CN115237177B

CN115237177B - 一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法

Info

Publication number: CN115237177B
Application number: CN202210928987.8A
Authority: CN
Inventors: 程文龙; 亢佳贺; 赵锐; 张玮
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2022-08-03
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2023-03-14
Anticipated expiration: 2042-08-03
Also published as: CN115237177A

Abstract

本发明公开了一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，属于温度噪声控制领域。该方法包括以下步骤：设定目标热通量值；热通量传感器定时采集实际热通量值；将所述目标热通量值与实际热通量值做差运算，获得热通量偏差值；分析热通量偏差值，若热通量偏差值大于0，则主动补偿使实际热通量达到目标值，否则不补偿；通过外加可相位抵消的补偿热通量从源头上抑制目标频段中低频热噪声。在此基础上，采用多层隔热材料和高热容材料相结合的被动热控方法，抑制目标频段中较高频热噪声。本发明提供的低频段热噪声采用主被动结合、较高频段热噪声采用被动热控为主的方法，实现0.01mHz～10Hz宽频段内的热噪声的抑制。

Description

一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法

技术领域

本发明属于温度噪声控制技术领域，具体涉及一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法。

背景技术

温度噪声是由于热通量噪声引起的，对于空间卫星，热通量噪声主要来源是太阳辐射，热通量噪声接近白噪声，功率谱密度满足A_IS(f)=0.175(f/Hz)^-1/3Wm^-2Hz^-1/2,在0.1mHz～1Hz的引力波探测敏感范围内，0.1mHz的太阳热通量噪声功率谱密度约为5W/m^-2Hz^-1/2。热通量噪声的其它来源是地球和月球，其波动量级分别是太阳辐射的～10^-3和～10^-5。外界输入热通量在卫星内主要是以导热的方式进行传递，且遵守热平衡定律。由傅里叶导热定律可知，热通量在引力波探测装置中发生传递，引起内部装置的温度噪声，其温度噪声频率由热源的频率决定。

温度噪声对引力波、重力场等测定会带来不利影响，因此需要对其进行抑制。如目前国内外进行的空间引力波探测计划中均采用被动方法抑制温度噪声，所述被动方法包括单纯的使用隔热材料抑制温度噪声，以及使用隔热材料与目标物体表面电加热温控装置结合的方法抑制温度噪声，所述电加热温控装置是在检测到目标物体温度变化以后，通过电加热的方式进行温度控制和调节，即此种方法为被动响应，因此将使用目标物体表面电加热温控装置的方法归结为被动方法，这种方法对于温度变化的幅值有很好的削减效果，但难以达到温度噪声抑制的要求效果，比如LISA卫星中采用由一层厚厚的聚氨酯材料制成的隔热罩来抑制温度噪声，同时LISA探路者的核心组件周围分布着24个热传感器和18个加热器；“太极一号”卫星采用“一隔”“二补”“三控”三级控温方法，“一隔”即采用隔热材料降低外部热干扰，“二补”即制作一个恒温笼式加热区域，实现主动加热补偿控温，“三控”即采用载荷自身本体的被动兼自主控温，“太极一号”控温方法中的“二补”和“三控”是对区域或者载荷的温度进行监测，虽然可以使最终稳定时的温度变化的很小，但难以实现温度噪声的抑制，LISA和“太极一号”卫星在0.1mHz可以将温度噪声控制在10^(-3) K/Hz^(1/2)，但距离10^(-5) K/Hz^(1/2)仍有一定差距。研究表明，在大于30mHz的高频段，可以采用被动方法进行温度噪声抑制，在小于30mHz的超低频领域，温度噪声很难被抑制，被动热控材料的热物性达到极限，无法将温度噪声抑制在规定范围。

因此，本发明基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，可同时实现低频段和高频段的温度噪声抑制。

发明内容

为了实现宽频段内温度噪声的抑制，本发明提供一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法。

一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法中低频段噪声的抑制以主动外热流相位补偿控制为主，高频段噪声的抑制以被动温度噪声控制为主，基于主动外热流相位补偿控制与被动控制复合实现宽频段温度噪声抑制；

