CN111595738B - 超高速颗粒直径分布探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速颗粒的直径分布探测装置，包括激光器、镀铝平面反射镜、光学靶标、探测器，其中，光学靶标置于超高速颗粒运动的空间环境中，颗粒运动撞击光学靶标的表面形成凹坑，激光器发射出的激光经过反射镜直角反射后入射光学靶标，透射光通过凹坑的散射作用在探测器的不同位置处产生强弱不一的光信号，探测器将光信号转换为电信号，通过计算处理即可得到凹坑的尺寸分布，对应获得超高速颗粒的直径分布。本发明通过二维移动机构移动位置，可对光学靶标表面进行扫描，得到撞击凹坑信息，根据上述计算方法得到撞击的微小碎片颗粒的直径及其分布。

Description

超高速颗粒直径分布探测装置
技术领域
本发明属于空间环境探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种超高速颗粒直径分布探测装置。
背景技术
近地轨道存在着大量空间碎片及微流星体，微米级空间微小碎片占空间碎片总体数量的99％以上，对航天活动存在严重影响。因此极有必要对其进行监测，监测手段主要是在轨监测。而微流星体探测是研究宇宙演化、恒星起源等问题的重要手段之一。因此，微米级碎片及微流星体空间探测具有重要意义。
微流星体运动速度范围11-72km/s，平均速度20km/s。微米级空间碎片运动速度范围0.1-15km/s。因此均属于超高速颗粒。现有探测手段分为在轨就位探测和轨道取样返回探测。已有的在轨就位探测手段无法对微米级碎片或微流星体的直径分布进行分析。
例如PVDF型探测器[1张庆志.基于PVDF压电传感器的空间微小碎片探测系统规划研究.中北大学硕士学位论文.2012；2曹光伟.空间微小碎片探测器研制.中国科学院空间科学与应用研究中心硕士学位论文.2007.]，其工作原理为碎片撞击时，PVDF产生去极化反应。这种去极化反应将产生一个瞬时快电荷脉冲，通过电子学电路处理后得到碎片撞击特性。这种探测器存在的缺点是无法推算碎片的直径、成分、质量、速度、密度数值。
中国航天科技集团公司第五研究院第五一〇研究所申请了《一种空间微小碎片的探测方法》，利用探测薄膜暴露在空间进行微小碎片俘获，然后将探测薄膜运回地面，采用物理分析方法分析微小碎片的注入深度和碎片化学组成，根据撞击深度公式的计算，注入深度可以反映出入射碎片的尺寸。这种方法无法实时探测碎片尺寸、成分，具有很大的局限性。
北京空间飞行器总体设计部公开了《微小空间碎片探测用探测器探头及其传感器制备方法》专利，采用金属铝制备碎片探测的灵敏区，但无法探测碎片的尺寸、成分、速度、密度等数值。
因此，现有技术中均不存在能够实时探测出在轨超高速颗粒直径分布的系统。
发明内容
基于此，为了在轨就位获得微米级空间碎片及微流星体的尺寸分布信息，本发明提出了一种实时探测超高速颗粒直径分布的装置，该装置能够精确，实时地探测出在轨的超高速颗粒的直径分布。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
超高速颗粒的直径分布探测装置，包括He-Ne激光器、镀铝平面反射镜、K9石英玻璃的光学靶标、线阵CCD，其中，K9石英玻璃的光学靶标置于超高速颗粒运动的空间环境中，超高速颗粒运动撞击光学靶标的表面形成凹坑，He-Ne激光器发射出的激光经过镀铝平面反射镜直角反射后入射光学靶标，透射光通过光学靶标上凹坑的散射作用在探测器的不同位置处产生强弱不一的光信号，探测器将光信号转换为电信号，通过计算处理即可得到凹坑的尺寸分布，对应获得超高速颗粒的直径分布。
其中，入射光与最近距离透射光的夹角大于等于5度。
其中，入射光与最远距离透射光的夹角小于等于30度。
其中，光学靶标受到空间微小碎片或微流星体撞击后，表面形成凹坑。
根据以下公式，通过最小二乘法拟合，可得光到学靶标上的凹坑直径D。
Figure BDA0002522272610000021
