CN116296270B - 靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航天器微推进技术领域，具体提出的一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统，其特征在于，包括：监测激光器的出光信号，获得出光信号数据；监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据；监测含能工质是否有效传送至激光路径，获得含能工质传送数据；基于所述出光信号数据、所述尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态。本申请通过在靶带式激光烧蚀微推力器内近距离、实时监测激光器出光、尾焰烧蚀情况及含能工质是否有效传送，来判断并确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态，避免了仅靠微推力器自身设置的参数或地面试验测试所产生的误差。

Description

靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及航天器微推进技术领域，尤其涉及一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统。

背景技术

随着高新技术的发展和需求的推动，体积小、功耗低、开发周期短的微纳卫星逐渐在科研、国防和商用等领域发挥着重要作用。航天微推力器广泛应用于微小卫星的姿态和轨道调节。

激光推进技术作为一种新概念航天推进技术，在理论论证、实验演示和数值模拟等方面都取得了令人瞩目的进展。激光微推力器作为一种微推进领域可选推力器技术，能够满足微纳卫星推进系统需求，具备轨道机动、轨道保持和姿态调整等空间任务的执行能力。靶带式激光烧蚀微推力器是以脉冲方式工作的微推力器，利用激光烧蚀推进剂工质带形成物质喷射，产生反作用力。激光微推力器系统集成度高、电功耗低、冲量元精准，可满足微纳卫星姿态控制和轨道机动需求。激光烧蚀微推力器作为微推进领域的一种新型推力器，对其在轨工作状态的观察手段尚不完备。因此迫切需要相关方法和技术对激光烧蚀微推力新技术在轨工作的健康状态进行监测。

当前，对激光微推力器的研究主要侧重于微推力的功能实现和性能提升方面，其在轨工作状态是否正常以及在轨推力实现情况等方面的监测和判定还未得到重视和研发。虽然激光烧蚀微推力器在轨推力大小可以基于设置参数与地面试验比对得到，或者通过卫星其他测试参数对其在轨工作状态进行定性评价，但是均存在一定的局限性和不确定性。前者是基于空中和地面环境相同条件才能成立，然而事实是地面模拟试验不可能与空中背景环境一模一样，且参数设置基于前期实验结果设置未考虑其他意外因素对推力器推力造成的影响，例如，激光器若出现损伤，在原设定参数下发射的激光能量将比预期能量下降很多，这将直接影响推力的大小，或者工质传送系统出了故障造成工质未有效传送至指定位置，也将影响推力器的推进性能。后者判断方法只能依据卫星现有数据，例如轨道数据或姿态数据有无变化对推力器的是否工作进行定性判定，一方面这种方式受相关数据精度的影响可能存在判断失误，另一方面这种方式甄别不出推力器功能部分丧失的情况。

因此，迫切需要对激光烧蚀微推力新技术在轨工作的运行及健康状态进行监测，且需避免仅靠微推力器自身设置的参数与实际运行的误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统，为解决如何对激光烧蚀微推力新技术在轨工作的运行及健康状态进行监测，且需避免仅靠微推力器自身设置的参数与实际运行的误差的问题。

为解决上述技术问题，根据一些实施例，本发明提供了一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法，包括：

