一種基于光子計數時間標記技術的天基空間目標探測裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光子計數時間標記技術的天基空間目標探測裝置，由遮光罩、光學系統、MCP位敏探測器和信號處理模塊組成。目標光學信號經光學系統進行能量匯聚，傳輸到MCP位敏探測器上，MCP位敏探測器對目標光信號進行光子計數成像，信號處理模塊對探測器輸出的信號進行處理，得到目標光信號到達時間和位置坐標信息。本發明利用光子計數時間標記技術，可以獲得目標的位置和時間信息，具有位置讀出、高靈敏度和時間標記功能，彌補傳統探測裝置在探測微弱高速運動目標方面的問題。
【專利說明】
一種基于光子計數時間標記技術的天基空間目標探測裝置
技術領域
[0001]本發明涉及天基空間目標探測技術領域，特別涉及一種基于光子計數時間標記技術的空間目標探測裝置。
【背景技術】
[0002]空間目標探測是利用空間和控制空間的重要基礎，是未來空間技術的一個重要課題。與地基探測相比，天基探測在空域覆蓋性、監視時效性、小尺度目標探測編目與預警方面，具有明顯的優勢。與天基雷達系統相比，天基光學探測具有功耗低、測角精度高等優勢。隨著各國航天事業的發展，空間目標日益復雜，包括微小衛星，空間碎片。因此迫切需要發展空間目標天基光學探測技術，特別是對空間微弱、高速動目標的探測需求尤為迫切。
[0003]傳統的天基空間目標探測裝置采用基于CXD或CMOS探測器的探測體制。這兩種探測器具有量子效率高的優點，但是讀出噪聲會隨著幀頻的增加而增大，因此很難滿足高速微弱目標的探測。對于點目標探測，為了滿足一定的探測概率，通常需要信噪比大于6。對于一定尺寸的目標，可以通過增加積分時間或者降低探測距離來獲得更多信號光子數，以提高信噪比。因此，傳統的基于CCD或CMOS探測器的探測體制只能對速度較慢、距離較近、尺寸較大的目標進行探測，無法滿足對遠距離微小目標和近距離高速運動目標探測的需求。到目前為止，尚未有針對空間微弱、高速運動目標探測的裝置。
【發明內容】
[0004]本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提供一種基于光子計數時間標記技術的空間目標探測裝置，該裝置可以滿足對空間微弱高速動目標的探測。
[0005]本發明的技術方案是:一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，包括遮光罩、光學系統、MCP位敏探測器、信號處理模塊;遮光罩用于消除目標信號光的雜光；目標信號光經過光學系統采集后送至MCP位敏探測器;MCP位敏探測器將入射的光子轉換成光電子，并對光電子進行放大形成電子云，某一時刻的電子云的二維位置信息由MCP位敏探測器陽極記錄;信號處理模塊對MCP位敏探測器陽極輸出的光電流脈沖信號進行放大、比較、轉換后輸出模擬信號，并將該模擬信號轉換成數字信號，通過質心算法得到目標的坐標信息，通過電路自帶時鐘或計時電路得到目標信號到達的時間信息。
[0006]所述的光學系統位于遮光罩后端，將來自目標的光信號匯聚在其后的焦平面上；所述光學系統的形式為視場拼接光學系統或同心多尺度光學系統。
[0007]所述的MCP位敏探測器位于光學系統的焦平面上，包括陰極“窗”、微通道板堆和陽極。
[0008]所述的陰極“窗”，由輸入光窗和光電陰極組成;輸入光窗為石英玻璃或娃英玻璃；光電陰極材料為多堿或AgOCs或InGaAs。
[0009]所述的微通道板堆為多塊微通道板沿電子入射方向堆疊排列，并根據增益倍數需要，確定微通道板的個數。
[0010]所述的陽極，為陽極陣列，具有二維NXN陣列結構，N為正整數，置于真空環境內；
[0011]所述的陽極陣列具有兩種結構，即交叉條陽極和交叉延遲線陽極;所述的交叉條陽極為:在相互垂直的X和y方向分別有N個相同、彼此獨立且平行的陽極，即有2XN個陽極讀出；所述的交叉延遲線陽極為:在X方向有一個呈“回”字形排布的陽極，對應2個陽極讀出，在與X方向垂直的y方向有一個呈“回”字形排布的陽極，對應2個陽極讀出，即交叉延遲線陽極有4個陽極讀出。
