在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法及系统与流程

本发明卫星通信技术领域，具体涉及一种在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法及系统。

背景技术：

随着人类空间活动的密集化，空间碎片不断增多而导致空间环境日益恶化，而由于空间碎片的增多，往往容易发生空间碎片撞击在轨航天器的事件，其对在轨航天器的安全运行以及航天员生命安全构成了严重的威胁，成为不可忽略的重要风险因素，因此，需要对在轨航天器遭受空间碎片撞击的情况进行监测，以评估在轨航天器损伤及结构健康状况，为航天器的在轨维护等提供数据支撑。

目前，现有的航天器结构健康监测方法通常为通过有源振动传感器数据分析或者超声主动探伤，而超声主动探伤虽然已成功应用于某些工业、军事领域的无损检测手段，然而，超声主动探伤方法需要主动发射超声波，只适用于主动探伤，而无法应用于无人值守航天器结构损伤监测，无法使用空间碎片撞击结构产生的声发射信号本身进行被动撞击监测与定位。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供基于超声信号处理的在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法及系统，解决的技术问题是直接使用空间碎片撞击结构产生的声发射信号本身进行被动撞击监测与定位。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案一方面提供了一种在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法，所述方法包括以下步骤：

通过多个超声传感器分别获取对应的目标超声信号，所述目标超声信号为在轨航天器遭受空间碎片撞击时产生的沿所述在轨航天器结构传播的超声信号；

对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据；

当判断任一所述超声监测数据超过预设触发阈值时，采集并存储特定超声监测数据，所述特定超声监测数据为所有超声传感器在预设触发时长内的超声监测数据；

当判断所有超声监测数据均未达到预设触发阈值时，读取已存储的特定超声监测数据，根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度。

优选的，所述对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据的步骤包括：

对每一目标超声信号转换为电压信号，并将所述电压信号进行一级放大至预设电压值；

将一级放大后的电压信号调整至中心零位在预设零位值的模拟信号；

对调零后的模拟信号进行初滤波；

根据预设增益系数对滤波后的模拟信号进行二级放大；

对二次放大后模拟信号进行电压跟随后转换为数字信号，得到超声监测数据。

优选的，所述预设触发阈值包括以中心零位为中心的上限值及下限值。

优选的，通过交叉存储阵列采集并存储特定超声监测数据。

优选的，所述根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度的步骤具体包括：

根据所述特定超声监测数据进行目标超声信号特征识别及撞击发生时刻点确认；

根据目标超声信号特征、撞击发生时刻点及超声传感器的分布位置通过时差定位法计算得到在轨航天器的撞击位置；

根据所述特定超声监测数据的能量分析估计在轨航天器的撞击强度。

另一方面，本发明还提供一种在轨航天器遭受空间碎片撞击监测系统，所述系统包括：

多个超声传感器，用于获取对应的目标超声信号，所述目标超声信号为在轨航天器遭受空间碎片撞击时产生的沿所述在轨航天器结构传播的超声信号；

放大增益模块，用于对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据；

判断模块，用于判断任一所述超声监测数据是否超过预设触发阈值；

采集存储模块，用于当判断任一所述超声监测数据超过预设触发阈值时，采集并存储特定超声监测数据，所述特定超声监测数据为预设触发时长内的超声监测数据；

分析计算模块，用于当判断所有超声监测数据均未达到预设触发阈值时，读取已存储的特定超声监测数据，根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度。

优选的，所述放大增益模块进一步包括：

一级放大子模块，用于对每一目标超声信号转换为电压信号，并将所述电压信号进行一级放大至预设电压值；

零位调整子模块，用于将一级放大后的电压信号调整至中心零位在预设零位值的模拟信号；

滤波子模块，用于对调零后的模拟信号进行初滤波；

二级放大子模块，用于对滤波后模拟型号进行二级放大；

信号跟随与模数转换子模块，用于对二次放大后模拟信号进行电压跟随后转换为数字信号，得到超声监测数据。

优选的，所述预设触发阈值包括以中心零位为中心的上限值及下限值。

优选的，所述采集存储模块为交叉存储阵列。

优选的，所述分析计算模块进一步包括：

识别确认子模块，用于根据所述特定超声监测数据进行目标超声信号特征识别及撞击发生时刻点确认；

位置计算子模块，用于根据目标超声信号特征、撞击发生时刻点及超声传感器的分布位置通过时差定位法计算得到在轨航天器的撞击位置；

强度估计子模块，用于根据所述特定超声监测数据的能量分析估计在轨航天器的撞击强度。

采用上述技术方案，本发明至少可取得下述技术效果：

本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法及系统采用无源超声传感器作为超声信号获取敏感器件，可针对不同在轨航天器的刚性结构体需求进行相应的信号识别方式调整、增益调整和系统拓展，实现了空间碎片撞击结构产生的声发射监测与定位，提供了基于被动监测方式的在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法的具体流程示意图；