所述低频段噪声的主动外热流相位补偿方法包括以下步骤：

步骤（1）：设定目标热通量值，目标热通量值大于0 W/m²，小于1500 W/m²；

步骤（2）：利用热通量传感器定时采集实际热通量值，定时采集时间间隔不低于0.1s；

步骤（3）：将所述目标热通量值与实际热通量值相减，获得热通量偏差信号值；

步骤（4）：分析热通量偏差信号值，若热通量偏差信号值大于0，则主动补偿使实际热通量达到目标值；若热通量偏差信号值不大于0，则不补偿；

所述高频段噪声的被动温度噪声控制采用若干层隔热材料和高热容材料，所述若干层隔热材料降低输入热流值；所述隔热材料和高热容材料用于降低高频段热噪声。

所述方法可用于测量引力场或重力场等高精度装置的宽频段温度噪声抑制。

进一步的技术方案如下：

所述宽频段为0.01mHz~10Hz的频率段。

所述方法用于测量引力场或重力场的高精度装置的宽频段温度噪声抑制。

所述低频段噪声的主动外热流相位补偿控制通过若干加热器和若干热通量传感器实现主动外热流相位补偿，每个热通量传感器通过导线分别与控制器和对应的加热器连接。

步骤（2）中，所述热通量传感器为热阻式热通量传感器或辐射式热通量传感器。

所述隔热材料的热导率不大于0.1W/(m·K)。

高热容材料在控制温度区间的等效比热容不低于1000J/(kg·K)。

与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：

（1）本发明热通量噪声提取及热通量补偿的主动温度噪声抑制方法，实现超低频段下的温度噪声抑制。

（2）本发明提出隔热材料阻隔和高热容材料抑制相结合的被动方法，通过隔热材料弱化外热流干扰，通过被动热控材料降低高频段热噪声。

（3）本发明通过高频段温度噪声采用被动热控为主、低频段温度噪声采用主被动复合一体的温度噪声抑制方法，通过主被动控制结合实现了宽频段内的温度噪声的抑制。

附图说明

图1为一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法的原理概念图。

图2为热流主动补偿流程示意图。

图3为主动热补偿原理示意图。

图4为高热容材料对温度噪声的抑制效果图。

图5为本发明方案与现有方案温度噪声抑制仿真结果对比图。

图6为被动热控机理分析原理图。

图7为被动热控机理分析热阻网络图。

图8为被动热控频率敏感分析图。

图9为空间引力波探测卫星结构示意图。

图10为图9的主视图截面图。

图11为图9的俯视图截面图。

图12为若干外加热器均布固定安装于隔热材料层上的结构示意图。

图13为实施例1的温度噪声抑制仿真结果图。

图14为实施例2的温度噪声抑制仿真结果图。

图15为实施例3的温度噪声抑制仿真结果图。

图6、图9-12中序号：外壳1、加热器2、传感器3、隔热材料4、高热容材料5、太阳翼6、载荷表面温控器7、卫星高精度载荷8、单片机微控制器9、连接机构10、外部干扰热源11。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步阐述。

实施例1：

天琴计划是向距地球10万公里轨道上发射三颗卫星，围绕地球组建等边三角形卫星阵列，天琴卫星执行任务期间需要在0.1mHz~1Hz范围内实现10^-5K/Hz^1/2的温度噪声控制，使用纯被动热控材料无法抑制超低频温度噪声，本发明提出的一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，采用如图1所示的方法原理概念图，低频段噪声的抑制以主动外热流相位补偿控制为主，高频段噪声的抑制以被动温度噪声控制为主，基于主动外热流相位补偿控制与被动控制复合实现宽频段温度噪声抑制。

参见图9，空间引力波探测天琴卫星模型图，包括卫星本体和一对太阳翼6。参见图10，卫星本体包括空心六方体状的壳体1、温度噪声抑制机构和安装在壳体1内的卫星高精度载荷8、单片机微控制器9；温度噪声抑制机构包括被动热控机构和主动热控机构。