监测激光器的出光信号，获得出光信号数据；

监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据；

监测含能工质是否有效传送至激光路径，获得含能工质传送数据；

基于出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态。

进一步地，监测激光器的出光信号，获得出光信号数据，包括：

将出光信号转化为电信号；

根据电信号中的电压信号，计算得到激光能量，符合如下公式：

E＝K·V，

其中，E为激光能量；V为电压信号的电压；k为电压和激光能量的正比例关系系数。

进一步地，监测激光器的出光信号，获得出光信号数据，还包括：

在预设采样率下采集出光信号，并根据出光信号确定激光器的出光信号频率；预设采样率大于或等于激光的脉宽的倒数。

进一步地，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态，包括：

基于出光信号频率f，确定第一预设时间内激光烧蚀微推力器产生的总冲，符合公式：

I＝F₀·f·t，

其中，I为总冲；t为第一预设时间；F₀为激光单次脉冲的推力值；

基于总冲，确定靶带式激光烧蚀微推力器的平均推力值，符合公式：

其中，为平均推力值。

进一步地，监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据，包括：

在第二预设时间间隔下多次拍摄尾焰，获得多个尾焰片段；单次拍摄时间为200ms，像素大小大于或等于200万，拍摄距离为3-5cm；

合成多个尾焰片段，得到尾焰图片数据。

进一步地，监测含能工质是否有效传送至激光路径，包括：

监测靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮，得到靶带传送齿轮的转动频率；

基于激光扫描速度、靶带宽度、每一行靶带上含能工质的消耗时间和转动频率，确定含能工质是否有效传送至激光路径。

进一步地，监测靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮，包括：

利用光束照射靶带传送齿轮的侧面，并根据光束被齿牙遮挡的频率和齿牙数量确定转动频率；或，

利用光束照射靶带传送齿轮的侧面，并根据光束被靶带传送齿轮的减重孔遮挡的频率和减重孔数量确定转动频率。

进一步地，基于出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态之前，包括：

将出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据通过星务发送至地面系统；

将接收到的出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据转化成可读数据；

将可读数据做可视化处理。

本申请的另一方面提出了一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测系统，采用上述任一技术方案中的靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法对靶带式激光烧蚀微推力器进行监测。

进一步地，监测系统集成后的平面尺寸小于或等于8cm×8cm，厚度小于1cm，总功耗小于或等于1W，嵌入安装至激光烧蚀微推力器内部。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益的技术效果：

本申请通过在靶带式激光烧蚀微推力器内近距离、实时监测激光器出光、尾焰烧蚀情况及含能工质是否有效传送，来判断并确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态，避免了仅靠微推力器自身设置的参数或地面试验测试所产生的误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例中靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法工作流程示意图。

图2是本申请一个实施例中靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测系统关系图。

图3本申请一个实施例中激光器出光信号监测模块功能实现电路图。

图4本申请一个实施例中激光器未工作和开始工作采集的激光信号。

图5本申请一个实施例中单次捕获的烧蚀尾焰片段图像。

图6本申请一个实施例中靶带传送齿轮结构和转动监测原理图。

图7本申请一个实施例中传送齿轮转动监测模块功能实现电路图。

图8本申请一个实施例中传送齿轮未工作和开始工作采集的转动信号。

图9本申请又一个实施例中在轨监测系统工作流程图。

图10本申请一个实施例中监测数据回传流程图。

图11本申请一个实施例中监测数据解析模块分析示意图。

图12本申请一个实施例中推力器在某种工况时激光器的出光信号。

图13本申请一个实施例中推力器在某种工况时靶带传送齿轮的转动信号。

图14本申请一个实施例中多个尾焰片段合成的完整尾焰图像。

附图标记为：

1、孔位置；2、非孔位置。

具体实施方式

目前，现有技术中如何对激光烧蚀微推力新技术在轨工作的运行及健康状态进行实时监测的问题。

为解决上述问题，如图1所示，本申请一实施例提供了一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法，包括：监测激光器的出光信号，获得出光信号数据；监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据；监测含能工质是否有效传送至激光路径，获得含能工质传送数据；基于出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态。虽然激光烧蚀微推力器在轨推力大小可以基于自身设置参数与地面试验比对得到，或者通过卫星其他测试参数对其在轨工作状态进行定性评价，但是均存在一定的局限性和不确定性。地面试验是基于空中和地面环境相同条件才能成立，然而事实是地面模拟试验很难与空中背景环境一模一样，且参数设置基于前期实验结果设置未考虑其他意外因素对微推力器推力造成的影响，例如，激光器若出现损伤，在原设定参数下发射的激光能量将比预期能量下降很多，这将直接影响推力的大小，或者含能工质传送系统出了故障造成含能工质未有效传送至指定位置，也将影响推力器的推进性能。卫星其他测试参数对其在轨工作状态进行定性评价只能依据卫星现有数据，例如轨道数据或姿态数据有无变化对推力器的是否工作进行定性判定，一方面这种方式受相关数据精度的影响可能存在判断失误，另一方面这种方式甄别不出推力器功能部分丧失的情况。本申请通过在靶带式激光烧蚀微推力器内近距离、实时监测激光器出光、尾焰烧蚀情况及含能工质是否有效传送，来判断并确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态，避免了仅靠微推力器自身设置的参数或地面试验测试所产生的误差。

