一种固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统与方法与流程

本发明涉及一种固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统与方法。

背景技术：

固体火箭发动机由于结构简单、体积小、机动性好、可靠性高、维护使用方便等优点，是当今战略导弹、战术导弹武器系统等的主要动力装置。作为发动机的主要产能体系，固体推进剂在燃烧室内的燃烧过程(燃面退移过程)直接影响发动机性能，获取固体推进剂燃面退移过程对优化发动机性能、完善发动机设计方法具有重要参考意义，对深入理解燃烧过程及预估发动机内弹道性能具有里程碑意义。

目前固体火箭推进剂燃速的直接测试方法主要分为药条静态测试和发动机动态测试两种。药条静态燃速测试主要用于推进剂配方研制过程中特定压强环境下的燃速测试，主要有靶线法、声发射法、超声波法、光学法等，具有测量可靠、成本较低等优势；发动机动态燃速测试主要用于发动机设计的性能验证，主要有X射线荧屏分析法、超声波法等，可以测量发动机工作状态下燃速动态变化情况。但这些方法都无法实现三维燃面退移测试。

技术实现要素：

为解决上述问题，提供一种能够实现固体火箭发动机试验的三维燃面退移测试的测试系统，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统，用于对固体火箭发动机进行三维燃面退移测试，其特征在于，包括：三面阵太赫兹探测阵列，具有三个太赫兹面阵探测单元，用于向固体火箭发送机发射太赫兹信号并接收该太赫兹信号在固体火箭发动机处衰减后形成的探测信号，太赫兹面阵探测单元分别由位于固体火箭发动机两侧的发射面阵和接收面阵构成；信号处理单元，分别与接收面阵通信连接，用于将探测信号转换成对应的数字信号；同步控制单元，分别与发射面阵及接收面阵通信连接，用于对发射面阵的发射和接收面阵的接收进行同步控制；测控单元，分别与信号处理单元及同步控制单元通信连接，用于获取数字信号并对信号处理单元和同步控制单元的工作进行控制；以及计算机，与测控单元通信连接，用于对数字信号进行分析处理及显示，并对测控单元的工作进行控制，其中，每个发射面阵包含N×N个发射天线，每个接收面阵包含N×N个接收天线，发射天线及接收天线分别分布在多个与固体火箭发动机的轴向相垂直的平面上，从而形成多个探测平面。

本发明提供的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统，还可以具有这样的技术特征，其中，发射面阵中的发射天线呈阵列分布，接收面阵中的接收天线呈阵列分布，同一个太赫兹面阵探测单元中，发射天线与接收天线一一对应设置。

本发明提供的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统，还可以具有这样的技术特征，其中，各个太赫兹面阵探测单元中的发射面阵及接收面阵的中心均位于与固体火箭发动机的轴向相垂直的平面上。

本发明提供的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统，还可以具有这样的技术特征，其中，各个太赫兹面阵探测单元的发射面阵及接收面阵的中心连线之间的夹角为120°。

本发明还提供了一种利用上述任一项的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统对固体火箭发动机三维燃面退移进行测试的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将发射面阵及接收面阵分别设置在固体火箭发动机的两侧，并将计算机与固体火箭发动机的控制系统通信连接；

步骤S2，计算机在接收到固体火箭发动机点火的信号时向测控单元发动一个启动信号；

步骤S3，测控单元控制同步控制单元，让发射面阵发射太赫兹信号并让接收面阵同步地对监测信号进行接收，同时测控单元控制信号处理单元对探测信号进行数字信号转换；

步骤S4，计算机获取数字信号，依次对位于同一个探测平面上的接收天线所对应数字信号进行分析得到该探测平面的断层图像，进一步获得同一时间下的全部探测平面的断层图像；

步骤S5，计算机对断层图像进行拼合得到三维燃面成像，并对该三维燃面成像进行实时显示。

本发明提供的对固体火箭发动机三维燃面退移进行测试的方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S4中，断层图像通过层析成像算法分析获得。

本发明提供的对固体火箭发动机三维燃面退移进行测试的方法，还可以具有这样的技术特征，其其中，步骤S4中，断层图像通过奇异值分解算法分析获得。

发明作用与效果

根据本发明提供的固体火箭发动机试验的三维燃面退移测试的测试系统及方法，由于太赫兹信号的发射天线和接收天线，并且这些发射天线和接收天线分别形成了多个探测平面，因此能够将太赫兹探测技术与层析成像原理有机结合，利用太赫兹信号穿透发动机药柱时的信号衰减，采用层析成像技术重建该时刻药柱燃面信息，并通过高频率测试不同时刻燃面的位置，来获得燃面变化规律。本发明的系统和对应的方法具有非接触式、快速成像的优势，并能在低能见度和复杂温度场条件下工作，且对外部光照和温度不敏感，能有效获得燃面退移的三维图像。