参见图11，主动热控机构包括若干外加热器2和六个传感器3，在本实施例中，加热器2的作用为热通量补偿加热器，加热器2具体为聚酰亚胺加热片。

参见图12，若干外加热器2均布固定安装于隔热材料层4的六个外表面上。每个外表面上的加热器2均由九个聚酰亚胺加热片阵列组成，通过主动电加热的方式实现热通量补偿，热通量补偿机理即首先设定一段时间内卫星的外壳1恒定热通量输入值，当外界热通量由于空间方位变化等因素降低时，通过加热器2提供补偿热通量，最终使流入卫星高精度载荷8的外界热通量与补偿热通量之和保持恒定。

参见图11，与隔热材料层4六个外表面上的加热器2对应的壳体1六个内侧面上分别设有加热器凹槽，加热器凹槽与加热器2对应配合，实现对加热器2的固定。

六个传感器3分别固定安装于壳体1的六个外表面上，每个传感器3通过导线分别与单片机微控制器9和对应隔热材料层4外表面上的所有加热器2电连接，通过电流的方式将实时提取的外界热通量信号传递给单片机微控制器9，即热通量传感器3完成热通量信号捕捉与提取功能。在本实施例中，传感器3具体为热阻式热通量传感器，用于监测到达卫星表面的热通量。

参见图10和图11，卫星高精度载荷8和单片机微控制器9固定安装于高热容材料层5内。在卫星高精度载荷8表面的四个方向各布置有一个载荷表面温控器7，用于检测卫星高精度载荷8的温度，并通过电加热的方式进行调控，使卫星高精度载荷8的温度保持在规定的温度范围内。

单片机微控制器9通过低频段噪声的主动外热流相位补偿操作步骤控制实现卫星高精度载荷8的恒定热通量输入，用于接收传感器3的检测信号，并设置时间延迟，计算所需补偿热通量，将控制信号传递给加热器2，使得外界热通量与补偿热通量之和在到达卫星高精度载荷8时保持恒定。

参见图2，所述主动外热流相位补偿方法具体计算步骤如下：

（1）设定目标热通量值

根据已有的在轨监测太阳输入热通量数据设定目标热通量值Q1，目标热通量值Q1为不小于800W/m²；

（2）利用热通量传感器定时采集实际热通量值，定时采集时间间隔不低于0.1s；

热通量传感器每隔时间t1采集一次外界输入热通量Q2，即Q2为工作时实际采集到的热通量数值；

（3）将所述目标热通量值与实际热通量值相减，获得热通量偏差信号值；

当热通量传感器检测到的输入热通量Q2值小于目标值Q1时，向热通量补偿加热器输出(Q1-Q2)的补偿加热控制信号；

（4）分析热通量偏差信号值，若热通量偏差信号值大于0，则主动补偿使实际热通量达到目标值；若热通量偏差信号值不大于0，则不补偿。

主动外热流补偿的工作原理说明如下：

参见图3，基于已设定的目标热通量值，针对热通量传感器监测到的热通量，采用热通量补偿加热器进行热通量补偿，使输入星体内部的热通量保持稳定。

参见图11，被动热控机构采用多层隔热材料和高热容材料复合降噪，使用隔热材料降低输入热流值；采用隔热材料和高热容材料降低高频段热噪声，抑制效果如图4所示。包括两层隔热材料层4和高热容材料层5。隔热材料层4和高热容材料层5依次安装于壳体1的内表面，隔热材料层4的材料为超低热导率隔热材料，在本实施例中具体为气凝胶隔热材料，热导率为0.02W/(m·K)；隔热材料层4用于阻隔降低输入的热通量。在本实施例中，高热容材料层5的材料具体为高体积热容相变储能材料十四烷，比热容为2400J/(kg·K)；高热容材料层5用于抑制高频领域的温度噪声，使用被动材料进行温度噪声抑制不需要主动提供电能，由材料本身的特性实现温度波动振幅的抑制，一方面达到抑制高频领域温度噪声的目的，另一方面实现温度噪声传递的时间延迟，从而为载荷表面温控器7反馈控制卫星高精度载荷8的温度范围提供必要的时间间隔。由图4可见，使用高热容材料在0.001Hz时可以将温度噪声从5.2*10^(-4) K^2/Hz抑制到6.7*10^(-5)K^2/Hz，在0.01Hz时可以将温度噪声从1.1*10^(-8) K^2/Hz抑制到6.6*10^(-11) K^2/Hz。

