CN117425260B - 等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法;属于光谱诊断测试技术领域,首先,将根光纤通过升降光学支架沿轴向排列,以测量等离子体推进器羽流区数据;再将光纤连接光谱仪测量氙离子的一价态谱线,反演还原出光纤其各自位置的氙原子谱线强度;根据反演出的光纤的氙原子谱线强度;计算得出羽流中激发态离子速度分布情况;本发明利用光谱测量可以直观准确的反应等离子体推进器羽流区域内的实际离子速度分布函数,准确测量离子速度。
Description
技术领域
本发明属于光谱诊断测试技术领域,具体地,涉及等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法。
背景技术
近年来,航天等离子体推力器被广泛的用于卫星的动力装置,从而在卫星组网通讯、深空探测和引力波探测中发挥着至关重要的作用。等离子体推力器的性能直接制约卫星的性能和寿命。
地面对等离子体推力器进行全面测试是保障推力器在轨健康运行的重要方式。其中离子速度是衡量等离子体推力器比冲和推力的重要指标。常见的离子速度测量的方法有探针法,但此种测量方式无法获得多价离子各自的离子速度,而高价离子速度却影响推力和比冲的准确性。
光谱诊断作为一种非接触式的测量方式,避免了参数诊断过程中对等离子体流场的干扰,可以更准确的测量离子的速度分布情况。
发明内容
本发明基于光谱诊断方法,通过氙离子在不同位置的一价态光谱的变化特征,反演出对应的等离子体中离子的速度分布情况;提出了等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法,以同时获得等离子体推进器羽流各价态离子速度分布情况,能够提高推力器性能参数评估的准确性、可靠性高。
本发明通过以下技术方案实现:
等离子体推进器羽流中激发态离子速度分布的飞行光谱检测方法:
所述方法具体包括以下步骤:
步骤1,将5根光纤100通过升降光学支架200沿等离子体推进器400羽流区的中心轴向等间隔排列,以测量等离子体推进器400羽流区数据;
步骤2,将光谱仪300设置为双重图像功能,将步骤1的5根光纤100整合为1根光纤并连接光谱仪300,通过光谱仪300测量氙离子的一价态谱线;
步骤3,根据光谱仪300检测到的氙离子的一价态谱线,反演还原出光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;
步骤4,根据反演出的光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;计算得出羽流中激发态离子速度分布情况。
进一步地,在步骤1中,
将光纤100对准羽流区域,确保光纤的接收端位于羽流中,用于将等离子体推进器羽流区域中的光导入至光纤100;升降光学支架200沿着测试方向通过螺栓固定在光学平台上,每两个光纤100间的距离相同。
进一步地,在步骤2中,
将光谱仪300设置为双重图像功能后,分别测量氙离子一价态谱线在以及/>时刻在光纤100的5个不同位置处的谱线强度:
在光纤100位置1处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(1)
(2)
其中,为/>以及/>时刻光纤100位置1处电子密度,/>为为/>以及/>时刻光纤100位置1处中性气体密度,/>为激发速率,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子一价态谱线强度,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子一价态谱线强度,/>为光谱仪300两次快速成像的时间间隔,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子速度,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子密度,/>为/>时刻光纤100位置1处/>时间内离子运动距离;
在光纤100位置2处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(3)
(4)
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进一步地,在光纤100位置3处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(5)
(6)
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在光纤100位置4处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
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在光纤100位置5处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(9)
(10)
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进一步地,在步骤3中,
步骤3.1,对光谱仪300检测到的氙离子一价态谱线进行识别和分类,确定具体的谱线特征;
步骤3.2,根据谱线数据库,将光谱仪300检测到的氙离子一价态谱线与谱线数据库中的谱线进行对比,获取数据库中氙原子的谱线的特征参数;
步骤3.3,使用数据库中氙原子的谱线特征和光谱仪300的实测氙离子一价态谱线数据进行反演,推导出光纤100位置1-5各自对应位置处的氙原子谱线强度。
进一步地,在步骤4中,
利用通量守恒关系求得离子密度和速度之间的关系:
(11)
(12)
(13)
(14)
其中为光纤100位置1处离子通量面的面积,/>为光纤100位置2处离子通量面的面积,/>为光纤100位置3处离子通量面的面积,/>为光纤100位置4处离子通量面的面积,为光纤100位置5处离子通量面的面积;
联立公式(1)至(14),并结合归一化条件,求出离子在光纤100对应的5个不同位置的速度,/>,/>,/>,/>:
(15)
(16)
(17)
(18)
等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测装置:
所述光谱监测装置包括:光纤100、升降光学支架200、光谱仪300和离子推进器400;
将5根光纤100通过升降光学支架200沿等离子体推进器400羽流区的中心轴向等间隔排列,以测量等离子体推进器400羽流区数据;
