CN109270587B - 一种柔性遮光罩展开状态检测系统 - Google Patents

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Abstract

一种柔性遮光罩展开状态检测系统，包括发射器、接收器；发射器和接收器安装在柔性遮光罩的支撑杆的两端；发射器用于发出波长为850nm～950nm的光波，接收器根据接收到的发射器发出的光波，判断柔性遮光罩是否展开。本发明有效的解决了柔性遮光罩的空间展开状态检测问题，方案低成本，易实现。

Description

一种柔性遮光罩展开状态检测系统
技术领域
本发明涉及一种柔性遮光罩展开状态检测系统，属于航天器柔性材料在轨展开状态监测领域。
背景技术
目前，遥感卫星用遮光罩材质一般为复合材料等的固体刚性材料，随着遥感载荷体积的增大、受到运载火箭安装容积的限制，在一些遥感卫星上，刚性固体遮光罩系统已经不能满足使用，柔性可展开式遮光罩开始进入设计师视线。但是柔性可展开式遮光罩在轨展开状态、弯曲程度等是影响遥感载荷“生命”的一道环节。
某遥感卫星是我国首次应用柔性可展开式遮光罩的遥感卫星，应用柔性可展开式遮光罩的目的是降低包络尺寸，能够在轨提供更大的视场保护空间。但是柔性可展开式遮光罩在轨工作状态对于相机的工作状态判读起到关键的作用。遮光罩展开状态的检测系统需要具有高可靠性、耐空间环境辐射等一系列重要防护措施。同时如何低成本、高可靠的对其展开状态监测成为了设计师需要解决的一道难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种柔性遮光罩展开状态检测系统，包括发射器、接收器；发射器和接收器安装在柔性遮光罩的支撑杆的两端；发射器用于发出波长为850nm～950nm的光波，接收器根据接收到的发射器发出的光波，判断柔性遮光罩是否展开。本发明有效的解决了柔性遮光罩的空间展开状态检测问题，方案低成本，易实现。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种柔性遮光罩展开状态检测系统，包括发射器、接收器；所述发射器和接收器安装在柔性遮光罩的支撑杆的两端；所述支撑杆为中空结构；
所述发射器用于发出波长为850nm～950nm的光波，所述接收器根据接收到的发射器发出的光波，判断柔性遮光罩是否展开。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述支撑杆的长度小于等于1.5m。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述发射器的每个红外发射二极管的功率大于100mW。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述支撑杆采用横截面为菱形的中空结构，所述支撑杆的中空腔体的表面粗糙度优于3.2。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述发射器包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一红外发射二极管(V1)、第二红外发射二极管(V2)；
所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)并联连接后形成第一并联电路；所述第三电阻(R3)和第一红外发射二极管(V1)并联连接后形成第二并联电路；所述第四电阻(R4)和第二红外发射二极管(V2)并联连接后形成第三并联电路；所述第一并联电路、第二并联电路、第三并联电路串联连接。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述接收器包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第三硅光电晶体管(V3)、第四硅光电晶体管(V4)；
所述第五电阻(R5)的一端与第六电阻(R6)的一端连接；所述第五电阻(R5)的另一端同时与第三硅光电晶体管(V3)的一端和第八电阻(R8)的一端连接；
所述第六电阻(R6)的另一端同时与第七电阻(R7)的一端和第四硅光电晶体管(V4)的一端连接；
所述第四硅光电晶体管(V4)的另一端与第三硅光电晶体管(V3)的另一端连接；所述第八电阻(R8)的另一端与第七电阻(R7)的另一端连接。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述第八电阻(R8)与第七电阻(R7)之间设有遥测输出端；所述遥测输出端用于判断柔性遮光罩是否展开。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述接收器接收到的光功率值P为：
