CN104280105B - 一种星体表面尘埃累积质量监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星体表面尘埃累积质量监测方法。使用本发明能够简单、有效地测量出星体表面的尘埃累积量。本发明首先设计了一个尘埃监测仪，包括光源、光敏感器、盖板和用于改变光路的镜面，利用遮光效应，通过测量光敏感器的信号获得镜面上沉积的尘埃量，尘埃监测仪结构简单、功耗低、体积小、受温度等环境因素影响小，并且自带光源，能够不受太阳光线的影响，在夜晚也能继续对尘埃质量进行监测。相对于传统方法的光学探测(激光粒子计数器)、碰撞探测器、石英晶体质量沉积探测等，本方法更为简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及深空环境探测技术领域，具体涉及一种星体表面尘埃累积质量监测方法。
背景技术
太阳系内火星、月球、木星等表面有大量尘埃，对探测器的安全造成了巨大的威胁，为了研究尘埃的累积质量，需要一种简易的方法对其进行监测。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种星体表面尘埃累积质量监测方法，能够简单、有效地测量出星体表面的尘埃累积量。
本发明的星体表面尘埃累积质量监测方法，包括如下步骤：
步骤1，设计尘埃监测仪；
尘埃监测仪包括光源、光敏感器、盖板和用于改变光路的镜面，尘埃监测仪探头设有向上开口的空腔，防尘盖设置在空腔上方，镜面设置在腔底，光源位于空腔侧面，光敏感器位于光路的反射和/或折射光路上；
步骤2，在地面上采用尘埃监测仪进行尘埃质量-光敏感信号曲线标定；
步骤2.1，将步骤1的尘埃监测仪放置在真空环境中，并位于扬尘装置的下方；
步骤2.2，打开盖板，并启动扬尘装置模拟星体表面尘埃沉降，在镜面上均匀沉积尘埃，然后关闭盖板，开启光源、光敏感器，测量当前光敏感器信号相比于无尘情况下的信号变化，测量镜面上沉积的尘埃质量；
步骤2.3，重复步骤2.2，得到镜面上沉积尘埃质量与光敏感器信号变化量之间的关系，并进行曲线拟合，获得标定曲线；
步骤3，进行星体测量；
步骤3.1，探测器携带尘埃监测仪着陆星体表面，展开尘埃监测仪，调节其镜面至水平位置；
步骤3.2，尘埃监测仪开机，进行自检和测量光敏感器信号的初值；
步骤3.3，打开盖板，在自然环境下沉积尘埃；一定时间后，闭合盖板，测量光敏感器信号相对于所述初值的变化量，代入步骤2获得的标定曲线中得到尘埃累积质量；
步骤3.4，重复步骤3.3直至任务结束。
其中，所述光源为半导体激光器或发光二极管。
所述光敏感器为光电二极管、光电三极管、光敏电阻、CCD、CMOS或光电池。
所述镜面为高反射镜，反射率大于80％；光敏感器位于光源光线的反射光路上。
所述镜面为高透射镜，透射率大于80％，光敏感器位于光源光线的透射光路上。
所述镜面为透射率与反射率相当的折反镜，透射率与反射率之比在0.6～1.5之间，具有两个光敏感器，一个位于电源光线的反射路线上，另一个位于电源光线的透射路线上，分别测量反射光路光敏感器信号变化和透射光路光敏感器信号变化，然后将相同尘埃质量下的反射光路和透射光路的光敏感器信号取平均值，绘制尘埃质量-光敏感器信号平均值关系曲线，该关系曲线即为标定曲线。
当镜面为高反射镜时，所述光源入射角为30～70°。
当镜面为高透射镜或折反镜时，所述光源入射角小于45°。
进一步地，在空腔侧面内壁内设有光路传输通道，所述光源和光敏感器位于光路传输通道内，光源处的光路传输通道用于光的准直，光敏感器处的光路传输通道用于光的准直和吸收杂散反射光。
进一步地，步骤3.1中，设置镜面与水平面的误差小于±10°。
有益效果：
(1)本发明的尘埃监测仪结构简单、功耗低、体积小、受温度等环境因素影响小。
(2)本发明的尘埃监测仪设有光源，能够不受太阳光线的影响，并且在夜晚也能继续对尘埃质量进行监测。
(3)当镜面为高反射镜时，光源的入射角度在30～70°之间时，本发明设备安装较为方便，且光敏感器信号强度较大，便于测量；当镜面为高透射镜或透射率与反射率相当的折反镜时，光源的入射角度小于45°时，光敏感器较为敏感，信号大，变化幅度大，便于测量。
(4)在尘埃监测仪的空腔侧面内壁内设置光线传输通道，光源和光敏感器位于光线传输通道内，有利于光的准直，同时，光敏感器处的光线传输通道还能吸收其他方向的杂散反射光，使测量结果更为准确。
(5)相对于传统方法的光学探测(激光粒子计数器)、碰撞探测器、石英晶体质量沉积探测等，本方法更为简单易行。
附图说明
图1为星体表面尘埃累积质量监测装置探头示意图。
图2为地面标定测量曲线。
其中，1-光源，2-光敏感器，3-盖板，4-镜面
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种星体表面尘埃累积质量监测方法，利用不同尘埃沉积量对光线的散射和遮挡作用的不同，导致光敏感器接收光强度发生变化，从而可以反映尘埃累计质量变化。
本发明采用如图1所示的尘埃监测仪进行实现，尘埃监测仪包括：光源1、光敏感器2、盖板3和用于改变光路的镜面4，尘埃监测仪探头设有向上开口的空腔，防尘盖设置在空腔上方，镜面设置在腔底，光源位于空腔侧面，光敏感器位于光路的反射和/或折射光路上，然后利用尘埃对光线的散射和遮挡效应，测量尘埃累积质量。其中，光源为半导体激光器(LD)或发光二极管(LED)；光敏感器可以是光电二极管、光电三极管、光敏电阻、CCD、CMOS或光电池等光敏器件。还可以将光源和光敏感器设置在空腔侧面内部，与空腔内表面之间的光路上设有光路传输通道，光源处的光路传输通道用于光的准直，光敏感器处的光路传输通道用于光的准直和吸收杂散反射光。
