天基空間碎片光電探測新技術研究

付強, 史浩東, 王超, 劉壯,李英超, 姜會林

(1. 長春理工大學空間光電技術研究所, 長春130022;2. 吉林省空間光電技術重點實驗室, 長春130022;3. 空間光電技術國家地方聯合工程中心, 長春130022)

1 引言

空間碎片主要包括廢棄的人造衛星、 航天器電池和燃料箱爆炸或撞擊產生的碎片、 運載火箭的末級、 固體火箭發動機的噴射物、 在執行航天任務過程中的拋棄物等。 據美國空間監視網(SSN) 觀測, 尺寸大于10cm 空間碎片約2 萬個、1 ～10cm 之間約有90 多萬個、 1 ～0.1cm 之間約有3000 多萬個, 其中低軌區域的約占75%。 空間碎片給在軌航天器的正常運行和宇航員的人身安全造成巨大威脅, 已嚴重影響人類的空間科技活動。 因此, 各航天大國均開展了空間碎片的探測編目工作, 通過精準掌握空間碎片尺寸數量、持續感知空間碎片運動軌跡, 提前做出預警規避, 以保障空間活動的正常開展。

目前, 具備空間碎片探測能力的國家和地區主要有美國、 俄羅斯、 歐洲、 中國等。 美國采用地基全球布站、 天地聯合探測的體制, 累計編目空間碎片23000 多個, 低軌探測能力10cm, 定軌精度500m; 高軌探測能力20cm, 定軌精度2km,并且正朝著低軌探測1cm, 定軌精度10m; 高軌探測10cm, 定軌精度100m 方向發展。 俄羅斯同樣采用全球布站, 累計編目11000 多個, 低軌探測能力15cm, 具備對空間碎片發現、 跟蹤、 識別的能力。 1995 年, 我國加入國際組織機構間空間碎片協調委員會, 采取了積極務實的舉措以加強空間碎片監測、 預警甚至清除等工作。 目前我國監測范圍、 探測能力、 定軌精度等方面技術與美俄等國相比較低。 近年來, 隨著天基光電技術的不斷發展, 我國已開展了數次天基觀測試驗。 由于天基觀測具有地基不可比擬的優勢, 未來天基空間碎片探測必將成為不可或缺的重要手段之一, 而與之相關的光電探測技術也必將受到國內外的高度重視。

未來, 為進一步提升對空間碎片的感知能力, 天基空間碎片探測系統將朝著高分辨、 多維度、 多功能等方向發展。 超分辨成像、 偏振光譜探測、 測偵通一體化等一大批新興光電探測核心關鍵技術不斷從理論走向工程應用, 為天基空間碎片的精準高效探測提供了更多的技術手段, 探測效果正逐步顯現。 本文重點針對上述三種技術手段進行闡述, 其他關鍵技術由于篇幅原因不做具體分析。

2 光學超分辨成像

大多數空間碎片尺寸小, 距離遠, 目前僅能通過點源探測手段判斷有無, 難以對空間碎片的尺寸和形狀進行精細識別, 更難以看清空間碎片細節。 然而, 隨著微納衛星技術的跨越式發展,未來在軌衛星將與空間碎片尺寸相當, 這對空間碎片的甄別提出了更嚴峻的挑戰。 因此, 亟需提升天基光學系統的成像分辨率。 由光學原理可知, 成像分辨率主要受探測器分辨率和光學系統衍射分辨率限制, 探測器像元尺寸越小, 分辨率越高, 但工藝難度越大; 而光學系統衍射分辨率由光學系統口徑決定, 口徑越大, 分辨率越高。傳統成像光學系統大多受探測器分辨率限制, 而天基空間碎片探測系統往往受口徑限制。 但受限于火箭發射能力和成本, 光學系統口徑難以做大, 嚴重影響目前天基光學系統的空間分辨率。

