CN103698666A - 一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，具体设计一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置。包括脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器、正峰值检波电路、负峰值检波电路、A/D转换器、脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路、微控制器和存储器；该测量装置为空间环境下在轨获取静电放电脉冲的特征参数提供了一种监测方法，能够实现空间静电放电脉冲的实时检测，可全面表征卫星在轨危害程度，对卫星长寿命、高可靠运行具有明显的社会效益。

Description

一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置

技术领域

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，具体设计一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置。

背景技术

处在空间等离子体环境中的航天器，表面材料、器件与等离子体相互作用将不断积累电荷，可使其表面产生数千伏特甚至近万伏特的负电位，当航天器表面的电位超过介质的击穿电场时，会产生静电放电，静电放电产生的强电流脉冲和高压电场脉冲，容易被航天器母线或电子元器件耦合，造成航天器电源烧毁、电路逻辑输出错误等瞬态干扰，严重的会引起器件开路、短路、晶体管增益下降、CMOS集成电路金属引线烧毁和栅氧化层击穿等现象，使得航天器敏感器件及组件出现损坏或者误操作，甚至导致航天器飞行任务失败。

随着航天技术的不断发展，不同轨道在轨航天器数目不断增多，同时航天器轨道也在不断扩展，这就需要进一步实时掌握航天器所在轨道的空间环境以及在这些轨道空间环境的辐射危害程度，以便能更全面地完成航天器在轨管理和故障处理。因此，准确获知静电放电脉冲的全面信息，是进行航天器在轨故障处理的必要输入条件，也是航天器防护设计的急需所在。

目前，脉冲信号的地面检测装置都是标准仪器，如示波器，且检测方法非常成熟，能够获取脉冲信号的全面参数，如脉冲计数、脉宽、幅值等。但是，由于空间环境、航天器内部空间、电荷泄放等因素的限制，地面检测装置及方法不能应用于空间在轨监测。另外，现用于空间的静电放电脉冲检测装置，只对放电脉冲的个数进行统计，而对于放电脉冲的脉宽、幅值等信息都无从获知。为此，设计了一种适用于空间的静电放电脉冲在轨监测装置，该装置不仅能进行放电脉冲计数，而且也能获取放电脉冲的脉宽、幅值信息，可详尽、全面的获知静电放电脉冲的特性信息。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，针对在轨航天器的静电放电防护需求，实现航天器充放电脉冲在轨监测，表征航天器的在轨危害程度，设计了一种适用于空间的静电放电脉冲在轨监测装置，不仅能够实现脉冲幅值、脉宽的全面表征，而且能有效的减小电荷泄放，实现静电放电脉冲的高精度测量，同时，可为航天器带电防护设计提供更可靠、更全面的数据支撑，也能为空间静电放电脉冲的全面表征和地面试验评价提供一种行之有效的方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置，包括脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器、正峰值检波电路、负峰值检波电路、A/D转换器、脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路、微控制器和存储器；

其连接关系在于：所述脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器串联连接，所述高输入阻抗电压跟随器分别与正峰值检波电路、负峰值检波电路、脉宽阈值比较电路相连，所述正峰值检波电路和负峰值检波电路分别通过A/D转换器与所述微控制器相连，所述微控制器还与所述存储器和脉宽阈值比较电路相连，所述脉宽阈值比较电路还与所述脉宽输出电路、电荷泄放电路串联；

所述脉冲传感器获取静电放电脉冲信号，并将获取的静电放电脉冲信号传送至所述脉冲采样电路；

所述脉冲采样电路用于接收上述静电放电脉冲信号并对其直流部分进行滤除，然后将滤除直流部分的静电放电脉冲信号传送至所述高输入阻抗电压跟随器；

所述高输入阻抗电压跟随器用于接收所述滤除直流部分的静电放电脉冲信号，对该信号进行阻抗变换，并将所述阻抗变换后的脉冲信号分别传送至所述正峰值检波电路、负峰值检波电路、脉宽阈值比较电路；

所述正峰值检波电路和负峰值检波电路对阻抗变换后的脉冲信号进行检波，得到该脉冲信号的正负峰值，然后经过所述A/D转换器转换为数字信号并发送至所述微控制器；

所述微控制器根据得到的脉冲信号正负峰值的大小确定脉宽阈值，所述脉宽阈值比较电路将测出超过脉宽阈值的脉宽，再由频率为50MHz的标准源对脉宽进行度量计数，得到脉宽的具体数值；