在本申请的一个实施例中，监测激光器的出光信号，获得出光信号数据，包括：将出光信号转化为电信号；根据电信号中的电压信号，计算得到激光能量，符合如下公式：

E＝k

其中，E为激光能量；V为电压信号的电压；k为电压和激光能量的正比例关系系数。

在该实施例中，激光能量的监测可以采用半导体光电二极管为传感器件的光电式探测器，光信号转换为电信号后，电信号经电荷积分器件得到与输入激光脉冲能量成正比的电压信号，从而实现激光能量的探测。若探测到的电压信号为V，则对应的激光能量E为，

E＝k

其中，k为电压信号电压和激光能量的正比例关系系数，该系数由地面试验测试得到。

在本申请的一个实施例中，监测激光器的出光信号，获得出光信号数据，还包括：在预设采样率下采集出光信号，并根据出光信号确定激光器的出光信号频率；预设采样率大于或等于激光的脉宽的倒数。

在该实施例中，激光器的出光信号频率可以通过光电探测器对激光出光信号的采集测得到：脉冲激光的脉宽为d,预设采样率则设置为大于或等于1/d，以保证每个脉冲出光信号都能有效采集，并根据采集到的出光信号得到激光器的出光信号频率f。

在本申请的一个实施例中，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态，包括：基于出光信号频率，确定第一预设时间内激光烧蚀微推力器产生的总冲，符合公式：

I＝F₀·f·t，

其中，I为总冲；t为第一预设时间；F₀为激光单次脉冲的推力值；

基于总冲，确定靶带式激光烧蚀微推力器的平均推力值，符合公式：

其中，为平均推力值。

在该实施例中，激光器在工作状态下的总冲和平均推力值可以根据前述实施例获得激光能量E和出光频率信号f计算的到：其中，激光能量为E的单脉冲激光对应的推力大小为F₀，F₀由地面实验系统对本实施例中的激光能量为E的激光器进行推力测试得到。

在本申请的一个实施例中，监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据，包括：在预设时间间隔下多次拍摄尾焰，获得多个尾焰片段；单次拍摄时间为200ms，像素大小大于或等于200万，拍摄距离为3-5cm；合成多个尾焰片段，得到尾焰图片数据。

靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态时，激光烧蚀含能工质，含能工质产生等离子体的同时也会产生明亮的火焰，因此用光电相机捕捉激光烧蚀工质的烧蚀尾焰。靶带式激光烧蚀微推力器采用激光脉冲宽度一般在微秒或亚毫秒量级，其烧蚀工质的尾焰图像持续时间很短，普通相机因其质量、体积、功耗等要求难以满足在轨应用要求，因此采用微型相机通过“行扫式抓拍+多张合成”方式最终获得完整的烧蚀尾焰图像。在推力器点火工作时，设置微型相机连续抓拍，将抓拍到的多个烧蚀尾焰片段后期合成得到完整的烧蚀尾焰图像，即得到尾焰图片数据。

本申请采用微型CMOS相机组件，摄像头体积≤1cm³，优选广角摄像头(≥120°)，曝光时间采用大于或等于200ms，像素大小大于或等于200万，用于监测激光烧蚀靶带工质产生的尾焰图像。使用时将镜头固定于激光烧蚀工质附近3-5cm处，优选烧蚀尾焰成像角度，通过拍摄激光烧蚀工质尾焰现象，进一步确认激光烧蚀微推力器的工作状态。

进一步地，监测含能工质是否有效传送至激光路径，包括：监测靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮，得到靶带传送齿轮的转动频率；基于激光扫描速度、靶带宽度、每一行靶带上含能工质的消耗时间和转动频率，确定含能工质是否有效传送至激光路径。进一步地，监测靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮，包括：利用光束照射靶带传送齿轮的侧面，并根据光束被齿牙遮挡的频率和齿牙数量确定转动频率；或，利用光束照射靶带传送齿轮的侧面，并根据光束被靶带传送齿轮的减重孔遮挡的频率和减重孔数量确定转动频率。

在该实施例中，含能工质是否有效传送至激光路径，通常是指含能工质是否有效传送至激光的出光口处。靶带传送齿轮转动情况表明靶带上含能工质的传送情况，其能否到达激光出光口并被烧蚀是推力实现的关键，因此传送系统中靶带传送齿轮的转动频率需要和激光的扫描速度和靶带宽度相匹配，以保证每个脉冲激光均可以入射到未烧蚀的工质上。若激光的扫描速度为v，靶带宽度为D，则需一行含能工质带的消耗时间D/v小于靶带传送齿轮转动间隔时间(频率f₀的倒数)，以保证激光扫描一行后靶带及其上的含能工质可有效更新，靶带更新后再进行下一行激光入射扫描。激光扫描速度v通过激光微推力器设置参数获得，靶带宽度D由推力器设计参数获得。

