本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)多采用由地基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、雷達(dá)以及無(wú)線電信號(hào)探測(cè)器組成的監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和跟蹤，但該系統(tǒng)易受氣象、地理位置和時(shí)間的限制。而天基空間目標(biāo)監(jiān)視衛(wèi)星系統(tǒng)具有不受地域、氣候和大氣環(huán)境等地理氣候觀測(cè)條件限制、觀測(cè)靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，因此具備全球、全天時(shí)觀測(cè)能力。

2、現(xiàn)有的天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)主要采用被動(dòng)探測(cè)手段，以獲取目標(biāo)的輻亮度信息、幾何信息以及位置信息為主，而空間目標(biāo)具有距離遠(yuǎn)、亮度低、多樣性等特點(diǎn)，使得天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)必然朝更高的探測(cè)靈敏度、更遠(yuǎn)的探測(cè)距離以及具備測(cè)距與目標(biāo)表面三維成像的方向發(fā)展，而激光主動(dòng)成像方式就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)途徑之一。

3、當(dāng)前，天基空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)中所使用的成像系統(tǒng)主要分為兩類：一類是目標(biāo)探測(cè)相機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)源目標(biāo)探測(cè)，其強(qiáng)調(diào)的是靈敏度；另一類是成像相機(jī)，主要用于高分辨率目標(biāo)成像，強(qiáng)調(diào)的是空間的精細(xì)刻畫(huà)能力。通常，需兩種類型的光學(xué)相機(jī)配合使用，即目標(biāo)探測(cè)相機(jī)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后交給成像相機(jī)進(jìn)行高分辨率精細(xì)成像。這也就意味著，由于成像系統(tǒng)集成度不高，導(dǎo)致同一個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)上需要搭載至少兩種不同類型的相機(jī)來(lái)完成任務(wù)，使得衛(wèi)星平臺(tái)負(fù)載較重，從而對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)提出了更多的資源需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及方法，用于解決現(xiàn)有的成像系統(tǒng)因集成度不高，使得衛(wèi)星平臺(tái)的負(fù)載較重的技術(shù)問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

3、一種一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特殊之處在于：

4、包括一體式設(shè)計(jì)且孔徑分離的激光發(fā)射系統(tǒng)和回波接收系統(tǒng)，其中，激光發(fā)射系統(tǒng)位于回波接收系統(tǒng)的上方；

5、所述激光發(fā)射系統(tǒng)包括激光器和光學(xué)整形單元；所述激光器的出射光經(jīng)光學(xué)整形單元后到達(dá)目標(biāo)場(chǎng)景，并形成回波信號(hào)；

6、所述回波接收系統(tǒng)包括依次設(shè)置的接收光學(xué)單元、探測(cè)單元與信號(hào)處理單元；

7、所述接收光學(xué)單元包括沿回波信號(hào)光路依次設(shè)置的主反射鏡、次反射鏡及校正鏡組；所述主反射鏡的中心處沿軸向設(shè)有光路通道，所述校正鏡組設(shè)置在光路通道內(nèi)，用于校正回波信號(hào)的像差；

8、所述探測(cè)單元為位敏陽(yáng)極mcp探測(cè)器，其輸入端靠近校正鏡組的出光端，輸出端與信號(hào)處理單元連接；所述探測(cè)單元用于采集依次經(jīng)主反射鏡、次反射鏡、校正鏡組后的回波信號(hào)，并將其傳輸至信號(hào)處理單元，信號(hào)處理單元用于計(jì)算并輸出目標(biāo)場(chǎng)景的圖像信息。

9、進(jìn)一步地，所述探測(cè)單元為交叉延遲線位敏陽(yáng)極mcp探測(cè)器，包括依次設(shè)置的輸入窗口、光電陰極、微通道組件、ge感應(yīng)層、位敏陽(yáng)極讀出電路；

10、所述輸入窗口靠近校正鏡組的出光端設(shè)置，用于保護(hù)光電陰極；

11、所述光電陰極用于將校正像差后的回波信號(hào)中的光子轉(zhuǎn)化為初始光電子；

12、所述微通道組件包括電子放大倍數(shù)逐級(jí)倍增的多層微通道板，用于將初始光電子逐級(jí)放大形成電荷云團(tuán)；

13、所述ge感應(yīng)層用于保持電荷云團(tuán)的分布形狀不變，從而使達(dá)到位敏陽(yáng)極讀出電路上的電荷能夠精確反映單次光子事件的質(zhì)心位置；

14、所述位敏陽(yáng)極讀出電路為含有兩條交叉延遲線位敏陽(yáng)極的讀出電路，且兩條交叉延遲線位敏陽(yáng)極之間相互絕緣；位敏陽(yáng)極讀出電路與信號(hào)處理單元連接，用于收集電荷云團(tuán)中對(duì)應(yīng)的電荷脈沖信號(hào)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間和空間位置信息，從而獲取目標(biāo)場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)傳輸至信號(hào)處理單元。

15、進(jìn)一步地，所述光學(xué)整形單元包括兩片熔石英透鏡，用于將激光器的出射光準(zhǔn)直為平行光束。

16、進(jìn)一步地，所述主反射鏡和次反射鏡均為拋物面結(jié)構(gòu)。

17、進(jìn)一步地，所述校正鏡組包括沿光路依次設(shè)置的多片校正透鏡，其中靠近次反射鏡的一片校正透鏡前端還設(shè)有熔石英防輻射玻璃窗口。

18、本發(fā)明還提供一種一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)方法，其特殊之處在于，采用上述的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括以下步驟：

19、步驟1、激光器發(fā)射的出射光經(jīng)光學(xué)整形單元后到達(dá)目標(biāo)場(chǎng)景，并形成攜帶有目標(biāo)場(chǎng)景信息的回波信號(hào)；

