付強(qiáng), 史浩東, 王超, 劉壯,李英超, 姜會(huì)林

(1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所, 長(zhǎng)春130022;2. 吉林省空間光電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 長(zhǎng)春130022;3. 空間光電技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程中心, 長(zhǎng)春130022)

1 引言

空間碎片主要包括廢棄的人造衛(wèi)星、 航天器電池和燃料箱爆炸或撞擊產(chǎn)生的碎片、 運(yùn)載火箭的末級(jí)、 固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射物、 在執(zhí)行航天任務(wù)過程中的拋棄物等。 據(jù)美國(guó)空間監(jiān)視網(wǎng)(SSN) 觀測(cè), 尺寸大于10cm 空間碎片約2 萬(wàn)個(gè)、1 ～10cm 之間約有90 多萬(wàn)個(gè)、 1 ～0.1cm 之間約有3000 多萬(wàn)個(gè), 其中低軌區(qū)域的約占75%。 空間碎片給在軌航天器的正常運(yùn)行和宇航員的人身安全造成巨大威脅, 已嚴(yán)重影響人類的空間科技活動(dòng)。 因此, 各航天大國(guó)均開展了空間碎片的探測(cè)編目工作, 通過精準(zhǔn)掌握空間碎片尺寸數(shù)量、持續(xù)感知空間碎片運(yùn)動(dòng)軌跡, 提前做出預(yù)警規(guī)避, 以保障空間活動(dòng)的正常開展。

目前, 具備空間碎片探測(cè)能力的國(guó)家和地區(qū)主要有美國(guó)、 俄羅斯、 歐洲、 中國(guó)等。 美國(guó)采用地基全球布站、 天地聯(lián)合探測(cè)的體制, 累計(jì)編目空間碎片23000 多個(gè), 低軌探測(cè)能力10cm, 定軌精度500m; 高軌探測(cè)能力20cm, 定軌精度2km,并且正朝著低軌探測(cè)1cm, 定軌精度10m; 高軌探測(cè)10cm, 定軌精度100m 方向發(fā)展。 俄羅斯同樣采用全球布站, 累計(jì)編目11000 多個(gè), 低軌探測(cè)能力15cm, 具備對(duì)空間碎片發(fā)現(xiàn)、 跟蹤、 識(shí)別的能力。 1995 年, 我國(guó)加入國(guó)際組織機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(huì), 采取了積極務(wù)實(shí)的舉措以加強(qiáng)空間碎片監(jiān)測(cè)、 預(yù)警甚至清除等工作。 目前我國(guó)監(jiān)測(cè)范圍、 探測(cè)能力、 定軌精度等方面技術(shù)與美俄等國(guó)相比較低。 近年來(lái), 隨著天基光電技術(shù)的不斷發(fā)展, 我國(guó)已開展了數(shù)次天基觀測(cè)試驗(yàn)。 由于天基觀測(cè)具有地基不可比擬的優(yōu)勢(shì), 未來(lái)天基空間碎片探測(cè)必將成為不可或缺的重要手段之一, 而與之相關(guān)的光電探測(cè)技術(shù)也必將受到國(guó)內(nèi)外的高度重視。

未來(lái), 為進(jìn)一步提升對(duì)空間碎片的感知能力, 天基空間碎片探測(cè)系統(tǒng)將朝著高分辨、 多維度、 多功能等方向發(fā)展。 超分辨成像、 偏振光譜探測(cè)、 測(cè)偵通一體化等一大批新興光電探測(cè)核心關(guān)鍵技術(shù)不斷從理論走向工程應(yīng)用, 為天基空間碎片的精準(zhǔn)高效探測(cè)提供了更多的技術(shù)手段, 探測(cè)效果正逐步顯現(xiàn)。 本文重點(diǎn)針對(duì)上述三種技術(shù)手段進(jìn)行闡述, 其他關(guān)鍵技術(shù)由于篇幅原因不做具體分析。