监测靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮的转动情况可以由红外发射器和红外接收器集成的无接触式对射光电传感器组件完成。对射光电传感器光信号穿透齿轮的上下表面，齿轮转动时对射光电传感器按照一定频率采集信号，靶带传送齿轮转动时会交替出现“0”(无遮挡)或“1”(有遮挡)状态，对应的对射光电信号也交替出现“0”或“1”状态。在微推力器工作时，实时监测靶带传送系统中靶带传送齿轮的转动情况，根据监测数据推算出传送齿轮的转动频率，进一步判断靶带工质是否有效到达预先设定的激光入射位置。

进一步地，基于出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态之前，包括：

将出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据通过星务发送至地面系统；

将接收到的出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据转化成可读数据；

将可读数据做可视化处理。

本申请的另一方面提出了一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测系统，嵌入安装至激光烧蚀微推力器内部，激光出光信号探头、齿轮转动信号探头及相机探头分别安装至激光器出光口、齿轮及工质被激光烧蚀处附近，采用上述任一技术方案中的靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法对靶带式激光烧蚀微推力器进行监测。进一步地，监测系统集成后的平面尺寸小于或等于8cm×8cm，厚度小于1cm，总功耗小于或等于1W。

在该实施例中，如图2所示，靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测系统包括激光器出光信号监测模块、工质传送系统工作状态监测模块、激光烧蚀工质尾焰监测模块、CAN总线收发模块、数据存储模块、驱动控制模块以及数据解析模块。

激光器出光信号监测模块用于监测激光器的出光信号，获得出光信号数据。激光作为一种特殊光源可以通过光电探测器来探测其发光情况。系统采用光纤型光电探测器，使用时将探测器感光面固定在激光出光口的一侧。探测器可监测350-1100nm谱段的发光，光电探测器功能实现电路如图3所示，LSSPD_1.2为光电传感器，产生的光电流通过运算放大器进行放大后在电路中输出电压信号。图4为激光器未工作和开始工作后监测系统采集的激光信号，激光器开始出光后监测系统采集到有效激光出光信号。

激光烧蚀工质尾焰监测模块用于监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据。图5为单次捕获的烧蚀尾焰片段图像。

工质传送系统工作状态监测模块用于监测含能工质是否有效传送至激光路径，获得含能工质传送数据。

靶带式激光烧蚀微推力器的工质靶带传送一般通过齿轮的转动实现，齿轮的转动快慢表示靶带工质的传送情况。图6为工质传送系统中靶带传送齿轮的结构图和靶带传送齿轮转动监测原理图。靶带传送齿轮转动时齿轮会交替出现“孔”(孔位置1)或者“非孔”(非孔位置2)状态，因此可以通过监测此类位置的两种状态变化判定靶带传送齿轮是否正常转动。对该类位置的监测采用由红外发射器和红外接收器集成的无接触式对射光电传感器实施，其为发射器和接收器位于两边的U型槽，中间形成一个光轴，当齿轮上“非孔”位置通过U形槽产生阻挡时，光电开关状态信号发生改变。使用时将发射管和接收管分别置于靶带传送齿轮的两侧，通过监测光电开关的电信号判断该位置齿轮的状态。图7为靶带传送齿轮监测功能实现电路图，图8为靶带未传送和开始传送后监测系统采集的靶带传送齿轮转动信号，齿轮未转动时一直处于一个恒定状态不发生改变表面靶带未被传送，齿轮开始转动后对应出现“0”、“1”两种状态表明靶带开始传送。

CAN总线收发模块用于将出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据通过星务发送至地面系统；

CAN总线能够保证天地通讯的及时性，抗电磁干扰性强，功耗低，用于星载设备之间的数据传输，实现数据交换和控制命令的传达。采用CAN串行通讯总线实现在轨指令的收发和监测数据(包括出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据)的回传。通讯指令类型包括握手指令、控制指令和数据回传指令三大类。

