CN104569997B - 一种基于热致超声的激光打击告警系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于热致超声的激光打击告警系统，包括：压电换能器，布置在载体结构的表面，用于探测激光打击在载体内激发的超声波振动，并将超声波振动信息转化为电信号；信号采集与数据处理系统，与压电换能器电连接，接收来自压电换能器的电信号，并对电信号进行处理和判别之后发出系统指令；告警系统，与信号采集与数据处理系统电连接，执行来自信号采集与数据处理系统的系统指令。本发明由于采用基于激光热致超声原理实现星载激光告警和照射定位，因此告警系统无需光学探测器，不受探测视场限制，降低了系统复杂性和重量。

Description

一种基于热致超声的激光打击告警系统

技术领域

本发明涉及激光告警的传感器领域，特别是涉及一种基于热致超声的激光打击告警系统。

背景技术

随着激光武器，特别是激光反卫星武器技术的显著发展，在轨卫星面临的激光威胁持续上升。为保护空间资产，有必要开展星载激光告警系统的技术研究。

激光打击告警系统是一种特殊的传感器，它是用于感知、测量、识别敌方激光武器辐射的光电设备，同时要求数据处理系统对系统探测到的信号进行快速的分析与处理，判断是否有激光武器的袭击，将告警信号发送给卫星及遥感器的防护体系，并下传地面控制中心。传统星载激光告警系统包括光学接收部分、光电传感器、信号判别处理、地面通信等。其中，光学接收部分用于接收激光信号，限定探测空间；光电传感器可以保证有效告警并降低系统组成的体积、重量；信号处理系统完成信号识别、信号接口处理等功能；地面通信系统为卫星有效载荷之共用系统，激光告警系统具备与其通信的接口。星载激光告警系统按探测工作原理主要有光谱识别型和成像型。光谱识别型通过探测装置探测到某个波长的激光能量，从而判断可能存在的激光威胁，该系统可探测多个波长的激光，但是不能精确定位来袭方向；成像型通过红外电荷耦合器件(CCD)或位置传感探测器件(PSD)将来袭激光成像，可以精确定位来袭方向，但只能单波长工作。

目前，还未见实际应用的星载威胁激光探测告警系统，但已有一些探索性研究的报道。其中，典型代表是美国“卫星威胁告警与受攻击报告(STW/AR)”研究计划。国内哈工大、中科院等单位开展了星载激光告警系统初步探索研究，设计提出了几种星载激光告警系统方案。

但现有星载激光告警系统设计方案面临诸多难题：如探测视场与定位精度、探测率与虚警率的需求相互矛盾难以兼顾；光学装置具有探测视场受限，探测率低，虚警率高等显著不足，以及告警系统体积、重量、功耗相对较高等。这些技术难题给星载激光告警系统发展造成了巨大障碍。目前现有技术中尚未有一种简便高效的星载激光打击告警系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：提供一种基于热致超声原理的新型星载激光告警系统，无需光学探测器，不受探测视场限制，系统复杂性和重量较低。

本发明的技术方案为：一种基于热致超声的激光打击告警系统，包括：压电换能器，布置在载体结构的表面，用于探测激光打击在载体内激发的超声波振动，并将超声波振动信息转化为电信号；信号采集与数据处理系统，与压电换能器电连接，接收来自压电换能器的电信号，并对电信号进行处理和判别之后发出系统指令；告警系统，与信号采集与数据处理系统电连接，执行来自信号采集与数据处理系统的系统指令。

进一步地，还包括：信号放大器和滤波器，电连接压电换能器和信号采集与数据处理系统，将从压电换能器接收到的电信号进行信号放大并将主频外的干扰噪声滤除之后再发送给信号采集与数据处理系统。

进一步地，还包括：A/D转换电路，电连接信号放大器和滤波器，将从信号放大器和滤波器的模拟信号转换为数字量，再通过数据总线送至信号采集与数据处理系统。。

进一步地，信号采集与数据处理系统包括信号采集部分和数字信号处理部分，信号采集部分采集数据总线中的数据，数字信号处理部分进行信号采集部分采集的数据的处理和判别，并发出系统指令。。

进一步地，还包括：波形信号处理与特征判读系统，从信号采集与数据处理系统读出超声波振动信息的回波信号，进行回波信号的分析和判读。

进一步地，波形信号处理与特征判读系统包括：示波器，采集回波信号。

进一步地，波形信号处理与特征判读系统包括：波形信号分析仪，从示波器读取回波信号，进行回波信号的分析和判读。

进一步地，包括：星载分析计算机，连接波形信号处理与特征判读系统，接收波形信号分析仪的分析结果，进行打击位置目标的反演与定位。

进一步地，还包括：波形信号数据库，储存地面试验建立的多类型激光源与卫星本体材料作用产生的波形信号，将波形信号与信号采集与数据处理系统收集的电信号对比，判读是否存在激光热致超声波产生。