将光谱仪300设置为双重图像功能,将步骤1的5根光纤100整合为1根光纤并连接光谱仪300,通过光谱仪300测量氙离子的一价态谱线;并反演还原出光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;
根据反演出的光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;计算得出羽流中激发态离子速度分布情况。
一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本发明有益效果
光谱诊断作为一种非接触式的测量方式,避免了参数诊断过程中对等离子体流场的干扰,可以更准确的测量离子的速度分布情况,本发明基于光谱诊断方法,通过氙离子在不同位置的一价态光谱的变化特征,反演出对应的等离子体中离子的速度分布情况;
本发明避免探针测量与等离子体的直接接触而引起的离子速度分布函数的改变,从而导致的测量数据与实际工作状态的偏离;利用光谱测量可以直观准确的反应等离子体推进器羽流区域内的实际离子速度分布函数,准确测量离子速度。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种等离子体推进器羽流中激发态离子速度分布的飞行光谱监测方法的实验装置的结构示意图;
图2为实施例提供的一种等离子体推进器羽流中激发态离子速度分布的飞行光谱监测方法的数据分析流程示意图;
其中100为光纤;200为升降光学支架;300为光谱仪;400为等离子体推进器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
结合图1和图2;
等离子体推进器羽流中激发态离子速度分布的飞行光谱检测方法:
所述方法具体包括以下步骤:
将光谱仪300设置为DIF运行模式双重图像功能,利用双重图像功能测量光纤100检测到的光谱信号;
使用PI-MAX4的interline CCD,在Readout界面将Mode选择为DIF
在Common acquisition setting中设置需要保存的帧数,其数值必须是2的倍数
在Trigger界面,将trigger response设置为“readout per trigger”,source设置为“internal”,完成触发设置。
步骤1,将5根光纤100通过升降光学支架200沿等离子体推进器400羽流区的中心轴向等间隔排列,以测量等离子体推进器400羽流区数据;
将光纤100对准羽流区域,确保光纤的接收端位于羽流中,用于将等离子体推进器羽流区域中的光导入至光纤100;升降光学支架200沿着测试方向通过螺栓固定在光学平台上,每两个光纤100间的距离相同为0.5-1cm 。
步骤2,将光谱仪300设置为双重图像功能,将步骤1的5根光纤100整合为1根光纤并连接光谱仪300,通过光谱仪300测量氙离子的一价态谱线;
将光谱仪300设置为双重图像功能后,分别测量氙离子一价态谱线在以及/>时刻在光纤100的5个不同位置处的谱线强度:
在光纤100位置1处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;用于评估等离子体推进器羽流的辐射强度,提供相关的参考数据和量化指标;
通过计算每秒每立方厘米产生的光子数量,可以评估等离子体羽流中辐射的强度,有助于解等离子体推进器在实际应用中产生的辐射水平以及其对周围环境的影响。
通过量化光子数量,可以帮助研究人员和工程师评估不同设计参数和操作条件对辐射强度的影响。这有助于优化等离子体推进器的设计和性能,
(1)
(2)
其中,为/>以及/>时刻光纤100位置1处电子密度,/>为为/>以及/>时刻光纤100位置1处中性气体密度,/>为激发速率,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子一价态谱线强度,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子一价态谱线强度,/>为光谱仪300两次快速成像的时间间隔,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子速度,/>为/>时刻光纤100位置1处氙离子密度,/>为/>时刻光纤100位置1处/>时间内离子运动距离;
在光纤100位置2处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(3)
(4)
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在光纤100位置3处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(5)
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在光纤100位置4处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(7)
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在光纤100位置5处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
(9)
(10)
其中,为/>以及/>时刻光纤100位置5处电子密度,/>为为/>以及/>时刻光纤100位置5处中性气体密度,/>为/>时刻光纤100位置5处氙离子一价态谱线强度,/>为/>时刻光纤100位置5处氙离子一价态谱线强度,/>为/>时刻光纤100位置5处氙离子速度,/>为/>时刻光纤100位置5处氙离子密度,/>为/>时刻光纤100位置5处/>时间内离子运动距离。
步骤3,根据光谱仪300检测到的氙离子的一价态谱线,反演还原出光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;
步骤3.1,对光谱仪300检测到的氙离子一价态谱线进行识别和分类,确定具体的谱线特征;
步骤3.2,根据谱线数据库,将光谱仪300检测到的氙离子一价态谱线与谱线数据库中的谱线进行对比,获取数据库中氙原子的谱线的特征参数;
步骤3.3,使用数据库中氙原子的谱线特征和光谱仪300的实测氙离子一价态谱线数据进行反演,如最小二乘法或Bayesian推断等,推导出光纤100位置1-5各自对应位置处的氙原子谱线强度;
步骤4,根据反演出的光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;计算得出羽流中激发态离子速度分布情况。