[0012]所述的信號處理模塊，對于交叉條陽極，包括:放大器、濾波器、模數轉換器、計時電路、可編程邏輯門陣列;交叉條陽極探測器陽極X方向多個電極輸出的信號依次通過放大器、濾波器、模數轉換器，輸出給可編程門陣列；交叉條陽極探測器陽極y方向多個電極輸出的信號依次通過放大器、濾波器、模數轉換器，輸出給可編程門陣列;微通道板堆引出的輸出信號通過計時電路記錄光信號到達時間，輸出給可編程門陣列;可編程門陣列對X方向和y方向模數轉換器輸出的信號進行質心算法處理進而得到X方向和y方向光信號到達的位置信息、同時打包輸出計時電路獲取的目標光信號到達的時間信息。
[0013]對于交叉延遲線陽極，包括:放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器、計時電路、可編程邏輯門陣列；陽極X方向2個電極輸出的信號分別依次通過放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器輸入到可編程門陣列，恒定系數鑒別器將輸入的模擬脈沖信號轉換為快速的邏輯脈沖信號，時幅轉換器將X方向兩路恒定系數鑒別器輸出的邏輯脈沖信號到達時間進行比較，并轉換成一個電壓脈沖，其幅值正比于兩路邏輯脈沖信號到達時間的時間差；陽極y方向2個電極輸出的信號分別依次通過放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器輸入到可編程門陣列，恒定系數鑒別器將輸入的模擬脈沖信號轉換為快速的邏輯脈沖信號，時幅轉換器將y方向兩路恒定系數鑒別器輸出的邏輯脈沖信號到達時間進行比較，并轉換成一個電壓脈沖，其幅值正比于兩路邏輯脈沖信號到達時間的時間差;微通道板堆引出的輸出信號通過計時電路記錄光信號到達時間，輸出給可編程門陣列；可編程門陣列分別將接收到的X方向和y方向的時間差數字信號進行處理，通過質心算法提取電子云質心，得到光信號到達的位置信息，可編程門陣列同時打包輸出計時電路獲取的目標光信號到達的時間信息。
[0014]本發明的有益效果:
[0015]1、本發明提供了一種基于光子計數時間標記技術的空間目標探測裝置，由遮光罩、光學系統、MCP位敏探測器、信號處理模塊組成。通過將光子計數成像技術和高分辨時間標記技術相結合，獲得目標的X、Y、T(位置、時間)三維信息，具有位置讀出、高靈敏度探測和時間標記功能。基于得到的Χ、Υ、Τ三維信息，可以檢測得到目標軌跡和位置信息。本發明能夠彌補傳統探測裝置在探測微弱高速運動目標方面的不足。
[0016]2、本發明采用MCP位敏探測器，屬于被動光子計數成像探測體制，比APD具有更低的暗信號，可以實現更高靈敏度探測；同時，采用陽極陣列和信號處理模塊直接測定MCP出射的電子云質心，以此來確定入射光子的位置，可以直接輸出目標物理位置信息，回避傳統探測體制位置坐標邏輯轉換的處理過程，提高效率和準確度；
[0017]3、本發明采用MCP位敏探測器和信號處理模塊實現高分辨時間標記功能，可以對高速運動目標進行探測，解決傳統探測體制由于高幀頻導致讀出噪聲大而不能探測高速目標的問題。
【附圖說明】
[0018]圖1為一種基于光子計數時間標記技術的天基空間目標探測裝置的原理圖。
[0019]圖2為MCP位敏探測器的功能示意圖。
[0020]圖3a為MCP位敏探測器的交叉條陽極結構示意圖。
[0021 ]圖3b為MCP位敏探測器的交叉延遲線陽極結構示意圖。
[0022]圖4a為交叉條陽極信號處理模塊的原理框圖。
[0023]圖4b為交叉延遲線陽極信號處理模塊的原理框圖。
【具體實施方式】