所述微控制器完成脉冲信号的正负峰值峰值检测和脉宽的具体数值后，所述微控制器将得到数据存储；并通过脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路进行泄放。

还包括电荷复位装置，所述电荷复位装置与所述电荷泄放电路相连，用于对脉宽输出复位。

还包括信号隔离器和第二高输入阻抗电压跟随器，所述第二高输入阻抗电压跟随器和信号隔离器串联后连接在所述脉冲采样电路和高输入阻抗电压跟随器之间，将信号隔离器的前后端信号进行隔离，第二高输入阻抗电压跟随器将脉冲信号等幅等频的输出。

本发明的优点和有益效果在于：

一、为空间环境下在轨获取静电放电脉冲的特征参数提供了一种监测方法，能够实现空间静电放电脉冲的实时检测，可全面表征卫星在轨危害程度，对卫星长寿命、高可靠运行具有明显的社会效益。

二、由于还包括电荷复位装置，所述电荷复位装置与所述电荷泄放电路相连，用于对脉宽输出复位。采集到单次脉冲后，可以避免本次采集的脉冲对下次采集脉冲造成干扰，可在本次脉冲采集结束后，及时地将峰值检波电路的充电电荷进行泄放，为下次采集脉冲做好准备。

三、由于还包括信号隔离器和第二高输入阻抗电压跟随器，所述第二高输入阻抗电压跟随器和信号隔离器串联后连接在所述脉冲采样电路和高输入阻抗电压跟随器之间，将信号隔离器的前后端信号进行隔离，第二高输入阻抗电压跟随器将脉冲信号等幅等频的输出。可以减小前端电路的电荷泄放对测量精度的影响，通过隔离，可有效减小后端电子电路对前端模拟信号的泄放，提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明具体实施的技术方案是：一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置，包括脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器、正峰值检波电路、负峰值检波电路、A/D转换器、脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路、微控制器和存储器；

其连接关系在于：所述脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器串联连接，所述高输入阻抗电压跟随器分别与正峰值检波电路、负峰值检波电路、脉宽阈值比较电路相连，所述正峰值检波电路和负峰值检波电路分别通过A/D转换器与所述微控制器相连，所述微控制器还与所述存储器和脉宽阈值比较电路相连，所述脉宽阈值比较电路还与所述脉宽输出电路、电荷泄放电路串联；

所述脉冲传感器获取静电放电脉冲信号，并将获取的静电放电脉冲信号传送至所述脉冲采样电路；

所述脉冲采样电路用于接收上述静电放电脉冲信号并对其直流部分进行滤除，然后将滤除直流部分的静电放电脉冲信号传送至所述高输入阻抗电压跟随器；

所述高输入阻抗电压跟随器用于接收所述滤除直流部分的静电放电脉冲信号，对该信号进行阻抗变换，并将所述阻抗变换后的脉冲信号分别传送至所述正峰值检波电路、负峰值检波电路、脉宽阈值比较电路；

所述正峰值检波电路和负峰值检波电路对阻抗变换后的脉冲信号进行检波，得到该脉冲信号的正负峰值，然后经过所述A/D转换器转换为数字信号并发送至所述微控制器；

所述微控制器接收由所述A/D转换器转换的数字信号，并将其发送至存储器存储；

所述微控制器为所述A/D转换器提供控制指令，接收由所述A/D转换器转换的数字信号，并将其发送至存储器存储；

所述微控制器根据得到的脉冲信号正负峰值的大小确定脉宽阈值，所述脉宽阈值比较电路将测出超过脉宽阈值的脉宽，再由频率为50MHz的标准源对脉宽进行度量计数，得到脉宽的具体数值；

所述微控制器完成脉冲信号的正负峰值峰值检测和脉宽的具体数值后，所述微控制器将得到数据存储；并通过脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路进行泄放。

还包括电荷复位装置，所述电荷复位装置与所述电荷泄放电路相连，用于对脉宽输出复位。

还包括信号隔离器和第二高输入阻抗电压跟随器，所述第二高输入阻抗电压跟随器和信号隔离器串联后连接在所述脉冲采样电路和高输入阻抗电压跟随器之间，将信号隔离器的前后端信号进行隔离，第二高输入阻抗电压跟随器将脉冲信号等幅等频的输出。