Figure BDA0001847735740000031
式中，P0为发射器发出的光功率值；L为支撑杆的长度；R为支撑杆的内壁粗糙度，f(R)为红外光线在支撑杆的内壁粗糙度为R条件下的传输比函数。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，当接收器接收到的光功率值P大于等于25mW时，判断柔性遮光罩已经展开，当接收器接收到的光功率值P小于25mW时，判断柔性遮光罩未完全展开。
上述柔性遮光罩展开状态检测系统，所述支撑杆的横截面为菱形。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明巧妙的利用了支撑杆内部的空腔作为光线传播的路径，设计了红外光线产生的发射器系统以及硅光电晶体管组成的红外光线接收系统，使得可以在轨的低成本的解决柔性遮光罩系统的遥测问题，避免了使用相机等其他代价高的方案，也避免对遥测数传系统的带宽占用过高的问题；
(2)本发明采用的电路不仅仅能够检测展开与为展开两种状态，在中间状态时，也可以根据遥测电压的幅值初步判断展开的效果；
(3)本发明采用冗余的电路设计方式，可以避免单个元器件失效时，使得电路造成误判；
(4)本发明遥测系统由于体积小，功率低，可以在多个支撑杆内布置多个遥测电路，对系统的体积、重量、功耗不会产生较大的影响。
附图说明
图1为本发明实施例光路畅通时的展开示意图；
图2为本发明实施例光路受阻时的展开示意图；
图3为本发明实施例发射器的电路图；
图4为本发明实施例接收器的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种柔性遮光罩展开状态检测系统，包括发射器、接收器；所述发射器和接收器安装在柔性遮光罩的支撑杆的两端；所述支撑杆为中空结构；
所述发射器用于发出波长为850nm～950nm的光波，所述接收器根据接收到的发射器发出的光波，判断柔性遮光罩是否展开。
具体的，所述支撑杆的横截面为菱形，所述接收器接收到的光功率值P为：
Figure BDA0001847735740000041
式中，P0为发射器发出的光功率值；L为支撑杆的长度；R为支撑杆的内壁粗糙度，f(R)为红外光线在支撑杆的内壁粗糙度为R条件下的传输比函数，f(R)的函数取值范围为0～1，f(R)的函数值可以通过实验测试获得。
当接收器接收到的光功率值P大于等于25mW时，判断柔性遮光罩已经展开，当接收器接收到的光功率值P小于25mW时，判断柔性遮光罩未完全展开。
所述发射器包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一红外发射二极管V1、第二红外发射二极管V2；第一红外发射二极管V1、第二红外发射二极管V2的功率均大于100mW。
所述第一电阻R1和第二电阻R2并联连接后形成第一并联电路；所述第三电阻R3和第一红外发射二极管V1并联连接后形成第二并联电路；所述第四电阻R4和第二红外发射二极管V2并联连接后形成第三并联电路；所述第一并联电路、第二并联电路、第三并联电路串联连接。
所述接收器包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第三硅光电晶体管V3、第四硅光电晶体管V4；
所述第五电阻R5的一端与第六电阻R6的一端连接；所述第五电阻R5的另一端同时与第三硅光电晶体管V3的一端和第八电阻R8的一端连接；
所述第六电阻R6的另一端同时与第七电阻R7的一端和第四硅光电晶体管V4的一端连接；
所述第四硅光电晶体管V4的另一端与第三硅光电晶体管V3的另一端连接；所述第八电阻R8的另一端与第七电阻R7的另一端连接。
所述第八电阻R8与第七电阻R7之间设有遥测输出端；所述遥测输出端用于判断柔性遮光罩是否展开。
所述支撑杆的长度小于等于1.5m。支撑杆采用横截面为菱形的中空结构，所述支撑杆的中空腔体的表面粗糙度优于3.2。
实施例：