附图说明

图1为本发明的实施例所提供的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统的示意图；

图2为本发明的固体火箭发动机的一个探测平面上的太赫兹探测的层析成像原理示意图；

图3为本发明的面阵太赫兹探测三维成像原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

图1为本发明的实施例所提供的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统的示意图。

如图1所示，本发明的固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统100包括三面阵太赫兹探测阵列、信号处理单元4、同步控制单元5、测控单元6与计算机7。

其中，三面阵太赫兹探测阵列具有三个太赫兹面阵探测单元(以下简称探测单元)，即探测单元1、探测单元2以及探测单元3。每个探测单元分别由位于固体火箭发动机0两侧的发射面阵和接收面阵构成，即，探测单元1由发射面阵10及探测面阵11构成，探测单元2由发射面阵20及探测面阵21构成，探测单元3由发射面阵30及探测面阵31构成。每个发射面阵均包含N×N个发射天线，每个接收面阵均包含N×N个接收天线。

本实施例中，同一个发射面阵中的N×N个发射天线呈阵列分布，同样地，同一个接收面阵中的N×N个接收天线也呈阵列分布。同时，同一个探测单元中，发射面阵的N×N个发射天线与接收面阵的N×N个接收天线一一对应地设置，即，发射天线阵列与接收天线阵列在分布上也是对应的。另外，本实施例中，其中，各个太赫兹面阵探测单元中的发射面阵及接收面阵的中心均位于与固体火箭发动机0的轴向相垂直的平面上。

图2为本发明的固体火箭发动机的一个探测平面上的太赫兹探测的层析成像原理示意图。

如图2所示，由于发射天线与接收天线均是一一对应的，发射面阵中位于同一行上的发射天线及对应的接收天线均位于同一平面上，即，N对发射天线和接收天线是位于同一平面的，该平面即为探测平面。各个发射面阵及接收面阵分别包含N行发射天线和N行接收天线，因此形成的探测平面也有N个。

本实施例中，太赫兹面阵探测单元呈120°夹角布置在固体火箭发动机0的外周。即，三个太赫兹面阵探测单元的发射面阵及接收面阵的中心连线分别有三根，而该三根中心连线之间的夹角为120°，使得三个太赫兹面阵探测单元是均匀地布置在固体火箭发动机0的外周的。

图3为本发明的面阵太赫兹探测三维成像原理示意图。

如图3所示，由于各个太赫兹面阵探测单元中的发射面阵及接收面阵的中心均位于与固体火箭发动机0的轴向相垂直的平面上，使得其所形成的各个探测平面也与固体火箭发动机0的轴向相垂直。也就是说，使得各个探测平面沿着固体火箭发动机0的轴向分布。

由此，三面阵太赫兹探测阵列能够在固体火箭发动机0的周围形成多个探测平面，并且每个探测平面上均形成多个探测网格，从而能够根据探测平面上每个探测像素获得的太赫兹衰减信号，层析重构探测平面上的燃面信息，进一步能够根据径向分布重构三维燃面信息，最终实现固体火箭发动机工作状态下三维燃面退移测试。

信号处理单元4分别通过线缆与各个接收面阵通信连接，用于将接收天线所得的探测信号转换成对应的数字信号。

同步控制单元5分别通过线缆与发射面阵及接收面阵通信连接，用于对各个发射面阵的发射和接收面阵的接收进行同步控制。

测控单元6分别通过线缆与信号处理单元4及同步控制单元5通信连接，用于获取数字信号并对信号处理单元和同步控制单元的工作进行控制。

计算机7与测控单元6通过线缆通信连接，用于对数字信号进行分析处理及显示，并对测控单元的工作进行控制。该计算机7具有用于传输数据的通信部、用于进行信号处理的分析部以及用于显示的输入显示部。

本实施例还提供了利用固体火箭发动机试验三维燃面退移测试系统100对固体火箭发动机0进行三维燃面退移测试的方法，包括如下步骤：

步骤S1，将发射面阵及接收面阵分别设置在固体火箭发动机0的两侧，并将计算机7与固体火箭发动机0的控制系统通信连接。即，将各个探测单元按照图1及图2所示的方式布置在固体火箭发动机0的两侧，同时将计算机7通过有线线缆或无线的方式与固体火箭发动机0的控制系统通信连接，使得计算机7可以获得固体火箭发动机0的点火信号。

三面阵太赫兹探测阵列、信号处理单元4、同步控制单元5、测控单元6与计算机7。

步骤S2，计算机7在接收到固体火箭发动机0点火的信号时，向测控单元6发动一个启动信号。

步骤S3，测控单元6控制同步控制单元5，让发射面阵中的各个发射天线发射太赫兹信号，并让接收面阵中对应的各个接收天线同步地对探测信号进行接收，同时测控单元控制信号处理单元对探测信号进行数字信号转换；

