一種基于熱致超聲的激光打擊告警系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光告警的傳感器領(lǐng)域，特別是涉及一種基于熱致超聲的激光打擊告警系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著激光武器，特別是激光反衛(wèi)星武器技術(shù)的顯著發(fā)展，在軌衛(wèi)星面臨的激光威脅持續(xù)上升。為保護(hù)空間資產(chǎn)，有必要開展星載激光告警系統(tǒng)的技術(shù)研宄。
[0003]激光打擊告警系統(tǒng)是一種特殊的傳感器，它是用于感知、測(cè)量、識(shí)別敵方激光武器輻射的光電設(shè)備，同時(shí)要求數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行快速的分析與處理，判斷是否有激光武器的襲擊，將告警信號(hào)發(fā)送給衛(wèi)星及遙感器的防護(hù)體系，并下傳地面控制中心。傳統(tǒng)星載激光告警系統(tǒng)包括光學(xué)接收部分、光電傳感器、信號(hào)判別處理、地面通信等。其中，光學(xué)接收部分用于接收激光信號(hào)，限定探測(cè)空間；光電傳感器可以保證有效告警并降低系統(tǒng)組成的體積、重量；信號(hào)處理系統(tǒng)完成信號(hào)識(shí)別、信號(hào)接口處理等功能；地面通信系統(tǒng)為衛(wèi)星有效載荷之共用系統(tǒng)，激光告警系統(tǒng)具備與其通信的接口。星載激光告警系統(tǒng)按探測(cè)工作原理主要有光譜識(shí)別型和成像型。光譜識(shí)別型通過探測(cè)裝置探測(cè)到某個(gè)波長的激光能量，從而判斷可能存在的激光威脅，該系統(tǒng)可探測(cè)多個(gè)波長的激光，但是不能精確定位來襲方向；成像型通過紅外電荷耦合器件(CCD)或位置傳感探測(cè)器件(PSD)將來襲激光成像，可以精確定位來襲方向，但只能單波長工作。
[0004]目前，還未見實(shí)際應(yīng)用的星載威脅激光探測(cè)告警系統(tǒng)，但已有一些探索性研宄的報(bào)道。其中，典型代表是美國“衛(wèi)星威脅告警與受攻擊報(bào)告(STW/AR)”研宄計(jì)劃。國內(nèi)哈工大、中科院等單位開展了星載激光告警系統(tǒng)初步探索研宄，設(shè)計(jì)提出了幾種星載激光告警系統(tǒng)方案。
[0005]但現(xiàn)有星載激光告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案面臨諸多難題:如探測(cè)視場(chǎng)與定位精度、探測(cè)率與虛警率的需求相互矛盾難以兼顧；光學(xué)裝置具有探測(cè)視場(chǎng)受限，探測(cè)率低，虛警率高等顯著不足，以及告警系統(tǒng)體積、重量、功耗相對(duì)較高等。這些技術(shù)難題給星載激光告警系統(tǒng)發(fā)展造成了巨大障礙。目前現(xiàn)有技術(shù)中尚未有一種簡便高效的星載激光打擊告警系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為:提供一種基于熱致超聲原理的新型星載激光告警系統(tǒng)，無需光學(xué)探測(cè)器，不受探測(cè)視場(chǎng)限制，系統(tǒng)復(fù)雜性和重量較低。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于熱致超聲的激光打擊告警系統(tǒng)，包括:壓電換能器，布置在載體結(jié)構(gòu)的表面，用于探測(cè)激光打擊在載體內(nèi)激發(fā)的超聲波振動(dòng)，并將超聲波振動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，與壓電換能器電連接，接收來自壓電換能器的電信號(hào)，并對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理和判別之后發(fā)出系統(tǒng)指令；告警系統(tǒng)，與信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)電連接，執(zhí)行來自信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)指令。
[0008]進(jìn)一步地，還包括:信號(hào)放大器和濾波器，電連接壓電換能器和信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將從壓電換能器接收到的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大并將主頻外的干擾噪聲濾除之后再發(fā)送給信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0009]進(jìn)一步地，還包括:A/D轉(zhuǎn)換電路，電連接信號(hào)放大器和濾波器，將從信號(hào)放大器和濾波器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再通過數(shù)據(jù)總線送至信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。。
[0010]進(jìn)一步地，信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括信號(hào)采集部分和數(shù)字信號(hào)處理部分，信號(hào)采集部分采集數(shù)據(jù)總線中的數(shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)處理部分進(jìn)行信號(hào)采集部分采集的數(shù)據(jù)的處理和判別，并發(fā)出系統(tǒng)指令。。
[0011]進(jìn)一步地，還包括:波形信號(hào)處理與特征判讀系統(tǒng)，從信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)讀出超聲波振動(dòng)信息的回波信號(hào)，進(jìn)行回波信號(hào)的分析和判讀。