反演算法:使用已知的氙原子谱线特征和实测谱线数据进行反演。这可以采用反演算法,如最小二乘法或Bayesian推断等,将实测谱线与谱线数据库中的谱线进行匹配,以得出光纤对应位置处的氙原子谱线强度。
利用通量守恒关系求得离子密度和速度之间的关系:根据通量守恒原理,可以将离子通量即单位时间内通过单位面积的离子数与离子密度和速度之间的关系联系起来;
(11)
(12)
(13)
(14)
其中为光纤100位置1处离子通量面的面积,/>为光纤100位置2处离子通量面的面积,/>为光纤100位置3处离子通量面的面积,/>为光纤100位置4处离子通量面的面积,为光纤100位置5处离子通量面的面积;
联立公式(1)至(14),并结合归一化条件,求出离子在光纤100对应的5个不同位置的速度,/>,/>,/>,/>:
(15)
(16)
(17)
(18)
等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测装置:
所述光谱监测装置包括:光纤100、升降光学支架200、光谱仪300和离子推进器400;
将5根光纤100通过升降光学支架200沿等离子体推进器400羽流区的中心轴向等间隔排列,以测量等离子体推进器400羽流区数据;
将光谱仪300设置为双重图像功能,将步骤1的5根光纤100整合为1根光纤并连接光谱仪300,通过光谱仪300测量氙离子的一价态谱线;并反演还原出光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;
根据反演出的光纤100在位置1-5的氙原子谱线强度;计算得出羽流中激发态离子速度分布情况。
一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器,或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中,非易失性存储器可以是只读存储器read only memory,ROM、可编程只读存储器programmable ROM,PROM、可擦除可编程只读存储器erasablePROM,EPROM、电可擦除可编程只读存储器electrically EPROM,EEPROM或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器random access memory,RAM,其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明,许多形式的RAM 可用,例如静态随机存取存储器static RAM,SRAM、动态随机存取存储器dynamic RAM,DRAM、同步动态随机存取存储器synchronous DRAM,SDRAM、双倍数据速率同步动态随机存取存储器double data rate SDRAM,DDR SDRAM、增强型同步动态随机存取存储器enhanced SDRAM,ESDRAM、同步连接动态随机存取存储器synchlink DRAM,SLDRAM和直接内存总线随机存取存储器direct rambus RAM,DR RAM。应注意,本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中,可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时,可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时,全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中,或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输,例如,所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线例如同轴电缆、光纤、数字用户线digital subscriber line,DSL或无线例如红外、无线、微波等方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质例如,软盘、硬盘、磁带、光介质例如,高密度数字视频光盘digital video disc,DVD、或者半导体介质例如,固态硬盘solid state disc,SSD等。
在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成,或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复,这里不再详细描述。
应注意,本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片,具有信号处理能力。在实现过程中,上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成,或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的等离子体推进器羽流激发态离子速度分布的光谱监测方法,进行了详细介绍,对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (4)
1.等离子体推进器羽流中激发态离子速度分布的光谱监测方法,其特征在于:
所述方法具体包括以下步骤:
步骤1,将5根光纤(100)通过升降光学支架(200)沿等离子体推进器(400)羽流区的中心轴向等间隔排列,以测量等离子体推进器(400)羽流区数据;
步骤2,将光谱仪(300)设置为双重图像功能,将步骤1的5根光纤(100)整合为1根光纤并连接光谱仪(300),通过光谱仪(300)测量氙离子的一价态谱线;
在步骤2中,
将光谱仪(300)设置为双重图像功能后,分别测量氙离子一价态谱线在t1以及t1+Δt时刻在光纤(100)的5个不同位置处的谱线强度:
在光纤(100)位置1处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
ne1ng1Q1(Te)=I1t1 (1)
ne1ng1Q1(Te)-υi1ni1/l1=I2(t1+Δt) (2)
