, 获取目标信息种类略显单一, 难以对空间碎片进行全方位感知[22]。 这不仅增加了天基系统的发射成本,而且极大限制了空间碎片这种高速动态目标的探测时效性, 从而导致难以对空间碎片做出及时准确的判断。

图2 基于光纤传像束和像元级偏振探测器的光谱偏振成像原理图Fig.2 Schematic diagram of polarized spectral imaging based on optical fiber image bundles and pixel-level polarization detector

2016 年, 长春理工大学针对空间碎片高时效探测需求, 提出空间碎片激光探测成像通信一体化方案[23]。, 突破了空间碎片测侦通一体化技术。测侦通一体化是指将测距、 成像、 通信等多种功能集成在一个光学载荷上, 在获取空间碎片的位置和图像信息同时, 将信息快速传输出去, 从而提升系统探测的整体性和时效性。 该技术不仅仅是将三种功能简单地集成到一起, 而是需要将激光测距、 多维度光学成像以及激光通信三个光学单元通过巧妙的光机设计有机地结合到一起, 同时借助高效的星上智能处理算法和芯片, 完成对空间碎片信息快速准确的识别和判读, 从而在星上、 星间、 星地分别形成一个高效的信息闭环,进而基于激光通信网络组成一个更加庞大的天地一体化空间碎片监测体系。 最终实现空间碎片的“探二通三” 功能(如图3 所示), 即将探测到的空间碎片轨道和图像快速安全地传输给空间碎片管理机构、 在轨或即将发射的航天器、 指挥部门通信, 为空间碎片的识别、 编目、 建库以及预警规避提供数据, 为管理部门最终做出清除或移除决策提供依据。

具体的设计思想包括五个“相结合”, 即天基与地基相结合, 通过信息互通, 优势互补, 提高探测识别能力, 并合理确定特定区域; 普查和详查相结合, 远距离大视场普查搜索碎片, 近距离详查、 跟踪识别; 被动和主动相结合, 利用阳光反射被动光学测角与主动激光测距, 提高碎片定轨精度; 偏振、 光谱和强度相结合, 多维度成像探测碎片, 获取碎片的多参数信息, 有利于碎片的探测与识别; 信息探测与信息传输相结合,在探测碎片的同时, 将探测到的有效信息快速安全传输到航天器、 监测部门和管理部门[24-26]。

图3 探二通三功能示意图Fig.3 Schematic diagram of transferring the orbit and image of the detected space debris to administrative agency, the spacecraft on orbit or to be launched as well as the command department

测侦通一体化技术强调对空间碎片的广域监视、 精密跟踪、 特性测量以及信息传输全链路的功能要求[27]。 具体工作过程流程如图4 所示。 首先根据任务需求确定被探测碎片空间范围, 引导天基监测系统指向碎片大致区域; 其次, 利用碎片普查分系统进行碎片广域搜索, 完成碎片初始轨道估计, 将位置信息传输给跟踪转台, 控制转台指向空间碎片, 完成稳定精跟踪; 然后, 碎片测距分系统对碎片进行激光测距, 获取碎片距离信息, 进一步提升碎片定轨精度[28]; 同时, 利用碎片成像分系统对碎片进行多维度成像, 获取碎片形状、 尺寸、 材质等信息; 然后, 将获取到的信息进行融合处理, 完成对碎片的特性识别; 而后, 通信捕获粗跟踪分系统完成通信合作目标的捕获与粗跟踪, 完成激光通信建链; 最后, 激光通信收发分系统将碎片图像、 位置等信息快速传输给相关部门。

相关的关键技术包括大视场高灵敏度目标探测技术、 主被动复合高精度定轨技术、 高速偏振光谱一体化探测技术、 一对多激光通信技术等。深度学习、 人工智能、 计算光学等信息学科的应用将为天基空间碎片的探测提供更有力的支撑。

图4 “探二通三” 工作流程Fig.4 Workflow of transferring the orbit and image of the detected space debris to administrative agency, the spacecraft on orbit or to be launched as well as the command department

5 结束语

空间碎片探测是空间态势感知的重要组成部分, 对推动我国的经济发展、 维护国家安全具有十分重大的战略意义。 我国作为负责任的航天大国, 未来在空间碎片探测领域必将发挥更加重要的作用。 随着天基光电探测技术的不断发展, 提升空间碎片探测的分辨率、 识别率和时效性, 有望解决光电探测技术在空间碎片探测应用方面存在的诸多问题, 为航天器预警规避、 空间碎片编目与识别、 清除或移除奠定技术基础。