[0024]如圖1所示，本發明的空間目標探測裝置包括遮光罩、光學系統、MCP位敏探測器和信號處理模塊。遮光罩用于消除雜散光；目標光學信號經遮光罩進入光學系統進行能量匯聚，之后傳輸到MCP位敏探測器;MCP位敏探測器采用光子計數時間標記技術記錄某一時刻目標信號光的位置坐標;信號處理模塊根據MCP位敏探測器陽極的形式，對電子信號進行處理，獲得目標的X、Y、T三維信息。
[0025]如圖2所示，MCP位敏探測器由陰極“窗”、MCP堆(微通道板堆)和陽極組成。陰極“窗”將入射的光信號轉換成光電子，MCP堆對光電子進行放大形成電子云并射向陽極。陽極排列成正交NXN形式，并根據讀出方式不同，具有兩種類型，即交叉條陽極和交叉延遲線陽極，如圖3a和圖3b所示。
[0026]根據基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置的總體要求，光學系統采用反射式結構，包括主鏡組件、次鏡組件和三鏡組件。
[0027]如圖4a和圖4b所示，針對MCP位敏探測器兩種陽極結構，信號處理模塊具有兩種形式。①如圖4a，對于交叉條陽極，其信號處理模塊主要包括:放大器、濾波器、模擬數字轉換器、計時電路、可編程邏輯門陣列(FPGA)。交叉條陽極探測器陽極X方向N個電極輸出的信號依次通過放大器、濾波器、模數轉換器，輸出給可編程門陣列;交叉條陽極探測器陽極y方向N個電極輸出的信號依次通過放大器、濾波器、模數轉換器，輸出給可編程門陣列;探測器微通道板堆引出的輸出信號通過計時電路記錄光信號到達時間，輸出給可編程門陣列；可編程門陣列，對X方向和y方向模數轉換器輸出的信號進行質心算法處理進而得到X方向和y方向光信號到達的位置信息、同時打包輸出計時電路獲取的目標光信號到達的時間信息。②如圖4b，對于交叉延遲線陽極，其信號處理模塊主要包括:放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器、計時電路、可編程邏輯門陣列(FPGA);陽極X方向2個電極輸出的信號分別依次通過放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器輸入到可編程門陣列，恒定系數鑒別器將輸入的模擬脈沖信號轉換為快速的邏輯脈沖信號，時幅轉換器將X方向兩路恒定系數鑒別器輸出的邏輯脈沖信號到達時間進行比較，并轉換成一個電壓脈沖，其幅值正比于兩路邏輯脈沖信號到達時間的時間差；陽極y方向2個電極輸出的信號分別依次通過放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器輸入到可編程門陣列，恒定系數鑒別器將輸入的模擬脈沖信號轉換為快速的邏輯脈沖信號，時幅轉換器將y方向兩路恒定系數鑒別器輸出的邏輯脈沖信號到達時間進行比較，并轉換成一個電壓脈沖，其幅值正比于兩路邏輯脈沖信號到達時間的時間差;探測器微通道板堆引出的輸出信號通過計時電路記錄光信號到達時間，輸出給可編程門陣列；可編程門陣列分別將接收到的X方向和y方向的時間差數字信號進行處理，通過質心算法提取電子云質心，得到光信號到達的位置信息，可編程門陣列同時打包輸出計時電路獲取的目標光信號到達的時間信息。
【主權項】
1.一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，包括遮光罩、光學系統、MCP位敏探測器、信號處理模塊;遮光罩用于消除目標信號光的雜光；目標信號光經過光學系統采集后送至MCP位敏探測器;MCP位敏探測器將入射的光子轉換成光電子，并對光電子進行放大形成電子云，某一時刻的電子云的二維位置信息由MCP位敏探測器陽極記錄;信號處理模塊對MCP位敏探測器陽極輸出的光電流脈沖信號進行放大、比較、轉換后輸出模擬信號，并將該模擬信號轉換成數字信號，通過質心算法得到目標的坐標信息，通過電路自帶時鐘或計時電路得到目標信號到達的時間信息。2.根據權利要求1所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的光學系統位于遮光罩后端，將來自目標的光信號匯聚在其后的焦平面上;所述光學系統的形式為視場拼接光學系統或同心多尺度光學系統。