光學超分辨成像是近年來提出的一種新興光學概念, 與以往圖像超分辨處理方式不同, 不僅需要對光學系統進行設計改造, 還需對圖像進行超分辨率重構, 通過計算光學的方式實現超分辨率成像。 2014 年, 諾貝爾化學獎即授予三位從事顯微光學超分辨率成像的科學家[1]。 而空間遙感領域的超分辨成像與顯微成像有所不同, 其觀測的目標往往是非合作的動態目標, 這對超分辨率成像提出了更高的要求。

目前, 在空間遙感領域方面, 光學超分辨成像技術主要有合成孔徑超分辨成像、 光篩子超分辨成像、 超振蕩透鏡超分辨成像以及瞳函數調制超分辨成像等。 其中, 合成孔徑超分辨成像是將多個子孔徑的不同接收光束進行相位調整后相干疊加, 得到一個分辨率等效為更大口徑系統分辨率的光學成像系統[2]。 這種方式雖然降低了子孔徑的加工難度, 但系統整體尺寸并沒有太大的減少。 光子篩是一種類似于菲涅爾波帶片的衍射光學元件, 將波帶片的環帶設計成大量微孔, 可以達到比其特征尺寸更小的超分辨效果, 但其衍射效率比波帶片低, 且工作波長很窄, 也不適用于天基空間碎片遠距離觀測。 超振蕩透鏡超分辨成像是利用超振蕩函數調制的光學波前, 在遠場傳輸場中利用相干疊加產生超分辨聚焦光斑, 從而實現遠場超分辨。 但由于主瓣能量過高, 損失能量過大, 導致其同樣不適用于空間碎片探測。

瞳函數調制超分辨成像是超震蕩透鏡超分辨的一種特殊形式, 利用光瞳處的超分辨衍射元件或相位板對點擴散函數進行調制, 通過有針對性地設計相位板, 調制主瓣能量和旁瓣能量分布,從而實現高對比度的超分辨率成像。 瞳函數調制技術, 理論上可以利用更小的光學系統口徑得到任意大小的超衍射分辨倍率, 并具可實現非相干光實時超分辨成像, 使其有望應用于天基空間望遠鏡上對遠距離空間碎片進行探測。

在瞳函數調制超分辨成像研究方面, 2016 年,西班牙坎塔布里亞大學的Canales 設計出以斯特列爾(Strehl) 比率作為核心函數的二元相位濾波器。 2017 年, 昆明理工大學張巧鴿根據光波標量衍射理論, 提出了在數字全息顯微系統物光中加入冪級數光瞳濾波器或環形光瞳濾波器的成像新方法。 2018 年, 長春理工大學王超設計了一種具有高斯特列爾比的二維多項式位相型橫向超分辨光瞳濾波器, 其構成的二位多項式相位函數可表示為:

式中, ci1和ci2分別表示第i 項冪級數的系數和余弦函數與冪級數成績項的系數。 最后通過仿真實驗掌握了視場變化對光瞳濾波器超分辨的影響[3]。

2020 年, 王超又對超分辨望遠系統的像差進行了分析和優化[4], 考慮到了光學系統有像差時, 光瞳函數由位相光瞳濾波器的光瞳函數和Zernike 光瞳函數組成, 因此引入Zernike 像差后,焦點附近的復振幅歸一化可表示為:

式中, P (ρ) 為光學系統的光瞳調制函數; φ (ρ)為Zernike 位相函數; v 和u 分別為成像面軸向和徑向坐標; J0() 為零階貝塞爾函數。

設計了具有低旁瓣因子的五環帶超分辨光瞳調制器, 分析了離焦、 彗差、 像散、 球差等不同種類像差及光瞳調制器誤差對其超分辨參數的影響, 給出了各項像差的容限。 采用四區型位相光瞳濾波器進行位相調制, 如圖1 所示,最終將系統的超分辨倍率從1.21 倍提高到1.31 倍。

圖1 位相板仿真圖和實物圖Fig.1 Simulation picture and physical picture of phase plate

未來, 還需突破光瞳分布優化設計、 濾波器高精度加工、 濾波器高精度裝調等關鍵技術, 進一步解決光學超分辨的工程應用問題, 促進光學超分辨成像在空間碎片探測上的應用。