本发明与现有技术相比的优点在于：由于采用基于激光热致超声原理实现星载激光告警和照射定位，因此告警系统无需光学探测器，不受探测视场限制，降低了系统复杂性和重量；此外，由于特定参数激光照射卫星本体产生的热致超声波形信号较为固定，利用热致超声信号进行感知告警和波形源目标反演定位可实现高定位精度和高探测率、低虚警率告警的目标。同时，本发明涉及的告警系统组成较为简单，在部件体积、重量和功耗方面也具有明显优点。

附图说明

图1为本发明的星载激光打击告警系统的示意图。

图2为本发明的星载激光打击告警系统的工作原理图。

具体实施方式

本发明的技术解决方案是：提出基于热致超声原理的星载激光告警系统。当激光照射到卫星本体时，由于激光热作用，会在卫星本体内热致激发超声波。热致超声在星体结构中以纵波和横波的形式传播，其显著不同于卫星本征振动频率和星上运动部件产生的微振动频率。利用在星体结构表面布置的波形探测和场效应感知设备，滤除周围空间环境对星体结构造成的低频振动影响，通过信号处理系统的波形信号特征及场效应参数判读对比，判断接收信号是否来自激光热激发，并适时判断是否启动激光告警指令；由于不同打击位置与波形信号接收装置相对距离和方位差异，都会产生不同波形特征的超声波波形信号。基于卫星本体结构表面波形信号接收装置的布置位置设计方案，参照激光超声波在固体材料中的传播机制、频散和衰减特征，通过接收波形信号耦合特征的空间时间尺度解耦，实现打击位置的反演定位。

激光热致超声按照激光能量不同，激发的超声波主要包括热弹激发和融蚀激发。当入射激光能量较低时，光能吸收产生的瞬态热量导致热应力响应，应力场产生脉冲超声波，形成热弹激发；当入射激光强度增加到一定程度，其能量导致材料表面熔融，形成熔融激发，产生较强的超声波。激光辐照在卫星本体的辐射强度大约从1-10W/cm²，目标能量密度变为几百焦/平方厘米，其辐照热致激发超声的频率一般在20KHz～100MHz，与卫星本体微振动频率信号(低频，也称噪音信号)具有显著差异。初至波是噪音信号与热致超声信号的分界时刻，初至波的感知有很多方法，如能量比方法、振幅法、曲线长度法等。通过初至波的有效感知，初步判读是否存在激光热致超声波产生；将信号采集和数据处理系统输出的波形信号与地面试验建立的多类型激光源与卫星本体材料作用产生的波形信号(存储在数据库中)进行对比分析，对感知信号进行二次判读，控制是否发送告警指令至告警器系统。

激光超声波的波形特征不仅与激光激发源(激光辐照的半径和激光脉冲宽度等)有关，而且与被作用物质材料的性质直接相关。超声波波形特征主要包括传播方向、振幅、衰减特性、频散色散现象等。由于信号采集和数据处理系统与布置在卫星本体四周的压电换能器的相对距离和方位角度不同，其接收的超声波时间和波形特征也不同。利用相关性时差法，以不同位置的压电换能器波形为分析对象，以时间差求距离差，根据距离差确定轨迹方程，实现打击位置定位。同时，为提高定位精度，可采用方位角辅助定位方法。利用信号采集和数据处理系统对两个放置位置相互垂直的压电换能器进行波形信号接收分析，通过两束波形的振幅比值(代表能量比值)确定打击位置的方位角，作为判定定位的辅助方法。

参见图1所示，本发明基于热致超声原理的星载激光打击告警系统主要包括激光激发超声波形信号接收感知告警系统和波形信号处理与特征判读系统。

波形信号接收感知告警系统主要包括压电换能器、信号放大器与滤波器、A/D转换电路、信号采集与数据处理系统、告警器系统等。波形信号处理与特征判读系统主要由示波器和波形信号分析仪组成。两系统均连接星载分析计算机，实现激光打击感知自动报警和打击定位。两系统整体构成如图1所示。