2 光學(xué)超分辨成像

大多數(shù)空間碎片尺寸小, 距離遠(yuǎn), 目前僅能通過點(diǎn)源探測(cè)手段判斷有無(wú), 難以對(duì)空間碎片的尺寸和形狀進(jìn)行精細(xì)識(shí)別, 更難以看清空間碎片細(xì)節(jié)。 然而, 隨著微納衛(wèi)星技術(shù)的跨越式發(fā)展,未來(lái)在軌衛(wèi)星將與空間碎片尺寸相當(dāng), 這對(duì)空間碎片的甄別提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 因此, 亟需提升天基光學(xué)系統(tǒng)的成像分辨率。 由光學(xué)原理可知, 成像分辨率主要受探測(cè)器分辨率和光學(xué)系統(tǒng)衍射分辨率限制, 探測(cè)器像元尺寸越小, 分辨率越高, 但工藝難度越大; 而光學(xué)系統(tǒng)衍射分辨率由光學(xué)系統(tǒng)口徑?jīng)Q定, 口徑越大, 分辨率越高。傳統(tǒng)成像光學(xué)系統(tǒng)大多受探測(cè)器分辨率限制, 而天基空間碎片探測(cè)系統(tǒng)往往受口徑限制。 但受限于火箭發(fā)射能力和成本, 光學(xué)系統(tǒng)口徑難以做大, 嚴(yán)重影響目前天基光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率。

光學(xué)超分辨成像是近年來(lái)提出的一種新興光學(xué)概念, 與以往圖像超分辨處理方式不同, 不僅需要對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造, 還需對(duì)圖像進(jìn)行超分辨率重構(gòu), 通過計(jì)算光學(xué)的方式實(shí)現(xiàn)超分辨率成像。 2014 年, 諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)即授予三位從事顯微光學(xué)超分辨率成像的科學(xué)家[1]。 而空間遙感領(lǐng)域的超分辨成像與顯微成像有所不同, 其觀測(cè)的目標(biāo)往往是非合作的動(dòng)態(tài)目標(biāo), 這對(duì)超分辨率成像提出了更高的要求。

目前, 在空間遙感領(lǐng)域方面, 光學(xué)超分辨成像技術(shù)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(shù)調(diào)制超分辨成像等。 其中, 合成孔徑超分辨成像是將多個(gè)子孔徑的不同接收光束進(jìn)行相位調(diào)整后相干疊加, 得到一個(gè)分辨率等效為更大口徑系統(tǒng)分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)[2]。 這種方式雖然降低了子孔徑的加工難度, 但系統(tǒng)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(xué)元件, 將波帶片的環(huán)帶設(shè)計(jì)成大量微孔, 可以達(dá)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(zhǎng)很窄, 也不適用于天基空間碎片遠(yuǎn)距離觀測(cè)。 超振蕩透鏡超分辨成像是利用超振蕩函數(shù)調(diào)制的光學(xué)波前, 在遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸場(chǎng)中利用相干疊加產(chǎn)生超分辨聚焦光斑, 從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨。 但由于主瓣能量過高, 損失能量過大, 導(dǎo)致其同樣不適用于空間碎片探測(cè)。

瞳函數(shù)調(diào)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(duì)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行調(diào)制, 通過有針對(duì)性地設(shè)計(jì)相位板, 調(diào)制主瓣能量和旁瓣能量分布,從而實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度的超分辨率成像。 瞳函數(shù)調(diào)制技術(shù), 理論上可以利用更小的光學(xué)系統(tǒng)口徑得到任意大小的超衍射分辨倍率, 并具可實(shí)現(xiàn)非相干光實(shí)時(shí)超分辨成像, 使其有望應(yīng)用于天基空間望遠(yuǎn)鏡上對(duì)遠(yuǎn)距離空間碎片進(jìn)行探測(cè)。

在瞳函數(shù)調(diào)制超分辨成像研究方面, 2016 年,西班牙坎塔布里亞大學(xué)的Canales 設(shè)計(jì)出以斯特列爾(Strehl) 比率作為核心函數(shù)的二元相位濾波器。 2017 年, 昆明理工大學(xué)張巧鴿根據(jù)光波標(biāo)量衍射理論, 提出了在數(shù)字全息顯微系統(tǒng)物光中加入冪級(jí)數(shù)光瞳濾波器或環(huán)形光瞳濾波器的成像新方法。 2018 年, 長(zhǎng)春理工大學(xué)王超設(shè)計(jì)了一種具有高斯特列爾比的二維多項(xiàng)式位相型橫向超分辨光瞳濾波器, 其構(gòu)成的二位多項(xiàng)式相位函數(shù)可表示為:

式中, ci1和ci2分別表示第i 項(xiàng)冪級(jí)數(shù)的系數(shù)和余弦函數(shù)與冪級(jí)數(shù)成績(jī)項(xiàng)的系數(shù)。 最后通過仿真實(shí)驗(yàn)掌握了視場(chǎng)變化對(duì)光瞳濾波器超分辨的影響[3]。

2020 年, 王超又對(duì)超分辨望遠(yuǎn)系統(tǒng)的像差進(jìn)行了分析和優(yōu)化[4], 考慮到了光學(xué)系統(tǒng)有像差時(shí), 光瞳函數(shù)由位相光瞳濾波器的光瞳函數(shù)和Zernike 光瞳函數(shù)組成, 因此引入Zernike 像差后,焦點(diǎn)附近的復(fù)振幅歸一化可表示為:

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

設(shè)計(jì)了具有低旁瓣因子的五環(huán)帶超分辨光瞳調(diào)制器, 分析了離焦、 彗差、 像散、 球差等不同種類像差及光瞳調(diào)制器誤差對(duì)其超分辨參數(shù)的影響, 給出了各項(xiàng)像差的容限。 采用四區(qū)型位相光瞳濾波器進(jìn)行位相調(diào)制, 如圖1 所示,最終將系統(tǒng)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(shí)物圖Fig.1 Simulation picture and physical picture of phase plate

未來(lái), 還需突破光瞳分布優(yōu)化設(shè)計(jì)、 濾波器高精度加工、 濾波器高精度裝調(diào)等關(guān)鍵技術(shù), 進(jìn)一步解決光學(xué)超分辨的工程應(yīng)用問題, 促進(jìn)光學(xué)超分辨成像在空間碎片探測(cè)上的應(yīng)用。

3 偏振光譜探測(cè)

傳統(tǒng)光電探測(cè)技術(shù)根據(jù)目標(biāo)本身材質(zhì)的光學(xué)特性及其形狀、 姿態(tài)、 狀態(tài)、 夾角等因素來(lái)探測(cè)空間目標(biāo)反射太陽(yáng)光亮度中所包含的光強(qiáng)信息,但因受到宇宙中粒子以及背景雜光的干擾, 嚴(yán)重影響了目標(biāo)探測(cè)的對(duì)比度。 為解決傳統(tǒng)光電探測(cè)受到較大干擾而探不清的問題, 可以利用自然光經(jīng)碎片表面反射后產(chǎn)生的偏振光, 濾除背景雜光, 提高探測(cè)對(duì)比度。 另外, 還可采用光譜技術(shù)可在獲取目標(biāo)二維空間信息的同時(shí), 得到每個(gè)空間像素所對(duì)應(yīng)的物點(diǎn)輻射連續(xù)光譜, 構(gòu)成一個(gè)按光譜順序排列的圖像數(shù)據(jù)“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(cè)精度。

光譜偏振探測(cè)技術(shù)是光譜探測(cè)技術(shù)與偏振探測(cè)技術(shù)的有機(jī)融合, 能夠同時(shí)獲取目標(biāo)二維圖像信息、 圖像中各點(diǎn)光譜信息以及波長(zhǎng)依賴的偏振信息。 偏振探測(cè)采用斯托克斯矢量法來(lái)描述偏振光, 其表現(xiàn)形式為:

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

光的偏振度DoLP 代表偏振光在總光強(qiáng)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(dòng)方向和定義的參考方向的夾角, 定義如下式:

根據(jù)傅里葉變換光譜學(xué)理論, 復(fù)原斯托克斯參量的光譜分辨率由每個(gè)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(jì)算光程差時(shí)將某一波段內(nèi)的雙折射率視為固定值Δn;d 為玻片厚度。