柔性遮光罩展开状态检测系统，所述柔性遮光罩中设置有支撑杆，支撑杆两端设置有支承座，支承座能够提供展开状态检测系统必要的支撑以及光学通路。所述柔性遮光罩展开状态检测系统包含发射器与接收器，发射器与接收器分别安装在支撑杆的两端，如图1和图2所示。其中，发射器需要电源正极与电源负极两根供电线，接收器需要电源正极与电源负极两个供电线并输出遥测信号，共需要三根线的连接。在工装状态下，发射器与接收器的电源正极与电源负极均加载电源信号，发射器的红外发射二极管按照一定的波长和能力发射红外光波，接收器中的硅光电晶体管按照某种放大倍数对接收到的红外光学信号进行放大处理，输出一定的电学信号。发射器与接收器在电路设计上均考虑了冗余设计，可以防止某单个器件失效对整机造成的影响。
柔性遮光罩展开状态检测系统，利用可展开支撑结构展直时内部空间为通畅的直线通道，折叠收拢时中间通道完全受阻的特性，采用直线传播的光源发射接受的光电传感原理作为遥测手段。可展开遮光罩入轨展开后，给监测装置供电，发射电路红外发射二极管发出光线，如果支撑结构未展开或未展直则无法接收到发射电路发出的光线，则保持为一个高电平电压值；如果支撑结构展直则接收电路接收到光线后给出一个低电平电压值，遥测通道采集接收电路的电平，来判断遮光罩是否展直。
进一步地，所述的发射器电路由电阻器与红外发射二极管组成，如图3所示，其中电源正极连接第一电阻R1、第二电阻R2的一端，第一电阻R1、第二电阻R2并联后的另一端连接第一红外发射二极管V1的阳极以及第三电阻R3的一端，第一红外发射二极管V1的阴极以及第三电阻R3的另一端并联后连接第二红外发射二极管V2的阳极以及第四电阻R4的一端，第二红外发射二极管V2阴极及第四电阻R4的另一端并联后连接电源负极。
进一步地，所述的接收器由电阻器与硅光电晶体管组成，如图4所示，其中电源正极连接第五电阻R5和第六电阻R6的一端，第五电阻R5的另一端连接第三硅光电晶体管V3的集电极以及第八电阻R8的一端，第六电阻R6的另一端连接第四硅光电晶体管V4的集电极以及第七电阻R7的一端，第七电阻R7与第八电阻R8的另一端并联后送出输出遥测信号，第三硅光电晶体管V3与第四硅光电晶体管V4的发射器并联后接电源负极。
进一步地，所述的发射器电路中第一红外发射二极管V1与第二红外发射二极管V2构成了冗余并联设计的关系，在第一红外发射二极管V1与第二红外发射二极管V2都正常时，两个器件流过相同的电流，当第一红外发射二极管V1故障时，第二红外发射二极管V2可以通过第三电阻R3接入供电回路，当第二红外发射二极管V2故障时，第一红外发射二极管V1可以通过第四电阻R4接入供电回路。所述的接收器电路中第三硅光电晶体管V3和第四硅光电晶体管V4构成了冗余并联设计的关系，当第三硅光电晶体管V3故障时，系统通过第七电阻R7将第四硅光电晶体管V4的送至输出遥测处，第四硅光电晶体管V4故障时，系统通过第八电阻R8将第三硅光电晶体管V3的送至输出遥测处。
进一步地，所述的柔性遮光罩展开状态检测系统，其发射器安装于发射器支撑座上，发射器的支撑座的结构为菱形截面柱体结构，该结构可以保证发射器可以安装于支撑杆的内部并有效的利用空间，能够保证屏蔽外部的光线进入支撑杆的内部，发射器的支撑座选用的结构材料为聚酰亚胺。
进一步地，所述的柔性遮光罩展开状态检测系统，其接收器安装于接收器支撑座上，接收器的支撑座的结构为菱形截面柱体与方形基座连接结构。该结构可以保证接收器可以安装于支撑杆的内部并有效的利用空间，能够保证屏蔽外部的光线进入支撑杆的内部，并且起到了连接遮光罩与整星结构的作用，接收器的支撑座选用的结构材料为铝合金等金属材料。
进一步地，所述的柔性遮光罩展开状态检测系统，其发射器安装于发射器支撑基座上，接收器安装于接收器支撑基座上，发射器与接收器布局在支撑杆的两端，该处所述的支撑杆为菱形截面豆荚杆式结构，应用上，一般支撑杆的长度不大于1.5米。发射器及其支撑基座安装在支撑杆的活动端，接收器及其支撑基座安装在支撑杆的固定端，支撑杆的外部套有蒙皮材料，该处的蒙皮材料根据遮光罩的光学特性决定。
进一步地，所述的柔性遮光罩展开状态检测系统及发射器电路，发射器的发出光学波长在850nm-950nm之间，该波段为近红外光学波长，能够有效的避免空间其他可见光的干扰，在较大的温度范围内不易被干扰。单个发射器电路的输出光学功耗需要＞100mW，以保证接收电路可以接收到较大的光功率。
进一步地，所述的柔性遮光罩展开状态检测系统，其采用的支撑杆为菱形截面豆荚杆式结构，该菱形杆采用的材料为铍青铜，加工时，内部腔体的表面粗糙度需要优于3.2，该粗糙度可以保证20％以上的发射器光功率传输至接收器上，本实施例中，f(R)的函数取值范围为0.3～0.6。