3 偏振光譜探測

傳統光電探測技術根據目標本身材質的光學特性及其形狀、 姿態、 狀態、 夾角等因素來探測空間目標反射太陽光亮度中所包含的光強信息,但因受到宇宙中粒子以及背景雜光的干擾, 嚴重影響了目標探測的對比度。 為解決傳統光電探測受到較大干擾而探不清的問題, 可以利用自然光經碎片表面反射后產生的偏振光, 濾除背景雜光, 提高探測對比度。 另外, 還可采用光譜技術可在獲取目標二維空間信息的同時, 得到每個空間像素所對應的物點輻射連續光譜, 構成一個按光譜順序排列的圖像數據“立方體”, 利用光譜信息反演空間碎片材料及其他特征, 提升探測精度。

光譜偏振探測技術是光譜探測技術與偏振探測技術的有機融合, 能夠同時獲取目標二維圖像信息、 圖像中各點光譜信息以及波長依賴的偏振信息。 偏振探測采用斯托克斯矢量法來描述偏振光, 其表現形式為:

式中,I 表示總光強; M 表示0°透光軸和90°透光軸的兩個偏振方向上的光強差;C 表示45°透光軸和135°透光軸的兩個偏振方向的光強差異; S 表示左旋和右旋圓偏振光光強的差異。

光的偏振度DoLP 代表偏振光在總光強中所占的百分比, 斯托克斯矢量法把偏振度定義為:

偏振角AoLP 表示偏振光振動方向和定義的參考方向的夾角, 定義如下式:

根據傅里葉變換光譜學理論, 復原斯托克斯參量的光譜分辨率由每個通道分得的最大光程差L 與波片厚度d 決定, 則偏振光譜分辨率為:

式中, 計算光程差時將某一波段內的雙折射率視為固定值Δn;d 為玻片厚度。

最初以美國亞利桑那大學等為代表的科研機構提出了以液晶型光譜偏振成像機制為代表的時分成像, 但無法監測運動目標, 且電噪聲大、 熱穩定性差、 光損耗嚴重。 近十年來, 國外開展了多種偏振光譜成像體制研究, 提出了多塊高級次玻片計算層析型 (CTIS)[5,6]、 偏振光柵型[7]、聲光可調濾光器型 (AOTF)[8]、 傅里葉變換型[8-11]以及微納偏振濾光器件型等多種光譜偏振機制[12], 促進了探測能力的不斷提高。 國內從2005 年之后開展光譜偏振成像技術研究, 研制了液晶型、 聲光可調型、 多波段濾光型等多種機制光譜偏振儀器[13-19]。 但受原理所限, 非干涉型多維度信息獲取機制很難單光路單探測器同時獲得探測器上每一像元的光譜、 偏振、 強度信息, 導致時空信息匹配難、 光譜、 空間、 時間同時高分辨實現難、 全偏振信息獲取難、 儀器有運動或電控調制而穩定性差、 輕小型化難、 功耗高等問題; 而靜態無源干涉光譜偏振成像機制存在視場小、 成像速度低的問題。

2019 年西安交通大學公開一種超緊湊型快照式偏振光譜成像探測裝置及探測方法, 實現了快照式光譜偏振成像[20]。 2020 年, 北京空間機電研究所劉彥利提出了一種基于光纖傳像束和像元級偏振探測器的光譜偏振成像新模式[21], 如圖2所示, 以快照式方式同步獲取目標的二維空間信息、 一維光譜信息和四個角度的偏振信息, 未來有望應用在空間碎片探測上。

未來還需進一步突破時空精準匹配的光譜偏振成像、 多維度信息獲取系統優化、 多維高分辨圖像復原與重構等關鍵技術, 以解決偏振光譜探測在空間碎片動目標探測方面的應用難題。

4 測偵通一體化

傳統空間碎片探測系統僅以單一功能為主,沒有同時兼顧多種探測手段和信息傳輸, 獲取目標信息種類略顯單一, 難以對空間碎片進行全方位感知[22]。 這不僅增加了天基系統的發射成本,而且極大限制了空間碎片這種高速動態目標的探測時效性, 從而導致難以對空間碎片做出及時準確的判斷。