图2是本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法的硬件实现结构图；

图3是图1中超声监测数据的监测触发的示意图；

图4是本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法，所述方法包括以下步骤：通过多个超声传感器分别获取对应的目标超声信号，所述目标超声信号为在轨航天器遭受空间碎片撞击时产生的沿所述在轨航天器结构传播的超声信号；对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据；当判断任一所述超声监测数据超过预设触发阈值时，采集并存储特定超声监测数据，所述特定超声监测数据为所有超声传感器在预设触发时长内的超声监测数据；当判断所有超声监测数据均未达到预设触发阈值时，读取已存储的特定超声监测数据，根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度。

请参阅图1及图2，图1是本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法的具体流程示意图，图2是本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法的硬件实现结构图。本实施例所述的在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法包括如下步骤：

步骤101：通过多个超声传感器分别获取对应的目标超声信号，所述目标超声信号为在轨航天器遭受空间碎片撞击时产生的沿所述在轨航天器结构传播的超声信号。

具体实现时，本发明采用无源超声传感器作为超声信号获取敏感器件，当在轨航天器遭受空间碎片撞击时会产生沿所述在轨航天器结构传播的超声信号，将多个超声传感器安装于在轨航天器的结构上的不同位置，这样就可以通过所述多个超声传感器采集到多个特定位置产生的目标超声信号，并将采集到的目标超声信号转换成电荷信号输出。本实施例中采用四个安装于在轨航天器结构的超声传感器。

步骤102：对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据。

具体实现时，在获取到与多个超声传感器对应的多个目标超声信号之后，由于所述目标超声信号为电荷信号，需要将其转换为电压信号并进行放大增益，同时也会对电压信号进行调整滤波。即所述对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据的步骤包括：

对每一目标超声信号转换为电压信号，并将所述电压信号进行一级放大至预设电压值；

将一级放大后的电压信号调整至中心零位在预设零位值的模拟信号；

对调零后的模拟信号进行初滤波；

根据预设增益系数对滤波后的模拟信号进行二级放大；

对二次放大后模拟信号进行电压跟随后转换为数字信号，得到超声监测数据。

其中，本实施例中，所述预设电压值为10mV～200mV。通过对对调零后的模拟信号进行初滤波后，可降低二级放大信号的输入噪声。

本实施例中，所述预设零位值为2.5V，当然，所述预设零位值还可以为0～5V(即系统对传感器输入信号电平量程)中某个数值，只要不影响后续信号的二次放大即可。

所述二级放大可实现输入信号的增益可控，即可将信号按照命令字设置增益系数，实现输入至后端AD信号时信号放大至合适标准，从而适应不同结构的在轨航天器碎片撞击感知需求。

需要说明的是，本发明中，所述对目标超声信号的一级放大、滤波及二级放大的功能可集成于超声传感器中(集成模拟信号调理功能)，而对二级放大后的数模转换的功能通过信号处理单元完成，即将所述超声传感器输出的小信号通过同轴屏蔽电缆传输至信号处理单元，且通过信号跟随来匹配超声传感器与信号处理单元阻抗。

本实施例中，对二级放大后的模拟信号采用多路AD并行采样方式，采集速率为6MHz，采样精度为14bit。

步骤103：判断任一所述超声监测数据是否超过预设触发阈值，若是，则进行步骤104；若否，则进行步骤105。

步骤104：采集并存储特定超声监测数据，所述特定超声监测数据为所有超声传感器在预设触发时长内的超声监测数据。

具体实现时，每一路超声传感器均输出一超声监测数据给信号处理单元处理，即形成了多路超声监测通道，且在监测时间内保持持续输出超声监测数据。所述信号处理单元在对所述超声监测数据判断之前，需要实时缓冲多路超声监测通道输出1ms数据，软件运行过程中实时缓冲各超声监测通道1ms数据，再对每一路超声传感器输出的超声监测数据均进行判断。

请一并参阅图3，图3是图1中超声监测数据的监测触发的示意图。当某一路超声传感器输出一超声监测数据被信号处理单元缓存后，所述信号处理单元中判断模块(例如FPGA)读取所述超声监测数据，并判断所述超声监测数据是否预设触发阈值，由于超声输入信号在以中心零位O为中心上下振动，因此需要设置上限值A、下限值B的两个阈值进行超阈值监测判断。

本实施例中，所述预设触发时长为触发时刻前1ms至不满足触发条件后1ms，或者触发时刻前100us至不满足触发条件后1ms左右也可以，具体可根据需要设置调整。图2中，T1、T5为符合记录要求的触发时刻前1ms时刻，T2、T6为符合记录要求的触发时刻；T3、T7：不符合记录要求的触发时刻，T4、T8为不符合记录要求的触发时刻后1ms时刻，因此，所述特定超声监测数据的记录时间为T1～T4，T5～T8。

