一种基于声发射阵列的航天器在轨碰撞与泄漏定位方法

2018-08-23孙立臣李明利于兆吉

载人航天 2018年4期

綦磊，樊帆，孙立臣，李明利，于兆吉

(1.北京卫星环境工程研究所,北京100094；2.中国空间技术研究院,北京100094；3.天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室,天津300072)

1 引言

随着在轨航天器数量的增加,空间碎片的数量也与日俱增,一旦与航天器发生碰撞,必将造成航天器损伤,甚至造成航天器舱体泄漏,严重威胁航天器的正常运行和航天员的生命安全［1-2］。因此,尽早判断碰撞及泄漏是否发生,并对碰撞及泄漏源进行定位具有重要意义［3］。

近年来,国内外许多学者对航天器在轨碰撞及泄漏定位展开研究,并取得了一系列成果。庞宝君等［4-5］研究了空间碎片碰撞产生的声发射信号的模态特征,并利用模态声达时差法实现碎片碰撞的定位以及碰撞损伤等级的识别,但该方法无法解决泄漏定位问题。刘武钢等［6-7］研究了多孔铝板高速撞击声发射定位方法,并分析了高速撞击声发射信号在铝板中的衰减规律,实现了碰撞的有效定位。孙伟等［8］研制了一种基于可视化超声的便携式在轨检漏仪,可以对泄漏源进行定位,但该仪器需要航天员操作,无法实现实时监测。Holland等［9-10］提出了一种基于相关法的泄漏定位方法,该方法可以有效降低定位算法对硬件的要求,但检测时间较长,无法对碰撞这种突发信号源进行定位。针对上述问题,本文提出一种基于两级阵列传感器的碰撞及泄漏定位方法,以实现对碰撞及泄漏的实时监测,并具有较高的定位精度。

2 碰撞及泄漏定位原理

本方法应用两级传感器阵列,一级传感器阵列是由多个阵元组成,将一级传感器阵列按照一定的拓扑结构粘贴于航天器舱壁上组成二级传感器阵列,如图1所示。每一个一级传感器阵列只有1号阵元一直处于工作状态,其余阵元处于待机状态,只有1号阵元采集到过阈值的信号才工作,这样可以有效降低检测系统的功耗。

碰撞产生的声发射信号为突发型信号,如图2所示,每一个碰撞信号都包含纵波和横波,纵波波速较快,幅值较小,横波波速较慢,幅值较大,经过一定传播距离后,纵波和横波分离开来。因此,合理设置信号门限值,可以得到纵波或者横波的到达时刻,从而根据相应的波速利用声达时差法(TDOA)对碰撞点进行定位。

TDOA定位原理如图3所示［11］：假设三个一级传感器阵列的1号阵元分别位于A(xA,yA)、B(xB,yB)和C(xC,yC)三个位置,同步接收碰撞点T(xT,yT)发出的声发射信号,接收时刻分别记为tAT、tBT、tCT,计算出时间差 tAB＝｜tAT⁃tBT｜和 tAC＝｜tAT⁃tCT｜,由时间差乘以声波的传播速度v,就可以得到距离差dAB和dAC如式(1)～(2)。由于已知tAT、tBT、tCT三者的大小关系,因此式(1)和(2)各代表双曲线的一支MN和RS,联立式(1)和(2),可以求解碰撞点的坐标(xT,yT)。

泄漏信号属于连续声信号,无法通过设置信号门限值来直接获得到达时间,传统TDOA不能对此种信号进行定位［12］。但连续信号声源指向性特征明显,可以基于一级传感器阵列应用波束形成的方法对泄漏源进行定向,并利用二级传感器阵列进行泄漏定位,其原理如图4所示。

波束形成器的原理是对传感器阵列中各阵元采集的信号进行时域平移再求和,得到增强信号输出。同一泄漏源产生的泄漏信号具有一致性,而噪声信号具有随机性,因此波束形成器可通过信号叠加技术来提高信噪比［10］,流程如图5所示。

假设一级传感器阵列由n个阵元组成,1号阵元为参考阵元,其接收到的泄漏声信号为ψ(t),那么阵列中其他阵元i接收到的信号如式(3)：

式中,α(R)是与距离R有关的衰减因子；ΣΨm代表噪声及反射回波；Δti代表第i阵元相对于参考阵元的时间时延。将各阵元信号进行合成并求声功率可以得到式(4)：

式中,时延Δti取决于传感器阵列的空间分布、声波入射到阵列的角度θ及声波传播速度v。对于特定的传感器阵列及航天器舱体结构,传感器阵列各阵元位置参数及波速v均为固定值,因此,声功率仅为角度 θ的函数［13］。 θ从0°到360°扫描,可以获得角度与声功率关系曲线,如图6所示。声功率最大处对应的角度即为泄漏声波向传感器阵列入射的角度。

利用两个一级传感器阵列,分别计算出泄漏声源入射一级阵列传感器的角度θ1和θ2,结合图4中的几何关系,泄漏点坐标(x,y)满足式(5),求解可得到泄漏点坐标。

3 试验与数据分析

利用激光碎片发生器产生5 km/s的微小碎片,碰撞到100 cm×100 cm金属铝平板上模拟空间碎片碰撞航天器的情况,如图7所示。利用三个一级阵列传感器中的组成二级传感器阵列进行定位,以金属铝板中心为坐标原点,建立坐标系,三个一级阵列传感器所在坐标分别为(－40 cm,－40 cm),(40 cm,－40 cm),(0 cm,40 cm),取门限电平为20 mV(本底噪声为5 mV),定位结果如表1所示。

表1 碰撞定位结果Table 1 Results of impact locating

从上表可以看出,在1 m3检测范围内,碰撞定位的相对误差小于2%。

在100 cm×100 cm金属铝平板上事先制作若干直径1 mm、1.5 mm、2.0 mm的漏孔,真空泵连接波纹管对漏孔抽气模拟航天器在轨泄漏的情况,如图8所示。利用二个一级阵列传感器中的组成二级传感器阵列进行定位,以金属铝板中心为坐标原点,建立坐标系,二个一级阵列传感器所在坐标分别为(－40 cm,－40 cm),(40 cm,－40 cm),定位结果如表2所示。