最初以美國(guó)亞利桑那大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)提出了以液晶型光譜偏振成像機(jī)制為代表的時(shí)分成像, 但無(wú)法監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 且電噪聲大、 熱穩(wěn)定性差、 光損耗嚴(yán)重。 近十年來(lái), 國(guó)外開展了多種偏振光譜成像體制研究, 提出了多塊高級(jí)次玻片計(jì)算層析型 (CTIS)[5,6]、 偏振光柵型[7]、聲光可調(diào)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(jī)制[12], 促進(jìn)了探測(cè)能力的不斷提高。 國(guó)內(nèi)從2005 年之后開展光譜偏振成像技術(shù)研究, 研制了液晶型、 聲光可調(diào)型、 多波段濾光型等多種機(jī)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(jī)制很難單光路單探測(cè)器同時(shí)獲得探測(cè)器上每一像元的光譜、 偏振、 強(qiáng)度信息, 導(dǎo)致時(shí)空信息匹配難、 光譜、 空間、 時(shí)間同時(shí)高分辨實(shí)現(xiàn)難、 全偏振信息獲取難、 儀器有運(yùn)動(dòng)或電控調(diào)制而穩(wěn)定性差、 輕小型化難、 功耗高等問題; 而靜態(tài)無(wú)源干涉光譜偏振成像機(jī)制存在視場(chǎng)小、 成像速度低的問題。

2019 年西安交通大學(xué)公開一種超緊湊型快照式偏振光譜成像探測(cè)裝置及探測(cè)方法, 實(shí)現(xiàn)了快照式光譜偏振成像[20]。 2020 年, 北京空間機(jī)電研究所劉彥利提出了一種基于光纖傳像束和像元級(jí)偏振探測(cè)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(biāo)的二維空間信息、 一維光譜信息和四個(gè)角度的偏振信息, 未來(lái)有望應(yīng)用在空間碎片探測(cè)上。

未來(lái)還需進(jìn)一步突破時(shí)空精準(zhǔn)匹配的光譜偏振成像、 多維度信息獲取系統(tǒng)優(yōu)化、 多維高分辨圖像復(fù)原與重構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù), 以解決偏振光譜探測(cè)在空間碎片動(dòng)目標(biāo)探測(cè)方面的應(yīng)用難題。

4 測(cè)偵通一體化

傳統(tǒng)空間碎片探測(cè)系統(tǒng)僅以單一功能為主,沒有同時(shí)兼顧多種探測(cè)手段和信息傳輸, 獲取目標(biāo)信息種類略顯單一, 難以對(duì)空間碎片進(jìn)行全方位感知[22]。 這不僅增加了天基系統(tǒng)的發(fā)射成本,而且極大限制了空間碎片這種高速動(dòng)態(tài)目標(biāo)的探測(cè)時(shí)效性, 從而導(dǎo)致難以對(duì)空間碎片做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷。

圖2 基于光纖傳像束和像元級(jí)偏振探測(cè)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(zhǎng)春理工大學(xué)針對(duì)空間碎片高時(shí)效探測(cè)需求, 提出空間碎片激光探測(cè)成像通信一體化方案[23]。, 突破了空間碎片測(cè)偵通一體化技術(shù)。測(cè)偵通一體化是指將測(cè)距、 成像、 通信等多種功能集成在一個(gè)光學(xué)載荷上, 在獲取空間碎片的位置和圖像信息同時(shí), 將信息快速傳輸出去, 從而提升系統(tǒng)探測(cè)的整體性和時(shí)效性。 該技術(shù)不僅僅是將三種功能簡(jiǎn)單地集成到一起, 而是需要將激光測(cè)距、 多維度光學(xué)成像以及激光通信三個(gè)光學(xué)單元通過巧妙的光機(jī)設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合到一起, 同時(shí)借助高效的星上智能處理算法和芯片, 完成對(duì)空間碎片信息快速準(zhǔn)確的識(shí)別和判讀, 從而在星上、 星間、 星地分別形成一個(gè)高效的信息閉環(huán),進(jìn)而基于激光通信網(wǎng)絡(luò)組成一個(gè)更加龐大的天地一體化空間碎片監(jiān)測(cè)體系。 最終實(shí)現(xiàn)空間碎片的“探二通三” 功能(如圖3 所示), 即將探測(cè)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(jī)構(gòu)、 在軌或即將發(fā)射的航天器、 指揮部門通信, 為空間碎片的識(shí)別、 編目、 建庫(kù)以及預(yù)警規(guī)避提供數(shù)據(jù), 為管理部門最終做出清除或移除決策提供依據(jù)。