其中,ne1为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置1处电子密度,ng1为为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置1处中性气体密度,Q1为激发速率,I1为t1时刻光纤(100)位置1处氙离子一价态谱线强度,I2为t1+Δt时刻光纤(100)位置1处氙离子一价态谱线强度,Δt=450ns为光谱仪(300)两次快速成像的时间间隔,υi1为t1时刻光纤(100)位置1处氙离子速度,ni1为t1时刻光纤(100)位置1处氙离子密度,l1为t1时刻光纤(100)位置1处Δt时间内离子运动距离;
在光纤(100)位置2处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
ne2ng2Q1(Te)=I3t1 (3)
ne2ng2Q1(Te)-υi2ni2/l2=I4(t1+Δt) (4)
其中,ne2为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置2处电子密度,ng2为为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置2处中性气体密度,I3为t1时刻光纤(100)位置2处氙离子一价态谱线强度,I4为t1+Δt时刻光纤(100)位置2处氙离子一价态谱线强度,υi2为t1时刻光纤(100)位置2处氙离子速度,ni2为t1时刻光纤(100)位置2处氙离子密度,l2为t1时刻光纤(100)位置2处Δt时间内离子运动距离;
在光纤(100)位置3处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
ne3ng3Q1(Te)=I5t1 (5)
ne3ng3Q1(Te)-υi3ni3/l3=I5(t1+Δt) (6)
其中,ne3为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置3处电子密度,ng3为为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置3处中性气体密度,I5为t1时刻光纤(100)位置3处氙离子一价态谱线强度,I6为t1+Δt时刻光纤(100)位置3处氙离子一价态谱线强度,υi3为t1时刻光纤(100)位置3处氙离子速度,ni3为t1时刻光纤(100)位置3处氙离子密度,l3为t1时刻光纤(100)位置3处Δt时间内离子运动距离;
在光纤(100)位置4处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
ne4ng4Q1(Te)=I7t1 (7)
ne4ng4Q1(Te)-υi4ni4/l4=I8(t1+Δt) (8)
其中,其中ne4为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置4处电子密度,ng4为为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置4处中性气体密度,I7为t1时刻光纤(100)位置4处氙离子一价态谱线强度,I8为t1+Δt时刻光纤(100)位置4处氙离子一价态谱线强度,υi4为t1时刻光纤(100)位置4处氙离子速度,ni4为t1时刻光纤(100)位置4处氙离子密度,l4为t1时刻光纤(100)位置4处Δt时间内离子运动距离;
在光纤(100)位置5处分别计算两次快速成像时间尺度内每秒每立方厘米产生的光子数量;
ne5ng5Q1(Te)=I9t1 (9)
ne5ng5Q1(Te)-υi5ni5/l5=I10(t1+Δt) (10)
其中,ne5为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置5处电子密度,ng5为为t1以及t1+Δt时刻光纤(100)位置5处中性气体密度,I9为t1时刻光纤(100)位置5处氙离子一价态谱线强度,I10为t1+Δt时刻光纤(100)位置5处氙离子一价态谱线强度,υi5为t1时刻光纤(100)位置5处氙离子速度,ni5为t1时刻光纤(100)位置5处氙离子密度,l5为t1时刻光纤(100)位置5处Δt时间内离子运动距离;
步骤3,根据光谱仪(300)检测到的氙离子的一价态谱线,反演还原出光纤(100)在位置1-5的氙原子谱线强度;
在步骤3中,
步骤3.1,对光谱仪(300)检测到的氙离子一价态谱线进行识别和分类,确定具体的谱线特征;
步骤3.2,根据谱线数据库,将光谱仪(300)检测到的氙离子一价态谱线与谱线数据库中的谱线进行对比,获取数据库中氙原子的谱线的特征参数;
步骤3.3,使用数据库中氙原子的谱线特征和光谱仪(300)的实测氙离子一价态谱线数据进行反演,推导出光纤(100)位置1-5各自对应位置处的氙原子谱线强度;
步骤4,根据反演出的光纤(100)在位置1-5的氙原子谱线强度;计算得出羽流中激发态离子速度分布情况;
在步骤4中,
利用通量守恒关系求得离子密度和速度之间的关系:
ni1υi1S1=ni2υi2S2 (11)
ni2υi2S2=ni3υi3S3 (12)
ni3υi3S3=ni4υi4S4 (13)
ni4υi4S4=ni5υi5S5 (14)
其中S1为光纤(100)位置1处离子通量面的面积,S2为光纤(100)位置2处离子通量面的面积,S3为光纤(100)位置3处离子通量面的面积,S4为光纤(100)位置4处离子通量面的面积,S5为光纤(100)位置5处离子通量面的面积;
联立公式(1)至(14),并结合归一化条件,求出离子在光纤(100)对应的5个不同位置的速度υi1,υi2,υi3,υi4,υi5:
2.根据权利要求1所述方法,其特征在于:在步骤1中,
在羽流区域设置位置1-5,将5根光纤(100)一一对应放置,并使光纤(100)对准羽流区域,确保光纤的接收端位于羽流中,用于将等离子体推进器羽流区域中的光导入至光纤(100);升降光学支架200沿着测试方向通过螺栓固定在光学平台上,每两个光纤(100)间的距离相同。
3.一种电子设备,包括存储器和处理器,所述存储器存储有计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-2中任意一项所述方法的步骤。
4.一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,其特征在于,所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-2中任意一项所述方法的步骤。
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