具体地，压电换能器主要布置在星体结构表面四周，其作用主要是将激光打击激发的超声波振动信息转化为电信号，并将电信号提供电线传输至信号放大器与滤波器。信号放大器与滤波器主要作用是对接收到的低强度和低信噪比超声信号进行信号放大并将主频外的干扰噪声滤除，提高检测信号的强度和信噪比。A/D转换电路主要作用是接收来自信号采集与数据处理系统的控制信号，将来自上游(信号放大器)模拟信号转换为数字量，送至数据总线。信号采集与数据处理系统由信号采集和数字信号处理两部分组成。信号采集部分采集数据总线中的数据，完成超声波信号的放大、模数转换及传输控制；数字信号处理部分用来控制系统工作、进行各系统间的数据传输与信号采集部分采集的数据的处理并判断是否发送告警指令。告警系统主要作用是执行来自信号采集与数据处理系统的系统指令，实现告警系统(告警系统本身为执行部件)的开启与关闭。示波器起监视发射信号和采集回波信号的作用，同时将从信号采集与数据处理系统读出的波形信号特征传递至波形信号分析仪。波形信号分析仪进行回波信号的分析与判读。告警系统和波形信号分析仪连接星载分析计算机，由星载分析计算机通过布置在卫星本体四周的压电换能器接收的超声波时间和波形特征，利用相关性时差法，以不同位置的压电换能器波形为分析对象，以时间差求距离差，根据距离差确定轨迹方程，进行打击位置目标反演与定位，完成星载激光打击告警系统工作过程。

参见图2所示，本发明的工作流程如下：

激光打击星体结构，由于激光对星体结构的热弹激发作用和融蚀激发作用，会在卫星本体内热致激发超声波和温度应力场。本发明的压电换能器接收到超声波形信号，滤除周围空间环境对星体结构造成的低频振动影响，使用本发明的波形信号接收感知告警系统进行信号处理和场效应判读，其中使用波形信号数据库进行告警判别。若是判别为激光打击，则发出告警指令并开启告警系统，同时波形信号分析仪分析波形特征，由星载分析计算机由波形特征计算给出打击位置信息。至此，完成本发明的打击告警和打击位置定位。

综上所述，本发明提供一种基于热致超声原理的星载激光打击告警系统，利用激光照射到卫星本体上产生的热致超声现象，可通过超声波的探测捕获和波形识别，判断卫星是否遭受打击，实现激光打击告警；通过波形模态特征反演，判断卫星照射方位，实现激光打击定位。

本发明系统可实现全视场探测，具有高探测精度、低虚警率和高定位精度特点，同时由于无需采用复杂且重的光学探测装置，系统简单可靠，耗能小，是在轨卫星有效防护的重要手段，具备很强的竞争力，符合专利发明要求具备的新颖性、创造性、实用型要求。

本领域技术人员容易想到，实施方式部分虽是以卫星载体为示例，但本发明的激光打击告警系统除应用在卫星上以外，也可以应用在其他航天器、航空器甚至地面设备。因此在这些设备上的应用也均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于热致超声的激光打击告警系统，其特征在于，包括：

压电换能器，布置在载体结构的表面，用于探测激光打击在所述载体内激发的超声波振动，并将超声波振动信息转化为电信号；

信号采集与数据处理系统，与所述压电换能器电连接，接收来自所述压电换能器的电信号，并对所述电信号进行处理和判别之后发出系统指令；信号采集与数据处理系统包括信号采集部分和数字信号处理部分，所述信号采集部分采集所述数据总线中的数据，所述数字信号处理部分进行所述信号采集部分采集的数据的处理和判别，并发出系统指令；

告警系统，与所述信号采集与数据处理系统电连接，执行来自所述信号采集与数据处理系统的系统指令；

信号放大器和滤波器，电连接所述压电换能器和所述信号采集与数据处理系统，将从所述压电换能器接收到的所述电信号进行信号放大并将主频外的干扰噪声滤除之后再发送给所述信号采集与数据处理系统；

A/D转换电路，电连接所述信号放大器和滤波器，将从所述信号放大器和滤波器的模拟信号转换为数字量，再通过数据总线送至所述信号采集与数据处理系统；

波形信号处理与特征判读系统，从信号采集与数据处理系统读出所述超声波振动信息的回波信号，进行所述回波信号的分析和判读；波形信号处理与特征判读系统包括：示波器和波形信号分析仪；示波器，采集所述回波信号；波形信号分析仪，从所述示波器读取所述回波信号，进行所述回波信号的分析和判读

星载分析计算机，连接所述波形信号处理与特征判读系统，接收所述波形信号分析仪的分析结果，进行打击位置目标的反演与定位；

波形信号数据库，储存地面试验建立的多类型激光源与卫星本体材料作用产生的波形信号，将所述波形信号与所述信号采集与数据处理系统收集的所述电信号对比，判读是否存在激光热致超声波产生。