步骤S4，计算机获取数字信号，依次对位于同一个探测平面上的接收天线所对应数字信号进行分析得到该探测平面的断层图像，进一步获得同一时间下的全部探测平面的断层图像；

步骤S5，计算机对断层图像进行拼合得到三维燃面成像，并对该三维燃面成像进行实时显示。

其中，步骤S4中，断层图像通过层析成像算法或奇异值分解算法分析获得，具体算法如下。

假设每一个单元网格内参数分布均匀，即单元格内部特性系数不改变。这样对阵列中任意一对发射/接收天线射频波在传播距离总衰减等于传播路径覆盖每一网格衰减量叠加。根据正演模型(考虑散射影响)，可以写出波在非均匀介质中解的一般形式：

其中，φ为扰动解，和分别为发射器和接收器的位置。该方程为复变量方程，可根据δ的实部和虚部得到介质分布的两个重建方程。

利用信号的强度衰减信息，将积分方程离散化转换，就可以构造出一个未知数为像素点处参数的线性方程组：

S3N×M·GM×1＝C3N×1 (2)

其中，S为与实验结构和对象有关的敏感系数矩阵(可通过正演模型设计)，G为成像区域像素点的参数(待求解向量)，C为衰减信号矩阵，下标3N是射频信号个数(如下图所示，共三个投影方向，每方向探测线数为N)，M是测量区划分的像素单元网格数。按照项目实验方案结构，如果不进行人为网格加密，则每一层成像区域内网格数为M：

M＝{3(N-1)²/2,N奇数；3N²/2,N偶数} (3)

通过求解上述线性方程组即可实现层析成像图像的重建。

考虑前述建立的线性方程组，求解前需要进行适定分析。适定问题是指同时满足解存在、唯一，且求解过程稳定的定解问题，若不满足其中的任何一个要求，则为不适定问题。反问题的解不唯一，且求解过程不稳定，层析成像反问题往往为不适定问题。因此，考虑到测量误差的线性方程组为：

S·G＝C+e (4)

其中，e是误差向量。求解上式常用方法是将极小化，可得：

然而，鉴于方程的不适定特性，S^TS的逆可能不存在。为此，可使用奇异值分解直接求解上式：

S＝U∑V^T (6)

其中：

∑＝diag[δ1,δ2,...,δp-1,δp] (7)

这里∑是3N×M对角阵，其对角元素δ1，δ2，……，δp-1，δp是S的p(＝3N)个奇异值，可得：

S＝V∑^-1U^TC (8)

其中，V∑^-1U^T称S的伪逆。

通过奇异值分解的算法能够获得稳定且可靠的解，同时具有收敛速度快的优点，其本质是再图像重建的同时提供了滤波效应，因此能够有效抑制测量中带来了噪声影响。此外，在实际问题时，亦可以通过截断奇异值分解实现降低矩阵维数，减小运算量、增大求解速度。

本实施例中，由于采用了平面阵列探测器，确保在单层N线同步扫描的同时，沿着固体火箭发动机0的轴向同步地获得N层信息(即N个探测平面的信息)。对于每层信号数据同时提取并反演(过程并行)，即可获得沿着轴向投影同步断层图像，通过将这些同步断层图像组合，即可构建出同一时间点的真实三维层析图像。

实施例作用与效果

根据本实施例提供的固体火箭发动机试验的三维燃面退移测试的测试系统及方法，由于太赫兹信号的发射天线和接收天线，并且这些发射天线和接收天线分别形成了多个探测平面，因此能够将太赫兹探测技术与层析成像原理有机结合，利用太赫兹信号穿透发动机药柱时的信号衰减，采用层析成像技术重建该时刻药柱燃面信息，并通过高频率测试不同时刻燃面的位置，来获得燃面变化规律。本发明的系统和对应的方法具有非接触式、快速成像的优势，并能在低能见度和复杂温度场条件下工作，且对外部光照和温度不敏感，能有效获得燃面退移的三维图像。

另外，本实施例中，发射面阵和接收面阵采用了特定的布置形式，即：发射面阵和接收面阵为相互对应的阵列形式，各个发射面阵和接收面阵的中心均位于与固体火箭发动机轴向相垂直的平面上，并且各个太赫兹面阵探测单元的发射面阵及接收面阵的中心连线之间的夹角为120°，使得本实施例的各个发射天线和接收天线的排布能够沿着固体火箭发动机的轴向形成多个均匀排布的探测平面，从而使得信号的分布均匀、密集，让信号的分析反演过程更容易进行。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

例如，本发明的其他实施例中，发射面阵和接收面阵也可以不采用上述特定的布置形式。在布置时，只要各个发射天线和接收天线能够分别分布在多个与固体火箭发动机的轴向相垂直的平面上，从而形成多个探测平面也是可以的。与实施例相比，这样的形式也能够实现探测过程，但其信号的分析反演相对复杂，且得到的燃面退移的三维图像可能不够理想。