Offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置及空间目标观测方法与流程

本发明属于空间目标识别与光谱探测领域，尤其涉及一种offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置及空间目标观测方法。

背景技术：

我国地基天文望远镜的主要工作内容是对中、高轨空间碎片的观测和预警。而空间目标观测技术的主要内容即是空间目标的识别与判断。因此，提供一种对中、高轨空间碎片多特征参数进行识别的技术和方法，是空间碎片观测领域亟待解决的难题。现有的大量科研成果表明，将亮度信息、光谱信息和偏振信息三者合而为一，对空间碎片进行探测和分析，将对空间碎片的识别带来显著的提升。在空间碎片观测领域，现有的研究及成果如下：1)文献[1]中，中科院国家天文台的唐轶峻等人分析了观测高轨道空间目标的四种光学测量方法，分别为时间序列测光、多色测光、低色散光谱观测、偏振光学观测，各有技术特点。2)文献[2]中，唐轶峻在可见光波段对express-am3的漫反射进行了研究，获得了这颗卫星的光亮变曲线。3)文献[3]中，长春理工大学的姜会林等提出了对空间目标观测，采用光强、光谱及偏振三合一探测将具有巨大的技术优势，如何实现未做详细展开。4)文献[4]中,天津光电信息控制和安全技术重点实验室(中电53所)的李宇海等人，对1-10cm空间碎片利用红外和可见光波段进行融合探测，初步完成了目标的识别和认证工作。5)文献[5]中，国家天文台的ji-chengz等人对北京兴隆附近的天空夜光谱进行了观测和测量，为天文观测提供了背景参考。

然而上述研究主要探讨了方法的可行性，均是利用分离设备进行单独测量。对空间的目标亮度信息、光谱信息和偏振信息三合一的观测设备还没有见诸报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置及空间目标观测方法，对空间的目标亮度信息、光谱信息和偏振信息的观测三合一集成在一个装置中，解决了空间目标探测中多参数提取困难、提取效率低、识别错误率高的问题。本发明采用的技术方案如下：

一种offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置，包括同步换镜器、offner光谱仪光路模块和偏振成像光路模块；所述偏振成像光路模块用于观测特定目标区，之后所述同步换镜器动态切换偏振成像光路模块至所述offner光谱仪光路模块；所述offner光谱仪光路模块用于采集并成像特定目标区的光谱。

优选地，所述同步换镜器包括第一组反射镜和第二组发射镜；

所述第一组反射镜均为全反射镜；其中一个全反射镜靠近所述offner光谱仪光路模块的入射端，另一个全反射镜靠近述offner光谱仪光路模块的出射端；

所述第二组反射镜包括一半反半透镜和一偏振片总成；所述半反半透镜靠近所述偏振成像光路模块的入射端；所述偏振片总成靠近所述偏振成像光路模块的出射端。

优选地，所述偏振成像光路模块包括第二平移台、半反半透镜总成、第一偏振组件、第二偏振组件、第三偏振组件和第四偏振组件；

其中，所述第一偏振组件接收半反半透镜的透射光线并成像；

所述第二偏振组件接收半反半透镜总成的透射光线并成像；

所述第三偏振组件接收半反半透镜总成的反射光线并成像；

所述第四偏振组件接收半反半透镜的反射光线并成像；

所述第一偏振组件包括第一相机和第一透镜；所述第一透镜设置在第一相机和偏振片总成之间；所述第一相机和第一透镜位于所述第二平移台上。

优选地，所述第四偏振组件、第二偏振组件和第三偏振组件均包括沿光路的入射端至出射端方向依次设置的偏振片、透镜和相机。

优选地，所述offner光谱仪光路模块包括入射光路组件、分光光路组件、第五透镜和第六透镜；

光线经一个全反射镜的反射后，经第五透镜后入射至所述入射光路组件，之后经分光光路组件出射至第六透镜，光线经另一个所述全反射镜后入射至第一透镜，同时所述第一透镜移动，光线经第一透镜后在所述第一相机上成像。

优选地，所述入射光路组件包括狭缝组和驱动狭缝组的调整电机。

优选地，所述分光光路组件包括依次设置在光线传播方向上的第一凹面镜、凸面光栅和第二凹面镜。

优选地，进一步包括第一平移台；所述入射光路组件、分光光路组件、第五透镜和第六透镜均安装在所述第一平移台上。

一种空间目标观测方法，应用所述的offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置，包括以下步骤：

步骤s1：开启偏振成像光路模块以观测目标区；

步骤s2：经软件图像处理和人工处理后，中心定位到特定目标区，确定特征目标点群；

步骤s3：开始偏振、亮度观测记录，并形成副本给程序第二线程；

步骤s4：根据特征目标点群分布，手动或自动进行光谱扫描区域规划；

步骤s5：开启offner光谱仪模式，进行高光谱扫描；

步骤s6：进行光谱观测记录，执行步骤s9；

步骤s7：工作状态判断，根据工作状态判断，重新进入步骤s1，或退出程序；

步骤s8：观测结束，程序退出。

步骤s9：偏振、亮度图像备份；

步骤s10：光谱图像备份；

步骤s11：数据完备与否，不完备形成缺项，提示补充，状态发给s7；完备则进入s12；

步骤s12：三合一检测结果输出。

与现有技术相比，本发明的优点为：对空间的目标亮度信息、光谱信息和偏振信息的观测三合一集成在一个装置中，解决了空间目标探测中多参数提取困难、提取效率低、识别错误率高的问题。