具體的設(shè)計(jì)思想包括五個(gè)“相結(jié)合”, 即天基與地基相結(jié)合, 通過信息互通, 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 提高探測(cè)識(shí)別能力, 并合理確定特定區(qū)域; 普查和詳查相結(jié)合, 遠(yuǎn)距離大視場(chǎng)普查搜索碎片, 近距離詳查、 跟蹤識(shí)別; 被動(dòng)和主動(dòng)相結(jié)合, 利用陽(yáng)光反射被動(dòng)光學(xué)測(cè)角與主動(dòng)激光測(cè)距, 提高碎片定軌精度; 偏振、 光譜和強(qiáng)度相結(jié)合, 多維度成像探測(cè)碎片, 獲取碎片的多參數(shù)信息, 有利于碎片的探測(cè)與識(shí)別; 信息探測(cè)與信息傳輸相結(jié)合,在探測(cè)碎片的同時(shí), 將探測(cè)到的有效信息快速安全傳輸?shù)胶教炱鳌?監(jiān)測(cè)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(cè)偵通一體化技術(shù)強(qiáng)調(diào)對(duì)空間碎片的廣域監(jiān)視、 精密跟蹤、 特性測(cè)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(jù)任務(wù)需求確定被探測(cè)碎片空間范圍, 引導(dǎo)天基監(jiān)測(cè)系統(tǒng)指向碎片大致區(qū)域; 其次, 利用碎片普查分系統(tǒng)進(jìn)行碎片廣域搜索, 完成碎片初始軌道估計(jì), 將位置信息傳輸給跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái), 控制轉(zhuǎn)臺(tái)指向空間碎片, 完成穩(wěn)定精跟蹤; 然后, 碎片測(cè)距分系統(tǒng)對(duì)碎片進(jìn)行激光測(cè)距, 獲取碎片距離信息, 進(jìn)一步提升碎片定軌精度[28]; 同時(shí), 利用碎片成像分系統(tǒng)對(duì)碎片進(jìn)行多維度成像, 獲取碎片形狀、 尺寸、 材質(zhì)等信息; 然后, 將獲取到的信息進(jìn)行融合處理, 完成對(duì)碎片的特性識(shí)別; 而后, 通信捕獲粗跟蹤分系統(tǒng)完成通信合作目標(biāo)的捕獲與粗跟蹤, 完成激光通信建鏈; 最后, 激光通信收發(fā)分系統(tǒng)將碎片圖像、 位置等信息快速傳輸給相關(guān)部門。

相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)包括大視場(chǎng)高靈敏度目標(biāo)探測(cè)技術(shù)、 主被動(dòng)復(fù)合高精度定軌技術(shù)、 高速偏振光譜一體化探測(cè)技術(shù)、 一對(duì)多激光通信技術(shù)等。深度學(xué)習(xí)、 人工智能、 計(jì)算光學(xué)等信息學(xué)科的應(yīng)用將為天基空間碎片的探測(cè)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(jié)束語(yǔ)

空間碎片探測(cè)是空間態(tài)勢(shì)感知的重要組成部分, 對(duì)推動(dòng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、 維護(hù)國(guó)家安全具有十分重大的戰(zhàn)略意義。 我國(guó)作為負(fù)責(zé)任的航天大國(guó), 未來(lái)在空間碎片探測(cè)領(lǐng)域必將發(fā)揮更加重要的作用。 隨著天基光電探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展, 提升空間碎片探測(cè)的分辨率、 識(shí)別率和時(shí)效性, 有望解決光電探測(cè)技術(shù)在空間碎片探測(cè)應(yīng)用方面存在的諸多問題, 為航天器預(yù)警規(guī)避、 空間碎片編目與識(shí)別、 清除或移除奠定技術(shù)基礎(chǔ)。