进一步地，所述的柔性遮光罩展开状态检测系统及发射器、接收器的电路设计，能够使得发射器的发射能量与接收器中硅光电晶体管的工作区间位于匹配的工作点，此时使得：如果支撑结构未展开或未展直则无法接收到发射电路发出的光线，则保持为一个高电平电压值；如果支撑结构展直则接收电路接收到光线后给出一个低电平电压值，遥测通道采集接收电路的电平，来判断遮光罩是否展直。所述的柔性遮光罩展开状态检测系统及发射器、接收器，通过外部提供电源正极以及电源负极并连接“输出遥测信号”，使得单路支撑杆内的柔性遮光罩展开状态检测系统可以工作。ANOUT的电压值与展开状态的对应关系如表1所示。
表1
展开状态 ANOUT电压值 备注
折叠状态 5V 未展直
中间状态 0.5V～5V 局部展直
展开状态 ＜0.5V 展直
可以按照上述的连接关系进行布局，但是当被检测的柔性遮光罩系统面积足够大时，柔性遮光罩展开状态检测系统可以在多个支撑杆系统内布置多个发射器与多个接收器组成检测对，使得，可以对柔性遮光罩展开状态进行更加全面的状态检测。
本发明的结构简单，电路可靠性高，应用于空间环境的卫星平台上，用于测量遮光罩的展开状态，其实用效果好，能够适用空间的应用环境，不仅避免了采用相机等复杂传感器进行测量的复杂度，降低了检测系统的体积、重量和成本，同时本发明的遥测信号的码速率很低，减少了对遥测通道的占用，在研制成本、经济成本、效益成本方面均取得了极其显著的效果，且该系统在卫星领域属于首次应用，此前并未有相关先例。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：包括发射器、接收器；所述发射器和接收器安装在柔性遮光罩的支撑杆的两端；所述支撑杆为中空结构；
所述发射器用于发出波长为850nm～950nm的光波，所述接收器根据接收到的发射器发出的光波，判断柔性遮光罩是否展开；
所述发射器包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一红外发射二极管(V1)、第二红外发射二极管(V2)；
所述第一电阻(R1)和第二电阻(R2)并联连接后形成第一并联电路；所述第三电阻(R3)和第一红外发射二极管(V1)并联连接后形成第二并联电路；所述第四电阻(R4)和第二红外发射二极管(V2)并联连接后形成第三并联电路；所述第一并联电路、第二并联电路、第三并联电路串联连接；
所述接收器包括第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第三硅光电晶体管(V3)、第四硅光电晶体管(V4)；
所述第五电阻(R5)的一端与第六电阻(R6)的一端连接；所述第五电阻(R5)的另一端同时与第三硅光电晶体管(V3)的一端和第八电阻(R8)的一端连接；
所述第六电阻(R6)的另一端同时与第七电阻(R7)的一端和第四硅光电晶体管(V4)的一端连接；
所述第四硅光电晶体管(V4)的另一端与第三硅光电晶体管(V3)的另一端连接；所述第八电阻(R8)的另一端与第七电阻(R7)的另一端连接；
所述第八电阻(R8)与第七电阻(R7)之间设有遥测输出端；所述遥测输出端用于判断柔性遮光罩是否展开。
2.根据权利要求1所述的一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：所述接收器接收到的光功率值P为：
Figure FDA0002382309470000021
式中，P0为发射器发出的光功率值；L为支撑杆的长度；R为支撑杆的内壁粗糙度，f(R)为红外光线在支撑杆的内壁粗糙度为R条件下的传输比函数。
3.根据权利要求2所述的一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：当接收器接收到的光功率值P大于等于25mW时，判断柔性遮光罩已经展开，当接收器接收到的光功率值P小于25mW时，判断柔性遮光罩未完全展开。
4.根据权利要求2所述的一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：所述支撑杆的横截面为菱形。
5.根据权利要求1所述的一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：所述支撑杆的长度小于等于1.5m。
6.根据权利要求1所述的一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：所述发射器的每个红外发射二极管的功率大于100mW。
7.根据权利要求1所述的一种柔性遮光罩展开状态检测系统，其特征在于：所述支撑杆采用横截面为菱形的中空结构，所述支撑杆的中空腔体的表面粗糙度优于3.2。
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