(1)握手指令。用于验证通讯是否正常，握手指令发送后，CAN总线收发模块返回握手次数和监测系统当前工作状态，工作状态包括：空闲状态、采集数据状态、抓拍图片状态、同时采集数据和抓拍图片状态。

(2)控制指令。包括开机指令、同步日期和时间指令、数据采集指令、图片抓拍指令、系统复位指令、清空内存指令及关机指令等。开机指令，用于任务开始前控制监测系统开机；同步日期和时间指令，用于对监测系统同步当前日期和时间；数据采集指令，用于控制监测系统的激光器出光监测模块和靶带传送齿轮转动监测模块进行数据采集，采集时间通过指令设定可控；图片抓拍指令，用于控制监测系统的激光烧蚀尾焰监测模块进行图像抓拍，单次抓拍张数通过指令设定可控；监测系统复位指令，用于监测系统的初始化操作，用于监测系统在外界干扰或特殊情况时陷入死机状况的应急处理；清空内存指令，用于监测系统的数据存储模块中数据的清除；关机指令，用于任务结束后控制监测系统关机。

(3)数据回传指令。包括监测数据分包处理指令和读取单包数据指令，用于对存储的监测数据、图片数据及生成的日志数据分包和回读。分包指令是将存储的数据文件按120字节分包处理；读取单包数据指令是将各分包数据回读至地面。

监测系统与星务之间的实时通讯功能采用CAN总线实现。监测系统工作流程如图9所示。监测系统开机后先通过握手指令获取系统的工作状态，若系统工作状态异常则需要发送复位指令对系统初始化操作，若系统处于空闲状态则可以进行下一步操作。首先，对系统进行同步日期和时间操作，以保证后续获取的监测数据和图片可生成有效的日志信息。然后，驱动激光器出光信号监测模块、工质传送系统工作状态监测模块进行数据采集，进一步的，驱动激光烧蚀工质尾焰监测模块进行图片抓拍，并将监测数据和抓拍图片存储至内存。数据采集和图片抓拍结束后再次进行状态查询，若系统仍处于工作中则需等待其工作完成，完成后监测过程结束；若返回异常可先查询数据，若存储模块中无数据生成则需复位系统重新开始测试，若有数据生成则可暂时结束监测过程，待数据回传后进行数据分析。

驱动控制模块包括：光纤光电传感器采样电路、对射光电传感器采样电路、微型摄像头采样电路、微型摄像头采样电路、CAN总线收发电、数据存储电路同步控制电路。

光纤光电传感器采样电路用于对激光信号按照一定频率采集信号。

微型摄像头采样电路用于对激光烧蚀工质的尾焰现象进行拍照。

对射光电传感器采样电路用于对靶带传送齿轮的转动按照一定频率采集信号。

CAN总线收发电路用于实现外部通讯和在轨监测指令和数据收发。

数据存储电路用于实现监测数据的存储和读取。

同步控制电路用于控制监测系统各模块的工作时序，协调整体工作。

图10所示为数据回传流程图。首先，对监测系统进行状态查询，若处于空闲状态则可以进行数据分包处理，分包完成后轮循读取分包数据，直至所有分包数据读取完毕，数据读取完毕后发送关机指令。

通过CAN回传的遥测数据为十六进制码，需要通过数据解析模块进行解码操作。图11所示为数据解析模块设计软件，使用时，将遥测数据文件通过“打开遥测数据”按钮上传至解析软件，通过“提取数据”按钮将遥测原码数据中三类监测模块相关测试数据提取出来，同时生成*.excel格式数据文件用于数据读取，再通过“数据图形化”按钮将监测数据曲线和烧蚀尾焰图片在软件界面显示。软件的“导入数据”和“导入图片”按钮可以导入已完成解析的监测数据和图片。“查询数据”可以查询生成的*.excel格式文件。遥测日志数据通过“查询日志”按钮进行解析显示。

数据解析模块用于基于出光信号数据、尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态。

图12所示为推力器在某种工况时在轨运行状态采集的激光器出光信号，可以看到光电传感器采集到规律性的激光信号，通过数据分析得到监测到的电压值V和频率f，对应的激光能量为E＝k·V。