如图2所示，空间静电放电脉冲检测中，首先装置上电，初始化装置设置参数，装置进入放电脉冲检测状态，等待信号的输入，其具体实施过程如下：

①装置参数初始化。

②装置在微控制器的封锁解除指令下，解除输入等待封锁，等待脉冲信号的输入；脉冲采样电路在微控制器的采集数据指令下开始采集脉冲信号。

③当微控制器检测到有脉冲信号输入时，在封锁指令的控制下封锁信号输入；脉冲采样电路对脉冲电压值进行分压，再由高输入阻抗的电压跟随器进行阻抗变换，以减小信号衰减，得到便于后续电路处理的低阻抗脉冲信号。经阻抗变换后的脉冲信号，同时送到峰值检波电路和脉宽检测及输出电路。

④在正/负脉冲峰值检波电路中，首先利用电阻、电容构成的RC阻容电路进行峰值检测，然后在微控制器的控制下，由A/D转换器对峰值信息进行模数转换，从而得到脉冲峰值，再由存储器进行存储。

⑤在脉宽阈值比较电路和脉宽输出电路中，首先微控制器依据检测出的峰值信息确定脉宽阈值，然后检测出超过阈值的脉宽，再由频率为50MHz的标准源对脉宽进行度量计数，得到脉宽的具体数值大小。

⑥完成上述的峰值检测和脉宽检测后，由微控制器完成本次数据的输出和存储，并利用电荷泄放电路将本次采集的电荷进行泄放，为下次采集做准备。至此，完成了一次脉冲采集。

⑦完成上述步骤后，装置继续进入脉冲输入等待状态，待检测到脉冲输入时，重复步骤③、④、⑤、⑥，直到完成测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置，包括脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器、正峰值检波电路、负峰值检波电路、A/D转换器、脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路、微控制器和存储器；

其特征在于：所述脉冲传感器、脉冲采样电路、高输入阻抗电压跟随器串联连接，所述高输入阻抗电压跟随器分别与正峰值检波电路、负峰值检波电路、脉宽阈值比较电路相连，所述正峰值检波电路和负峰值检波电路分别通过A/D转换器与所述微控制器相连，所述微控制器还与所述存储器和脉宽阈值比较电路相连，所述脉宽阈值比较电路还与所述脉宽输出电路、电荷泄放电路串联；

所述脉冲传感器获取静电放电脉冲信号，并将获取的静电放电脉冲信号传送至所述脉冲采样电路；

所述脉冲采样电路用于接收上述静电放电脉冲信号并对其直流部分进行滤除，然后将滤除直流部分的静电放电脉冲信号传送至所述高输入阻抗电压跟随器；

所述高输入阻抗电压跟随器用于接收所述滤除直流部分的静电放电脉冲信号，对该信号进行阻抗变换，并将所述阻抗变换后的脉冲信号分别传送至所述正峰值检波电路、负峰值检波电路、脉宽阈值比较电路；

所述正峰值检波电路和负峰值检波电路对阻抗变换后的脉冲信号进行检波，得到该脉冲信号的正负峰值，然后经过所述A/D转换器转换为数字信号并发送至所述微控制器；

所述微控制器接收由所述A/D转换器转换的数字信号，并将其发送至存储器存储；

所述微控制器根据得到的脉冲信号正负峰值的大小确定脉宽阈值，所述脉宽阈值比较电路将测出超过脉宽阈值的脉宽，再由频率为50MHz的标准源对脉宽进行度量计数，得到脉宽的具体数值；

所述微控制器完成脉冲信号的正负峰值峰值检测和脉宽的具体数值后，所述微控制器将得到数据存储；并通过脉宽阈值比较电路、脉宽输出电路、电荷泄放电路进行泄放。

2.根据权利要求1所述的一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置，其特征在于：还包括电荷复位装置，所述电荷复位装置与所述电荷泄放电路相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种航天器静电放电脉冲在轨监测装置，其特征在于：还包括信号隔离器和第二高输入阻抗电压跟随器，所述第二高输入阻抗电压跟随器和信号隔离器串联后连接在所述脉冲采样电路和高输入阻抗电压跟随器之间。

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