20、步驟2、回波信號(hào)依次經(jīng)主反射鏡、次反射鏡、校正鏡組后進(jìn)入探測(cè)單元；

21、步驟3、探測(cè)單元從接收到的回波信號(hào)中獲取目標(biāo)場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并傳輸至信息處理單元；

22、步驟4、信息處理單元基于步驟3得到的所述三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取目標(biāo)場(chǎng)景的深度圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空間目標(biāo)的監(jiān)測(cè)。

23、進(jìn)一步地，步驟3包括以下步驟：

24、3.1、回波信號(hào)經(jīng)輸入窗口到達(dá)光電陰極，由光電陰極激發(fā)出回波信號(hào)中的初始光電子；

25、3.2、微通道組件將初始光電子進(jìn)行電子倍增放大形成電荷云團(tuán)；

26、3.3、電荷云團(tuán)經(jīng)ge感應(yīng)層后到達(dá)位敏陽(yáng)極讀出電路，位敏陽(yáng)極讀出電路獲取電荷云團(tuán)中對(duì)應(yīng)的電荷脈沖信號(hào)，并獲取回波信號(hào)進(jìn)入探測(cè)單元的時(shí)間，以及電荷脈沖信號(hào)到達(dá)位敏陽(yáng)極讀出電路中交叉延遲線上的空間位置，進(jìn)而得到目標(biāo)場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

27、進(jìn)一步地，步驟3.3包括以下步驟：

28、3.3.1、通過(guò)位敏陽(yáng)極讀出電路獲取電荷云團(tuán)中對(duì)應(yīng)的電荷脈沖信號(hào)，以及電荷脈沖信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間，再結(jié)合激光器發(fā)射出射光的時(shí)間，進(jìn)而獲取回波信號(hào)到達(dá)探測(cè)單元的時(shí)間t；其中，每一個(gè)電荷云團(tuán)所攜帶的電荷分別在兩條交叉延遲線位敏陽(yáng)極兩端共產(chǎn)生4個(gè)脈沖信號(hào)，分別標(biāo)記為x1、x2、y1、y2；

29、3.3.2、根據(jù)電荷脈沖信號(hào)到達(dá)交叉延遲線位敏陽(yáng)極兩端的延時(shí)差，按照如下公式計(jì)算得到電荷脈沖信號(hào)到達(dá)交叉延遲線上的空間二維位置(x，y)；

30、

31、3.3.3、將步驟3.3.1獲取的時(shí)間t和步驟3.3.2得到的空間二維位置(x，y)合并即得到目標(biāo)場(chǎng)景的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(x，y，t)；其中，通過(guò)在交叉延遲線位敏陽(yáng)極兩端延時(shí)差的計(jì)算中引入特定的時(shí)間擾動(dòng)，就可以改變探測(cè)器的等效像元大小和有效像素?cái)?shù)目，從而獲得空間分辨率可變的深度圖像。

32、進(jìn)一步地，步驟4中，依次通過(guò)降噪濾波、光子直方圖統(tǒng)計(jì)以及最大似然距離估計(jì)的方法，重建得到固定空間分辨率的目標(biāo)場(chǎng)景的深度圖像。

33、進(jìn)一步地，還包括步驟4中，通過(guò)延遲器改變電荷脈沖信號(hào)到達(dá)交叉延遲線位敏陽(yáng)極兩端的延時(shí)差，進(jìn)而得到不同空間分辨率的目標(biāo)場(chǎng)景的深度圖像，將不同空間分辨率的深度圖像輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)多尺度融合對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的深度圖像進(jìn)行增強(qiáng)。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

35、1、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將激光發(fā)射系統(tǒng)和回波接收系統(tǒng)采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集成度較高，既可以對(duì)遠(yuǎn)距離空間點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)和測(cè)距，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離空間面目標(biāo)的三維成像。

36、2、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，探測(cè)單元選擇交叉延遲線位敏陽(yáng)極mcp探測(cè)器，具有超高靈敏度探測(cè)功能以及可變空間分辨率的光子計(jì)數(shù)三維成像功能，使得該一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集目標(biāo)探測(cè)、測(cè)距及三維成像于一體。

37、3、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將激光發(fā)射系統(tǒng)和回波接收光學(xué)系統(tǒng)采用分離孔徑方式設(shè)計(jì)，該方式控制照明范圍更加靈活，同時(shí)無(wú)需考慮收發(fā)共孔徑設(shè)計(jì)時(shí)需要面臨的雜光抑制問(wèn)題。

38、4、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，回波接收系統(tǒng)中的接收光學(xué)單元考慮到遠(yuǎn)距離探測(cè)成像較高空間分辨率對(duì)接收光學(xué)系統(tǒng)口徑的要求，采用由拋物面結(jié)構(gòu)主反射鏡和次反射鏡組成全反射式結(jié)構(gòu)，不僅壓縮了系統(tǒng)的體積，還利用高輕量化率技術(shù)降低了系統(tǒng)的載荷質(zhì)量。

39、5、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，校正鏡組用于校正鏡主反射鏡、次反射鏡后的剩余像差；同時(shí)，在靠近次反射鏡的一片校正透鏡前端還設(shè)有熔石英防輻射玻璃窗口，用于避免空間輻射對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。

40、6、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景快速、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)。

41、7、本發(fā)明提供的一體式空間目標(biāo)監(jiān)測(cè)方法，還可將不同空間分辨率的深度圖像輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)多尺度融合對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的深度圖像進(jìn)行增強(qiáng)，且增強(qiáng)后的深度圖像可兼顧高空間分辨率與高信噪比。