图13为推力器在某种工况时靶带传送齿轮的转动信号，可以看到监测模块传送齿轮按一定频率转动，通过数据分析可以得到靶带传送齿轮的转动频率f₀。地面测得激光的扫描速度为v，靶带宽度为D，若一行含能工质带的消耗时间D/v小于靶带传送齿轮转动间隔时间(频率f₀的倒数)，则说明激光扫描一行靶带后靶带可有效更新，推力器可正常工作。

图14为微型CMOS相机通过行扫式抓拍的多张烧蚀尾焰片段图像经过多张合成的方式最终获得的完整的烧蚀尾焰图像。

本申请的有益效果包括但不限于：

(1)本申请所提供的靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统，可对激光微推力器的激光器部件、靶带传动部件及工质烧蚀情况等状态进行在轨监测，监测方式简单易行、程序可调，可根据测试需求调节采样频率，实用性强。

(2)本申请所提供的靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统，可根据监测的激光频率、激光能量、靶带传送齿轮的转动频率以及激光烧蚀工质尾焰图像对激光烧蚀微推力器在轨工作状态进行判定和在轨推力大小进行计算，解决了微推力器在轨推力难以监测技术难题，具有重要的应用价值。

(3)本申请所提供的靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法及系统，集成后监测系统体积≤8cm×8cm×1cm，各监测模块采用传感器小巧灵活，可根据激光微推力器结构灵活嵌入，且系统功耗低(约1W)，不会给激光烧蚀微推力器系统造成较大的功耗负担。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (5)

1.一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法，其特征在于，包括：

监测激光器的出光信号，获得出光信号数据；

监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据；

监测含能工质是否有效传送至激光路径，获得含能工质传送数据；

基于所述出光信号数据、所述尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态；

所述监测激光器的出光信号，获得出光信号数据，包括：

将所述出光信号转化为电信号；

根据所述电信号中的电压信号，计算得到激光能量，符合如下公式：

E＝k·V，

其中，E为所述激光能量；V为所述电压信号的电压；k为电压和激光能量的正比例关系系数；

所述监测激光器的出光信号，获得出光信号数据，还包括：

在预设采样率下采集所述出光信号，并根据所述出光信号确定所述激光器的出光信号频率；所述预设采样率大于或等于激光的脉宽的倒数；

所述确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态，包括：

基于所述出光信号频率f，确定第一预设时间内激光烧蚀微推力器产生的总冲，符合公式：

I＝F₀·f·t；

其中，I为所述总冲；t为第一预设时间；F₀为所述激光单次脉冲的推力值；

基于所述总冲，确定所述靶带式激光烧蚀微推力器的平均推力值，符合公式：

其中，为所述平均推力值；

所述监测激光烧蚀靶带产生的尾焰，获得尾焰图片数据，包括：

在第二预设时间间隔下多次拍摄所述尾焰，获得多个尾焰片段；单次拍摄曝光时间大于或等于200ms，像素大于或等于200万，拍摄距离为3cm-5cm；

合成所述多个尾焰片段，得到所述尾焰图片数据；

所述监测含能工质是否有效传送至激光路径，包括：

监测所述靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮，得到所述靶带传送齿轮的转动频率；

基于激光扫描速度、靶带宽度、每一行靶带上含能工质的消耗时间和所述转动频率，确定所述含能工质是否有效传送至激光路径。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述监测所述靶带式激光烧蚀微推力器的靶带传送齿轮，包括：

利用光束照射所述靶带传送齿轮的侧面，并根据所述光束被齿牙遮挡的频率和齿牙数量确定所述转动频率；或，

利用光束照射所述靶带传送齿轮的侧面，并根据所述光束被靶带传送齿轮的减重孔遮挡的频率和减重孔数量确定所述转动频率。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述基于所述出光信号数据、所述尾焰图片数据和含能工质传送数据，确定靶带式激光烧蚀微推力器的工作状态之前，包括：

将所述出光信号数据、所述尾焰图片数据和所述含能工质传送数据通过星务发送至地面系统；

将接收到的所述出光信号数据、所述尾焰图片数据和所述含能工质传送数据转化成可读数据；

将所述可读数据做可视化处理。

4.一种靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测系统，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的靶带式激光烧蚀微推力器在轨工作状态监测方法对所述靶带式激光烧蚀微推力器进行监测。

5.根据权利要求4所述的监测系统，其特征在于，监测系统集成后的平面尺寸小于或等于8cm×8cm，厚度小于1cm，总功耗小于或等于1W，嵌入安装至激光烧蚀微推力器内部。