通过热流补偿的加热器2针对长周期的热流进行热流补偿，使流入卫星高精度载荷的外界热流与补偿热流之和保持恒定，使波动的外热流变成恒定值，从而从源头上抑制温度噪声，如图3所示。隔热材料具有降低输入热通量的效果，减少热补偿量，节约能源，高热容材料可以降低高频段热噪声。同时为主动控制提供时间延迟。通过主被动控制结合用于抑制低频段热噪声，高频段噪声采用被动控制为主的方法，实现0.1mHz~1Hz的宽频域温度噪声抑制。温度噪声控制结果如图13所示，采用当前方法和材料可以将0.1mHz及以上频率段的温度噪声控制在10^(-5) K/Hz^(1/2)以下。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于，隔热材料层4的材料具体为泡沫隔热材料，热导率为0.035W/(m·K)；高热容材料层5的材料具体为高体积热容相变储能材料十五烷，比热容为1900J/(kg·K)。温度噪声控制结果如图14所示，采用当前方法和材料可以将0.1mHz及以上频率段的温度噪声控制在10^(-5) K/Hz^(1/2)以下。

实施例3：

实施例3与实施例1的区别在于，隔热材料层4的材料具体为聚酯镀铝薄膜多层隔热材料，所述聚酯镀铝薄膜多层隔热材料反射屏是双面镀铝的聚酯薄膜，间隔物为涤纶网，热导率为0.006W/(m·K)；高热容材料层5的材料具体为高体积热容相变储能材料十五烷，比热容为1900J/(kg·K)。温度噪声控制结果如图15所示，采用当前方法和材料可以将0.1mHz及以上频率段的温度噪声控制在10^(-5) K/Hz^(1/2)以下。

实施例4：

空间太极计划是向距地球5000万公里轨道上发射三颗卫星，围绕太阳组成等边三角形引力波探测星组。太极卫星执行任务期间需要在0.1mHz~1Hz范围内实现10^-6K/Hz^1/2的温度噪声控制，使用纯被动热控材料无法抑制超低频温度噪声。

本发明提出的一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，采用如图1所示的方法原理概念图，具体实施结构同实施例1，主动外热流相位补偿方法具体计算步骤如下：

（1）根据已有的在轨监测太阳输入热通量数据设定目标热通量值Q3，目标热通量值Q3为不小于1200W/m²；

（2）热通量传感器每隔时间t2采集一次外界输入热通量Q2，即Q2为工作时实际采集到的热通量数值；

（3）当热通量传感器检测到的输入热通量Q2值小于目标值Q3时，向热通量补偿加热器输出(Q3-Q2)的补偿加热控制信号；

（4）通过热流补偿加热器针对长周期的热流进行热流补偿，使流入卫星高精度载荷的外界热流与补偿热流之和保持恒定，从而达到抑制低频领域温度噪声的目的。隔热材料具有降低输入热通量的效果，减少热补偿量，节约能源，高热容材料可以降低高频段热噪声，同时为主动控制提供时间延迟。通过主被动控制结合用于抑制低频段热噪声，高频段噪声采用被动控制为主的方法，实现0.1mHz~1Hz的宽频域温度噪声抑制。

实施例5：

GRACE Follow-On是用于高精度探测地球中短波静态和中长波时变重力场的卫星，需要将0.2mHz到100mHz范围内的噪声抑制在50nm/Hz^1/2•NSF(f)，本发明提出的一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，可以抑制卫星的温度噪声，提高测量精度。

采用如图1所示的方法原理概念图，具体实施结构同实施例1，主动外热流相位补偿方法具体计算步骤如下：

（1）根据已有的在轨监测太阳输入热通量数据设定目标热通量值Q4，目标热通量值Q4为不小于800W/m²；

（2）热通量传感器每隔时间t3采集一次外界输入热通量Q2，即Q2为工作时实际采集到的热通量数值；

（3）当热通量传感器检测到的输入热通量Q2值小于目标值Q4时，向热通量补偿加热器输出(Q4-Q2)的补偿加热控制信号。

（4）通过热流补偿加热器针对长周期的热流进行热流补偿，使流入卫星高精度载荷的外界热流与补偿热流之和保持恒定，从而达到抑制低频领域温度噪声的目的，隔热材料具有降低输入热通量的效果，减少热补偿量，节约能源，高热容材料可以降低高频段热噪声，同时为主动控制提供时间延迟。通过主被动控制结合用于抑制低频段热噪声，高频段噪声采用被动控制为主的方法，实现0.2mHz~100mHz的宽频域温度噪声抑制。