附图说明

图1为本发明一实施例的offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的空间目标观测方法流程图。

其中，1-望远镜系统，2-成像镜组，3-望远镜第一成像位置，4-准直镜组，5-半反半透镜总成，6-第二偏振片，7-第二相机，8-第三偏振片，9-第三相机，10-第四相机，11-半反半透镜，12-第四偏振片，13-同步换镜器，14-第一偏振片，15-第一相机，16-第二平移平台，17-第二全反射镜，18-凸面光栅，19-第二凹面镜，20-第一全反射镜，21-光阑，22-狭缝组，23-调整电机，24-第一平移台。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置及空间目标观测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，一种offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置，包括同步换镜器13、offner光谱仪光路模块和偏振成像光路模块；偏振成像光路模块用于观测特定目标区，之后同步换镜器13动态切换偏振成像光路模块至offner光谱仪光路模块；offner光谱仪光路模块用于采集并成像特定目标区的光谱。

望远镜系统1的成像镜组2包括主镜m4和反射镜m3，经成像镜组m5后成像到b1-b2位置，即望远镜第一成像位置3。像面经准直镜组4后，进入offner光谱仪光路模块或偏振成像光路模块。

同步换镜器13包括第一组反射镜(左侧)和第二组反射镜(右侧)。

第一组反射镜均为全反射镜，包括第一全反射镜20和第二全反射镜17；其中一个全反射镜(第一全反射镜20)靠近offner光谱仪光路模块的入射端，另一个全反射(第二全反射镜17)镜靠近述offner光谱仪光路模块的出射端；第二组反射镜包括一半反半透镜11和第一偏振片14；半反半透镜靠近偏振成像光路模块的入射端；第一偏振片14靠近偏振成像光路模块的出射端。

偏振成像光路模块包括第二平移台16、半反半透镜总成5、第一偏振组件、第二偏振组件、第三偏振组件和第四偏振组件；第一偏振组件、第二偏振组件和第三偏振组件均包括沿光路的入射端至出射端方向依次设置的偏振片、透镜和相机。

第一偏振组件中，第一偏振片14接收半反半透11的透射光线并成像；第一偏振组件包括第一相机15(cmos1)和第一透镜d1；第一透镜d1设置在第一相机15和第一偏振片14之间；第一相机15和第一透镜d1位于第二平移台16上。

第二偏振组件包括第二相机7(cmos2)、透镜d2和第二偏振片6；第一偏振片6接收半反半透镜总成5的透射光线并成像；第二偏振片6接收半反半透射镜总成5的透射光线并经过透镜d2成像到第二相机7(cmos2)；

第三偏振组件包括第三偏振片8、第三相机9(cmos3)和透镜d3；第三偏振片8接收半反半透镜总成5的反射光线并经过透镜d3成像到第三相机9(cmos3)；

第四偏振组件包括第四相机10、第四偏振片12和透镜d4；第四偏振片12接收半反半透镜的反射光线并并经过透镜d4成像到第四相机10(cmos4)。

offner光谱仪光路模块包括入射光路组件、分光光路组件、第五透镜d5和第六透镜d6；光线经一个全反射镜的反射后，经第五透镜d5(设有光阑20)后入射至入射光路组件，在c2处进行分光，之后经分光光路组件出射至第六透镜d6，光线经另一个全反射镜后入射至第一透镜d1，同时第一透镜d1可控移动，光线经第一透镜d1后在第一相机15上成像。

入射光路组件包括狭缝组22和驱动狭缝组22的调整电机23。

分光光路组件包括依次设置在光线传播方向上的第一凹面镜(m1)、凸面光栅18(g1)和第二凹面镜19(m2)。

在本实施例中，进一步包括第一平移台24；入射光路组件、分光光路组件、第五透镜d5和第六透镜d6均安装在第一平移台24上。

本装置的工作原理为：在offner光谱仪光路模块的工作模式时，第二平移台16进行上下扫描，第一平移台24左右同步扫描，可以实现对像面b1-b2的高光谱成像过程；偏振成像光路模块的工作模式时，两个平移台不需要移动，四个cmos相机就可以构成一套完整的偏振探测光路，同时空间目标成像后的亮度变化可以被记录下来。从而实现三合一一体式观测。

如图2所示，本实施例还提出了一种空间目标观测方法，包括以下步骤：

步骤s1：开启偏振成像光路模块以观测目标区；

步骤s2：经软件图像处理和人工处理后，中心定位到特定目标区，确定特征目标点群；

步骤s3：开始偏振、亮度观测记录，并形成副本给程序第二线程；

步骤s4：根据特征目标点群分布，手动或自动进行光谱扫描区域规划；

步骤s5：开启offner光谱仪模式，进行高光谱扫描；

步骤s6：进行光谱观测记录，执行步骤s9；

步骤s7：工作状态判断，根据工作状态判断，重新进入步骤s1，或退出程序；

步骤s8：观测结束，程序退出。

步骤s9：偏振、亮度图像备份；

步骤s10：光谱图像备份；

步骤s11：数据完备与否，不完备形成缺项，提示补充，状态发给s7；完备则进入s12；

步骤s12：三合一检测结果输出。

综上，在本发明实施例提供的offner式偏振光谱一体式空间目标观测装置及空间目标观测方法中，具有以下优点：

1)根据offner光谱仪原理，利用凸面光栅18设计光谱分光系统，构成同心成像光路，消除成像光路中的像差影响、降低系统调校难度；

2)利用同步换镜器实现偏振光路和offner光谱光路的动态切换，实现空间目标偏振测量和空间目标光谱测量的一体式实现；

3)当offner光谱仪获得望远镜像面上一条设定位置窄缝的像光谱后，如果观测目标不在此光谱识别带上时，可以利用位置点的移动探测功能，控制精密位移台，带动offner光谱仪光路扫描整个望远镜的像面，此时望远镜系统可以保持不动，实现大视场的目标观测。

4)当观测目标处于运动状态时，平移台将随动实现目标的跟踪和定位功能，实现目标的慢速跟踪识别过程。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。