3.根據權利要求1所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的MCP位敏探測器位于光學系統的焦平面上，包括陰極“窗”、微通道板堆和陽極。4.根據權利要求3所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的陰極“窗”，由輸入光窗和光電陰極組成;輸入光窗為石英玻璃或娃英玻璃;光電陰極材料為多堿或AgOCs或InGaAs。5.根據權利要求3所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的微通道板堆為多塊微通道板沿電子入射方向堆疊排列，并根據增益倍數需要，確定微通道板的個數。6.根據權利要求3所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的陽極，為陽極陣列，具有二維NXN陣列結構，N為正整數，置于真空環境內。7.根據權利要求6所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的陽極陣列具有兩種結構，即交叉條陽極和交叉延遲線陽極;所述的交叉條陽極為:在相互垂直的X和y方向分別有N個相同、彼此獨立且平行的陽極，即有2XN個陽極讀出；所述的交叉延遲線陽極為:在X方向有一個呈“回”字形排布的陽極，對應2個陽極讀出，在與X方向垂直的y方向有一個呈“回”字形排布的陽極，對應2個陽極讀出，即交叉延遲線陽極有4個陽極讀出。8.根據權利要求7所述的一種基于光子計數時間標記技術的空間微弱目標探測裝置，其特征在于:所述的信號處理模塊，對于交叉條陽極，包括:放大器、濾波器、模數轉換器、計時電路、可編程邏輯門陣列;交叉條陽極探測器陽極X方向多個電極輸出的信號依次通過放大器、濾波器、模數轉換器，輸出給可編程門陣列;交叉條陽極探測器陽極y方向多個電極輸出的信號依次通過放大器、濾波器、模數轉換器，輸出給可編程門陣列;微通道板堆引出的輸出信號通過計時電路記錄光信號到達時間，輸出給可編程門陣列;可編程門陣列對X方向和y方向模數轉換器輸出的信號進行質心算法處理進而得到X方向和y方向光信號到達的位置信息、同時打包輸出計時電路獲取的目標光信號到達的時間信息。 對于交叉延遲線陽極，包括:放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器、計時電路、可編程邏輯門陣列；陽極X方向2個電極輸出的信號分別依次通過放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器輸入到可編程門陣列，恒定系數鑒別器將輸入的模擬脈沖信號轉換為快速的邏輯脈沖信號，時幅轉換器將X方向兩路恒定系數鑒別器輸出的邏輯脈沖信號到達時間進行比較，并轉換成一個電壓脈沖，其幅值正比于兩路邏輯脈沖信號到達時間的時間差；陽極y方向2個電極輸出的信號分別依次通過放大器、恒定系數鑒別器、時幅轉換器、模數轉換器輸入到可編程門陣列，恒定系數鑒別器將輸入的模擬脈沖信號轉換為快速的邏輯脈沖信號，時幅轉換器將y方向兩路恒定系數鑒別器輸出的邏輯脈沖信號到達時間進行比較，并轉換成一個電壓脈沖，其幅值正比于兩路邏輯脈沖信號到達時間的時間差;微通道板堆引出的輸出信號通過計時電路記錄光信號到達時間，輸出給可編程門陣列；可編程門陣列分別將接收到的X方向和y方向的時間差數字信號進行處理，通過質心算法提取電子云質心，得到光信號到達的位置信息，可編程門陣列同時打包輸出計時電路獲取的目標光信號到達的時間信息。
【文檔編號】G01V8/10GK106066496SQ201610544414
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月12日
【發明人】趙思思, 莊緒霞, 吳憲珉, 安寧, 呂紅, 楊頌
【申請人】北京空間機電研究所