[0012]進(jìn)一步地，波形信號(hào)處理與特征判讀系統(tǒng)包括:示波器，采集回波信號(hào)。
[0013]進(jìn)一步地，波形信號(hào)處理與特征判讀系統(tǒng)包括:波形信號(hào)分析儀，從示波器讀取回波信號(hào)，進(jìn)行回波信號(hào)的分析和判讀。
[0014]進(jìn)一步地，包括:星載分析計(jì)算機(jī)，連接波形信號(hào)處理與特征判讀系統(tǒng)，接收波形信號(hào)分析儀的分析結(jié)果，進(jìn)行打擊位置目標(biāo)的反演與定位。
[0015]進(jìn)一步地，還包括:波形信號(hào)數(shù)據(jù)庫，儲(chǔ)存地面試驗(yàn)建立的多類型激光源與衛(wèi)星本體材料作用產(chǎn)生的波形信號(hào)，將波形信號(hào)與信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)收集的電信號(hào)對(duì)比，判讀是否存在激光熱致超聲波產(chǎn)生。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:由于采用基于激光熱致超聲原理實(shí)現(xiàn)星載激光告警和照射定位，因此告警系統(tǒng)無需光學(xué)探測(cè)器，不受探測(cè)視場(chǎng)限制，降低了系統(tǒng)復(fù)雜性和重量；此外，由于特定參數(shù)激光照射衛(wèi)星本體產(chǎn)生的熱致超聲波形信號(hào)較為固定，利用熱致超聲信號(hào)進(jìn)行感知告警和波形源目標(biāo)反演定位可實(shí)現(xiàn)高定位精度和高探測(cè)率、低虛警率告警的目標(biāo)。同時(shí)，本發(fā)明涉及的告警系統(tǒng)組成較為簡單，在部件體積、重量和功耗方面也具有明顯優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的星載激光打擊告警系統(tǒng)的示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明的星載激光打擊告警系統(tǒng)的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:提出基于熱致超聲原理的星載激光告警系統(tǒng)。當(dāng)激光照射到衛(wèi)星本體時(shí)，由于激光熱作用，會(huì)在衛(wèi)星本體內(nèi)熱致激發(fā)超聲波。熱致超聲在星體結(jié)構(gòu)中以縱波和橫波的形式傳播，其顯著不同于衛(wèi)星本征振動(dòng)頻率和星上運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的微振動(dòng)頻率。利用在星體結(jié)構(gòu)表面布置的波形探測(cè)和場(chǎng)效應(yīng)感知設(shè)備，濾除周圍空間環(huán)境對(duì)星體結(jié)構(gòu)造成的低頻振動(dòng)影響，通過信號(hào)處理系統(tǒng)的波形信號(hào)特征及場(chǎng)效應(yīng)參數(shù)判讀對(duì)比，判斷接收信號(hào)是否來自激光熱激發(fā)，并適時(shí)判斷是否啟動(dòng)激光告警指令；由于不同打擊位置與波形信號(hào)接收裝置相對(duì)距離和方位差異，都會(huì)產(chǎn)生不同波形特征的超聲波波形信號(hào)。基于衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)表面波形信號(hào)接收裝置的布置位置設(shè)計(jì)方案，參照激光超聲波在固體材料中的傳播機(jī)制、頻散和衰減特征，通過接收波形信號(hào)耦合特征的空間時(shí)間尺度解耦，實(shí)現(xiàn)打擊位置的反演定位。
[0020]激光熱致超聲按照激光能量不同，激發(fā)的超聲波主要包括熱彈激發(fā)和融蝕激發(fā)。當(dāng)入射激光能量較低時(shí)，光能吸收產(chǎn)生的瞬態(tài)熱量導(dǎo)致熱應(yīng)力響應(yīng)，應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生脈沖超聲波，形成熱彈激發(fā)；當(dāng)入射激光強(qiáng)度增加到一定程度，其能量導(dǎo)致材料表面熔融，形成熔融激發(fā)，產(chǎn)生較強(qiáng)的超聲波。激光輻照在衛(wèi)星本體的輻射強(qiáng)度大約從1-lOW/cm2，目標(biāo)能量密度變?yōu)閹装俳?平方厘米，其輻照熱致激發(fā)超聲的頻率一般在20KHz?10MHz，與衛(wèi)星本體微振動(dòng)頻率信號(hào)(低頻，也稱噪音信號(hào))具有顯著差異。初至波是噪音信號(hào)與熱致超聲信號(hào)的分界時(shí)刻，初至波的感知有很多方法，如能量比方法、振幅法、曲線長度法等。通過初至波的有效感知，初步判讀是否存在激光熱致超聲波產(chǎn)生；將信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)輸出的波形信號(hào)與地面試驗(yàn)建立的多類型激光源與衛(wèi)星本體材料作用產(chǎn)生的波形信號(hào)(存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行二次判讀，控制是否發(fā)送告警指令至告警器系統(tǒng)。
[0021]激光超聲波的波形特征不僅與激光激發(fā)源(激光輻照的半徑和激光脈沖寬度等)有關(guān)，而且與被作用物質(zhì)材料的性質(zhì)直接相關(guān)。超聲波波形特征主要包括傳播方向、振幅、衰減特性、頻散色散現(xiàn)象等。由于信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與布置在衛(wèi)星本體四周的壓電換能器的相對(duì)距離和方位角度不同，其接收的超聲波時(shí)間和波形特征也不同。利用相關(guān)性時(shí)差法，以不同位置的壓電換能器波形為分析對(duì)象，以時(shí)間差求距離差，根據(jù)距離