本发明的有益技术效果证明如下：

由图6的原理概念图建立图7的热阻网络图，图6中包括外壳1、隔热材料4、高热容材料5、卫星高精度载荷8、外部干扰热源11。图7中R₁代表外壳1的热阻，R₄代表隔热材料4的热阻，R₅代表高热容材料5的热阻，R₈代表卫星高精度载荷8的热阻，R₁₄代表外壳1和隔热材料4的接触热阻，R₄₅代表隔热材料4和高热容材料5的接触热阻，R₅₈代表高热容材料5和卫星高精度载荷8的接触热阻，R_rad为辐射热阻，C₅代表高热容材料5的热容，C₈代表卫星高精度载荷8的热容，T₁代表外壳1的温度，T₄代表隔热材料4的温度，T₅代表高热容材料5的温度，T₅ ⁰代表高热容材料5的初始温度，T₈代表卫星高精度载荷8的温度，T₈ ⁰代表卫星高精度载荷8的初始温度，T_∞代表环境温度；由热阻网络图得到被动热控条件下的卫星高精度载荷8温度振幅谱密度A_T8(f)与频率f的关系公式如下：

公式中E、F为与被动材料参数有关的变量，当被动热控材料确定时，E、F为常数，k为常数，R_rad为辐射热阻，频率f对高精度载荷温度振幅谱密度A_T8(f)的影响如图8所示，通过定性分析得出，只依靠被动热控材料，低频领域的温度噪声无法被抑制到目标要求。

卫星高精度载荷的温度噪声功率谱密度对比图如图5所示，研究表明，在目标频段为0.1mHz到0.1Hz时探测引力波需要使核心仪器的温度噪声ASD值低于0.1mK/Hz^(1/2)，LISA探路者计划中采用聚氨酯材料抑制温度噪声，在0.1mHz时只能将温度噪声抑制在10^- ³K/Hz^1/2量级，无法实现目标频段全频段的温度噪声抑制，由于PSD值为ASD值的平方，故要求温度噪声的PSD值低于1*10^(-8)K^2/Hz，通过将现有的温度噪声抑制方案以及本发明中的热通量反补偿方案对比发现，当频率为0.0001Hz时，现有的温度噪声抑制方案无法达到既定要求，而本发明中的热通量反补偿方案在0.0001Hz时，可以使温度噪声的PSD值低于8.6*10^(-14)K^2/Hz，因此本发明通过创建超低热导率多层隔热材料阻隔和高热容材料抑制相结合、被动温度噪声抑制和主动外热流相位补偿抑制相结合的主被动复合一体的高精度温度控制技术实现了完整的0.1mHz到1Hz目标频段的温度噪声抑制。

本领域的技术人员容易理解，以上实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，隔热材料和高热容材料包括但不限于以上实施例所列举材料，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：

所述方法中低频段噪声的抑制以主动外热流相位补偿控制为主，高频段噪声的抑制以被动温度噪声控制为主，基于主动外热流相位补偿控制与被动控制复合实现宽频段温度噪声抑制；

所述低频段噪声的主动外热流相位补偿方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：所述宽频段为0.01mHz~10Hz的频率段。

3.根据权利要求1所述一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：所述方法用于测量引力场或重力场的高精度装置的宽频段温度噪声抑制。

4.根据权利要求1所述一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：所述低频段噪声的主动外热流相位补偿控制通过若干加热器和若干热通量传感器实现主动外热流相位补偿，每个热通量传感器通过导线分别与控制器和对应的加热器连接。

5.根据权利要求1所述一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：步骤（2）中，所述热通量传感器为热阻式热通量传感器或辐射式热通量传感器。

6.根据权利要求1所述一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：所述隔热材料的热导率不大于0.1W/(m·K)。

7.根据权利要求1所述一种基于主被动复合一体的宽频段温度噪声抑制方法，其特征在于：高热容材料在控制温度区间的等效比热容不低于1000J/(kg·K)。