Feasibility study of an optical and laser system for the in-situ detection of small space debris

This master thesis presents the feasibility study of an optical and laser system for Low Earth Orbit (LEO) small space debris detection from a small satellite. ESA and NASA estimate that the amount of space debris will continue to climb in the future, however, current Earth-based observation systems can only track relatively large debris. With the increase in the number of missions launched, it is important to perform Space Surveillance and Tracking (SST) on small debris which can still lead to catastrophic collisions. A study was first performed on the orbital characteristics of the debris to understand the observation strategy to be implemented. It was found that the debris of interest resides mostly at altitudes of 820km to 860km in near polar orbits. An ND:Yag LiDAR system was selected for further development through a trade-off analysis based on literature. Since no other options seemed viable for the proposed operations, this system was studied through a radiometric model. The Noise Equivalent Power (NEP) along with the debris reflectivity was used to study the maximum range. It was found that, with a dedicated power of 125W, the laser system can detect debris at distances in excess of 40km. The final system has high efficiency, low thermal aberrations, and can detect debris between 0.9cm and 10cm in diameter. Then two Three Mirror Anastigmat (TMA) architectures were selected for the optical system. The TMAs were developed by calculating the various optical parameters required for implementation, including a beam splitter for the separation of the visible and IR spectra. Additionally the SNR of the visible detector when considering the trail left by a debris was calculated. The system characteristics were finally fed to a debris observation simulator to obtain information about possible detection. The final optical system has a wide FOV and operates at close to the diffraction limit with no aberrations, while efficiently separating the visible and IR light. Ultimately, it is capable of observing and cataloguing large numbers of debris with diameters between 0.9cm and 10cm at ranges of 40km to 500km.

Questa tesi di laurea presenta lo studio di fattibilità di un sistema ottico e laser per la rilevazione di piccoli detriti spaziali in orbita terrestre bassa (LEO) da un piccolo satellite. ESA e NASA stimano che la quantità di detriti spaziali continuerà a crescere in futuro; tuttavia, i sistemi di osservazione attuali basati sulla Terra possono monitorare solo detriti relativamente grandi. Con l’aumento del numero di missioni lanciate, è importante eseguire la Sorveglianza e il Monitoraggio dello Spazio (SST) su detriti più piccoli che possono comunque causare collisioni catastrofiche. È stata condotta uno studio sulle caratteristiche orbitali dei detriti per comprendere la strategia di osservazione da implementare. Si è scoperto che i detriti di interesse risiedono principalmente ad altitudini comprese tra 820km e 860km. Un sistema LiDAR ND:Yag è stato selezionato per ulteriore sviluppo attraverso un’analisi basata sulla letteratura. Poiché nessun’altra opzione sembrava fattibile per le operazioni proposte, questo laser è stato studiato attraverso un modello radiometrico. La Potenza Equivalente di Rumore (NEP) insieme alla riflettività dei detriti è stata utilizzata per studiare la portata massima e il Rapporto Segnale-Rumore (SNR). Con una potenza di 125W, il laser può rilevare detriti a distanze superiori a 40km. Il sistema finale ha un’alta efficienza, basse aberrazioni termiche e può rilevare detriti con diametri compresi tra 0,9cm e 10cm. Successivamente, sono state selezionate due architetture Three Mirror Anastigmat (TMA) per il sistema ottico. Il design è stato sviluppato calcolando vari parametri ottici, inclusa una divisorio di fasci per la separazione della luce visibile e infrarossa. Inoltre, è stato calcolato il SNR di un CCD considerando la scia lasciata da un detrito. Queste informazioni sono state alimentate a un simulatore di osservazione dei detriti per ottenere le caratteristiche di rilevamento. Il sistema ottico finale ha un ampio Campo Visivo (FOV) e opera vicino al limite di diffrazione senza aberrazioni, separando la luce visibile e infrarossa. In definitiva, è in grado di catalogare un gran numero di detriti a distanze di 40km a 500km.