所述信号处理单元需要对所有超声传感器的超声监测数据进行触发阈值判断，只要有任一所述超声监测数据是否超过预设触发阈值，则要将预设触发时长内(在触发时刻前1ms至不满足触发条件后1ms)所有超声监测通道的特定超声监测数据均进行采集存储。本实施例中，通过FIFO(First Input First Output，先入先出队列)的方式来实现所有超声监测通道的特定超声监测数据的采集存储。

步骤105：读取已存储的特定超声监测数据，根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度。

具体实现时，当判断所有超声监测数据均未达到预设触发阈值时，此时系统处于空闲，所述信号处理单元则回读之前各路超声传感器通道的特定超声监测数据，通过CPU分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度。

所述根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度的步骤具体包括：

根据所述特定超声监测数据进行目标超声信号特征识别及撞击发生时刻点确认；

根据目标超声信号特征、撞击发生时刻点及超声传感器的分布位置通过时差定位法计算得到在轨航天器的撞击位置；

根据所述特定超声监测数据的能量分析估计在轨航天器的撞击强度。

需要说明的是，本发明中采用存储阵列提升数据存储效率，即通过数据交叉存储方式实现多路超声传感器的高速采样数据存储，图2中，本实施例采用交叉存储阵列1、交叉存储阵列2、交叉存储阵列3及交叉存储阵列4的四个交叉存储阵列进行数据存储。所述超声监测数据通过数据交叉存储阵列和地址指针管理，同时存储阵列支持多次触发数据分区存储，解决了数据解算期间因发生过阈值触发记录事件而导致数据存储阵列总线占用无法读取分析数据，提升了系统的工作效率。

本发明中在分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度后，通过总线向星务发送撞击时刻、撞击定位等遥测信息，通过高速数据下行链路下行系统存储异常时段监测原始超声数据。本发明支持16路(通道)超声传感器信号监测并支持通道拓展。

另，请参阅图4，本发明还提供一种在轨航天器遭受空间碎片撞击监测系统，所述系统包括：

多个超声传感器10，用于获取对应的目标超声信号，所述目标超声信号为在轨航天器遭受空间碎片撞击时产生的沿所述在轨航天器结构传播的超声信号；

放大增益模块20，用于对每一目标超声信号进行放大增益处理得到超声监测数据；

判断模块30，用于判断任一所述超声监测数据是否超过预设触发阈值；

采集存储模块40，用于当判断任一所述超声监测数据超过预设触发阈值时，采集并存储特定超声监测数据，所述特定超声监测数据为所有超声传感器在预设触发时长的超声监测数据；

分析计算模块50，用于当判断所有超声监测数据均未达到预设触发阈值时，读取所述特定超声监测数据，根据所述特定超声监测数据分析计算得到在轨航天器的撞击位置及撞击强度。

需要说明的是，本实施例中，所述预设触发时长为触发时刻前1ms至不满足触发条件后1ms，或者触发时刻前100us至不满足触发条件后1ms左右也可以，具体可根据需要设置调整。

其中，所述放大增益模块20进一步包括：

一级放大子模块201，用于对每一目标超声信号转换为电压信号，并将所述电压信号进行一级放大至预设电压值；

零位调整子模块202，用于将一级放大后的电压信号调整至中心零位在预设零位值的模拟信号；

滤波子模块203，用于对调零后的模拟信号进行初滤波；

二级放大子模块204，用于对滤波后模拟信号进行二级放大；

信号跟随与模数转换子模块205，用于对二次放大后模拟信号进行电压跟随后转换为数字信号，得到超声监测数据。

所述预设触发阈值包括以中心零位为中心的上限值及下限值；所述采集存储模块40为交叉存储阵列。

所述分析计算模块50进一步包括：

识别确认子模块501，用于根据所述特定超声监测数据进行目标超声信号特征识别及撞击发生时刻点确认；

位置计算子模块502，用于根据目标超声信号特征、撞击发生时刻点及超声传感器的分布位置通过时差定位法计算得到在轨航天器的撞击位置；

强度估计子模块503，用于根据所述特定超声监测数据的能量分析估计在轨航天器的撞击强度。

相比于现有技术，本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法及系统具有如下有益效果：

1、采用无源超声传感器作为超声信号获取敏感器件，不主动发射超声信号进行结构损伤监测，可实现空间碎片撞击结构产生的声发射监测与定位；

2、可针对卫星、载人/载物航天器、空间飞行器、太空/外星移民舱等不同在轨航天器的刚性结构体需求，进行相应的信号识别方式调整、增益调整和系统拓展，提供结构健康监测、损伤评估、在轨维护等数据支撑，具有广阔的推广前景和应用价值。

综上，本发明在轨航天器遭受空间碎片撞击监测方法及系统采用无源超声传感器作为超声信号获取敏感器件，可针对不同在轨航天器的刚性结构体需求进行相应的信号识别方式调整、增益调整和系统拓展，实现了通过被动超声监测形式实现空间碎片撞击结构产生的声发射监测与定位。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。