具体监测方法包括如下步骤：
步骤1，进行地面标定
在地面实验室，通过模拟星体表面尘埃沉降，在镜面上均匀沉积不同质量的尘埃，关闭防尘盖，开启光源、光敏感器，测量不同质量尘埃对应的敏感器信号变化，绘制尘埃质量-光敏感器信号曲线，并进行曲线拟合，获得标定曲线，其中，镜面上沉积的尘埃质量通过称重获得。
步骤2，进行星体测量。
步骤2.1，探测器携带尘埃监测仪着陆星体表面，展开尘埃监测仪，调节其镜面至水平位置；镜面与水平面的误差应小于±10°。
步骤2.2，尘埃监测仪开机，进行自检和初值测量(测量光敏感器信号的初值)；标定测量时间应大于20min，标定时段内数据波动应小于2％。
步骤2.3，打开盖板，在自然环境下沉积尘埃。一定时间后，闭合盖板，测量光敏感器信号变化，根据步骤1获得的标定曲线计算尘埃累积质量。用于测量的光源稳定度受环境影响产生输出波动应不大于5％。
步骤2.4，重复步骤2.3直至任务结束。
其中，如果采用单反射模式，则镜面5选择高反射镜，反射率大于80％，光敏感器位于光源光线的反射光路上，其中，光源入射角为30～70°之间时，光敏感器信号强度较大，便于测量；如果采用单透射模式，则镜面5选择高透射镜，透射率大于80％，光敏感器位于光源光线的透射光路上；如果采用反射-透射模式，则镜面5选择透射率与反射率相当的折反镜，透射率与反射率之比在0.6～1.5之间，具有两个光敏感器，一个位于电源光线的反射路线上，另一个位于电源光线的透射路线上，此时，将相同尘埃质量下的反射光路和透射光路的光敏感器信号取平均值，绘制尘埃质量-光敏感器信号平均值关系曲线，该关系曲线即为标定曲线。当采用高透射镜或透射率与反射率相当的镜面时，光源的入射角度小于45°时，光敏感器较为敏感，信号大，变化幅度大，便于测量。
考虑到工程应用，尘埃监测仪的体积不宜过大，总体来说，尘埃监测仪空腔尺寸应小于Φ10cm×10cm。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，设计尘埃监测仪；
尘埃监测仪包括光源(1)、光敏感器(2)、盖板(3)和用于改变光路的镜面(4)，尘埃监测仪探头设有向上开口的空腔，防尘盖设置在空腔上方，镜面设置在腔底，光源位于空腔侧面，光敏感器位于光路的反射和/或折射光路上；
步骤2，在地面上采用尘埃监测仪进行尘埃质量-光敏感信号曲线标定；
步骤2.1，将步骤1的尘埃监测仪放置在真空环境中，并位于扬尘装置的下方；
步骤2.2，打开盖板(3)，并启动扬尘装置模拟星体表面尘埃沉降，在镜面上均匀沉积尘埃，然后关闭盖板，开启光源、光敏感器，测量当前光敏感器信号相比于无尘情况下的信号变化，测量镜面上沉积的尘埃质量；
步骤2.3，重复步骤2.2，得到镜面上沉积尘埃质量与光敏感器信号变化量之间的关系，并进行曲线拟合，获得标定曲线；
步骤3，进行星体测量；
步骤3.1，探测器携带尘埃监测仪着陆星体表面，展开尘埃监测仪，调节其镜面至水平位置；
步骤3.2，尘埃监测仪开机，进行自检和测量光敏感器信号的初值；
步骤3.3，打开盖板，在自然环境下沉积尘埃；一定时间后，闭合盖板，测量光敏感器信号相对于所述初值的变化量，代入步骤2获得的标定曲线中得到尘埃累积质量；
步骤3.4，重复步骤3.3直至任务结束。
2.如权利要求1所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述光源为半导体激光器或发光二极管。
3.如权利要求1所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述光敏感器为光电二极管、光电三极管、光敏电阻、CCD、CMOS或光电池。
4.如权利要求1所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述镜面为高反射镜，反射率大于80％；光敏感器位于光源光线的反射光路上。
5.如权利要求1所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述镜面为高透射镜，透射率大于80％，光敏感器位于光源光线的透射光路上。
6.如权利要求1所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述镜面为透射率与反射率相当的折反镜，透射率与反射率之比在0.6～1.5之间，具有两个光敏感器，一个位于电源光线的反射路线上，另一个位于电源光线的透射路线上，分别测量反射光路光敏感器信号变化和透射光路光敏感器信号变化，然后将相同尘埃质量下的反射光路和透射光路的光敏感器信号取平均值，绘制尘埃质量-光敏感器信号平均值关系曲线，该关系曲线即为标定曲线。
7.如权利要求4所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述光源入射角为30～70°。
8.如权利要求5或6所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，所述光源入射角小于45°。
9.如权利要求1～6任意一项所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，在空腔侧面内壁内设有光路传输通道，所述光源和光敏感器位于光路传输通道内，光源处的光路传输通道用于光的准直，光敏感器处的光路传输通道用于光的准直和吸收杂散反射光。
10.如权利要求1～6任意一项所述的星体表面尘埃累积质量监测方法，其特征在于，步骤3.1中，设置镜面与水平面的误差小于±10°。
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