其中，k为波数，r为线阵CCD距离凹坑的尺寸，
Figure BDA0002522272610000022
Figure BDA0002522272610000023
为贝塞尔函数。
由D可计算得到微小碎片尺寸：
Figure BDA0002522272610000031
其中，k1为常数，可取0.1，v为微小碎片颗粒速度，ρm为光学玻璃密度，ρp为颗粒密度。
本发明通过二维移动机构移动位置，可对光学靶标表面进行扫描，得到撞击凹坑信息，根据上述计算方法得到撞击的微小碎片颗粒的直径及其分布。
附图说明
图1为本发明的超高速颗粒的直径分布探测装置的结构示意图；
其中：1-激光器，2-反射镜，3-光学靶标，4-移动机构，5-探测器。
图2为不同散射角度下对应的相对强度的变化图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
图1是本发明的空间微小碎片尺寸分布探测装置的结构示意图，其中，本发明的空间微小碎片尺寸分布探测装置，包括He-Ne激光器1、镀铝平面反射镜2、K9石英玻璃的光学靶标3、二维移动机构4、线阵CCD5。其中，K9石英玻璃的光学靶标3置于以超高速运动的空间微小碎片环境中，超高速颗粒运动撞击光学靶标的表面形成凹坑，He-Ne激光器1发射出的激光经过镀铝平面反射镜2直角反射后入射光学靶标3，透射光通过光学靶标3上凹坑的散射作用在线阵CCD的不同位置处产生强弱不一的光信号，如图2所示。
根据下式，通过最小二乘法拟合，可得光学靶标3上的凹坑直径D。
Figure BDA0002522272610000032
其中，k为波数，r为线阵CCD距离凹坑的尺寸，
Figure BDA0002522272610000041
Figure BDA0002522272610000042
为贝塞尔函数。
由D可计算得到微小碎片尺寸：
Figure BDA0002522272610000043
其中，k1为常数，可取0.1，v为微小碎片颗粒速度，ρm为光学玻璃密度，ρp为颗粒密度。
通过二维移动机构移动位置，可对光学靶标表面进行扫描，得到撞击凹坑信息，根据上述计算方法得到撞击的微小碎片颗粒的直径及其分布。
尽管上文对本发明专利的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.超高速颗粒的直径分布探测装置，包括He-Ne激光器、镀铝平面反射镜、光学靶标、线阵CCD，其中，K9石英玻璃的光学靶标置于超高速颗粒运动的空间环境中，超高速颗粒运动撞击光学靶标的表面形成凹坑，He-Ne激光器发射出的激光经过镀铝平面反射镜直角反射后入射光学靶标，透射光通过光学靶标上凹坑的散射作用在探测器的不同位置处产生强弱不一的光信号，探测器将光信号转换为电信号，通过计算处理即可得到凹坑的尺寸分布，对应获得超高速颗粒的直径分布；
根据以下公式，通过最小二乘法拟合，可得到光 学靶标上的凹坑直径D，
Figure FDA0003725635840000011
其中，D为凹坑的直径，k为波数，r为线阵CCD距离凹坑的尺寸，
Figure FDA0003725635840000012
Figure FDA0003725635840000013
为贝塞尔函数，
由D可计算得到微小碎片尺寸：
Figure FDA0003725635840000014
其中，k1为常数，取0.1，v为微小碎片颗粒速度，ρm为光学玻璃密度，ρp为颗粒密度。
2.如权利要求1所述的直径分布探测装置，其中，入射光与最近距离透射光的夹角大于等于5度。
3.如权利要求1所述的直径分布探测装置，其中，入射光与最远距离透射光的夹角小于等于30度。
4.如权利要求1所述的直径分布探测装置，其中，光学靶标受到空间微小碎片或微流星体撞击后，表面形成凹坑。
5.如权利要求1所述的直径分布探测装置，其中，光学靶标为K9石英玻璃的光学靶标。
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