圖2 基于光纖傳像束和像元級偏振探測器的光譜偏振成像原理圖Fig.2 Schematic diagram of polarized spectral imaging based on optical fiber image bundles and pixel-level polarization detector

2016 年, 長春理工大學針對空間碎片高時效探測需求, 提出空間碎片激光探測成像通信一體化方案[23]。, 突破了空間碎片測偵通一體化技術。測偵通一體化是指將測距、 成像、 通信等多種功能集成在一個光學載荷上, 在獲取空間碎片的位置和圖像信息同時, 將信息快速傳輸出去, 從而提升系統探測的整體性和時效性。 該技術不僅僅是將三種功能簡單地集成到一起, 而是需要將激光測距、 多維度光學成像以及激光通信三個光學單元通過巧妙的光機設計有機地結合到一起, 同時借助高效的星上智能處理算法和芯片, 完成對空間碎片信息快速準確的識別和判讀, 從而在星上、 星間、 星地分別形成一個高效的信息閉環,進而基于激光通信網絡組成一個更加龐大的天地一體化空間碎片監測體系。 最終實現空間碎片的“探二通三” 功能(如圖3 所示), 即將探測到的空間碎片軌道和圖像快速安全地傳輸給空間碎片管理機構、 在軌或即將發射的航天器、 指揮部門通信, 為空間碎片的識別、 編目、 建庫以及預警規避提供數據, 為管理部門最終做出清除或移除決策提供依據。

具體的設計思想包括五個“相結合”, 即天基與地基相結合, 通過信息互通, 優勢互補, 提高探測識別能力, 并合理確定特定區域; 普查和詳查相結合, 遠距離大視場普查搜索碎片, 近距離詳查、 跟蹤識別; 被動和主動相結合, 利用陽光反射被動光學測角與主動激光測距, 提高碎片定軌精度; 偏振、 光譜和強度相結合, 多維度成像探測碎片, 獲取碎片的多參數信息, 有利于碎片的探測與識別; 信息探測與信息傳輸相結合,在探測碎片的同時, 將探測到的有效信息快速安全傳輸到航天器、 監測部門和管理部門[24-26]。

圖3 探二通三功能示意圖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

測偵通一體化技術強調對空間碎片的廣域監視、 精密跟蹤、 特性測量以及信息傳輸全鏈路的功能要求[27]。 具體工作過程流程如圖4 所示。 首先根據任務需求確定被探測碎片空間范圍, 引導天基監測系統指向碎片大致區域; 其次, 利用碎片普查分系統進行碎片廣域搜索, 完成碎片初始軌道估計, 將位置信息傳輸給跟蹤轉臺, 控制轉臺指向空間碎片, 完成穩定精跟蹤; 然后, 碎片測距分系統對碎片進行激光測距, 獲取碎片距離信息, 進一步提升碎片定軌精度[28]; 同時, 利用碎片成像分系統對碎片進行多維度成像, 獲取碎片形狀、 尺寸、 材質等信息; 然后, 將獲取到的信息進行融合處理, 完成對碎片的特性識別; 而后, 通信捕獲粗跟蹤分系統完成通信合作目標的捕獲與粗跟蹤, 完成激光通信建鏈; 最后, 激光通信收發分系統將碎片圖像、 位置等信息快速傳輸給相關部門。

相關的關鍵技術包括大視場高靈敏度目標探測技術、 主被動復合高精度定軌技術、 高速偏振光譜一體化探測技術、 一對多激光通信技術等。深度學習、 人工智能、 計算光學等信息學科的應用將為天基空間碎片的探測提供更有力的支撐。

圖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 結束語

空間碎片探測是空間態勢感知的重要組成部分, 對推動我國的經濟發展、 維護國家安全具有十分重大的戰略意義。 我國作為負責任的航天大國, 未來在空間碎片探測領域必將發揮更加重要的作用。 隨著天基光電探測技術的不斷發展, 提升空間碎片探測的分辨率、 識別率和時效性, 有望解決光電探測技術在空間碎片探測應用方面存在的諸多問題, 為航天器預警規避、 空間碎片編目與識別、 清除或移除奠定技術基礎。