一种空间环境下水滴测量系统的制作方法

本发明属于目标特性分析、目标探测、目标识别技术领域，涉及一种空间环境下水滴测量系统。

背景技术：

环境控制与生命保障系统是任何载人航天器必备的系统。是区别航天器是否是载人航天器的显著标志，是航天技术从无人航天向载人航天发展必须首先要突破的关键技术之一。其中环境控制系统，即俗称的空调系统，是飞船上十分重要又相当复杂的系统，是直接关系到航天员身体健康和生命安全的系统，也是关系到航天任务能否圆满完成的重要系统。

空调系统的基本任务是在密封舱(飞船轨道舱、返回舱)内为航天员创造一个基本的生活条件和适宜的工作环境，包括：

1)确保返回舱和轨道舱内具有合适的大气总压和氧分压；

2)提供航天员代谢所需的氧气；

3)排除航天员代谢产生的co2；

4)控制返回舱和轨道舱内气体的温度、湿度，为航天员提供合适的温湿度环境和舱内通风条件；

5)为航天员提供饮水，实施供水、冷凝水管理和食品管理；

6)收集和处理航天员生理代谢产生的废物和舱内其他废弃物；

7)具有烟火探测能力，并备有相应的灭火措施；

8)飞船发生压力应急时，实施压力应急转换，保障着航天服的航天员生命安全。

飞船的空调系统最主要的功能是将航天员工作环境中产生的水气冷凝、滤除，以保证航天员所处环境内的空气的温度、湿度。

但如果空调系统出现故障(如过滤器损坏)或者停止工作时，较大的水滴就会循环进入飞船环境中，这样不仅危及航天员的生命，而且还会破坏舱内的电子设备，影响航天任务的实施。

现有技术通常在管道中添加滤网，该种方法为接触式测量，通过二维来检测水滴大小，只能实现一个方向测量，测量准确度差，不具备立体多方向同时测量能力。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种空间环境下水滴测量系统，通过使用激光照明，并对激光束形状进行约束，生成片光束，激光束穿过水滴后，使用探测器对激光能量进行接收，通过测量能量衰减量，得到水滴大小信息。

本发明解决技术的方案是：

一种空间环境下水滴测量系统，包括机械支撑结构、光电探测模块、信号处理模块以及信息输入输出模块，

机械支撑结构提供安装的平台，为各种元器件提供支撑和固定；

光电探测模块对水滴信息进行获取，通过能量探测法或成像法检测对水滴的透射光和水滴的折反射光进行探测；

信号处理模块根据光电探测系统获得的原始数据解算得到水滴大小信息，并控制输出模拟电压；

信息输入输出模块实现系统的供电以及数据通信。

进一步的，水滴透射能量测量所用装置包括激光片光光源系统和能量接收器，激光片光光源系统产生入射光穿过管道内的气体，在管道另一侧接收，再经过光电转换后形成电信号，根据输出端电信号的强弱变化确定水滴大小的值。

进一步的，水滴成像测量所用装置包括微型摄像机和激光片光光源系统，在管道的两个垂直的方向上设置两个成像镜头，镜头的视场角能量覆盖管道的一个剖面，采用激光片光光源系统作为局部照明光源，镜头仅对激光片光照亮的区间成像，根据水滴的大小与成像距离的关系，确定片光内的水滴成像数据。

进一步的，激光片光光源系统由四片柱面镜组合构成，其中前两片对激光进行横向压缩，后两片对激光进行纵向扩束与准直；在激光输出位置加光阑，控制激光片光输出宽度，并阻挡杂光。

进一步的，激光片光的厚度为1-5mm，光功率不稳定度小于1％，激光器功率为500-100mw，波长为800-1100nm。

进一步的，微型摄像机采用具有宽视场、短焦距和小孔径的折射式镜头。

进一步的，信号处理模块提供传感需要的各种工作时充，并对传感器的信号进行采集，对传感器进行参数设置，实现a/d转换、降噪、放大、信号检测与输出。

进一步的，信号处理模块根据上位机信号指令，实现测量系统上电、自检，异常报错；提供传感器数字采集的时钟信号；采集测量系统各点的温度、压力信息，并对超过阈值进行指标报警；对图像数据进行采集、a/d转换、滤波、降噪、放大；并对图像数据进行压缩、存储和传输；处理图像信息，实时输出水滴测量结果；显示水滴测量结果曲线、图表。

进一步的，信息输入输出模块将处理后的结果按照输出接口要求提供给其它分系统，并提供各电子设备工作所需电压，并实现电源滤波和保护，以改善电源品质。

进一步的，信息输入输出模块接收上位机上电、关机指令；生成数据传输包，将数据上传给上位机；实现dc/dc变换，为水滴测量系统提供所需的电量、电压；具备数据防火墙功能，防止有害数据的侵入；具有浪涌保护、过载保护功能。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明采用交叉激光片光源生成检测技术，保证测量系统的可靠性和稳定性，该系统提出两种光电检测方法，后期可根据实际安装条件进行优选，为后续在轨实际应用奠定良好的基础；

(2)本发明设计均遵循航天设计标准，保证系统运行的可靠性；

(3)本发明可实时对管道中的气体进行监测，发现直径大于规定值的水滴存在就及时报警，以便检修设备；

(4)本发明该测量系统体积小、重量轻，具有较高的可靠性和稳定性，可满足太空环境失重及重量体积要求严格条件下的生命保障系统的运行安全，该测量平台未来可支撑载人登月、外太空探索等项目，为未来载人航天器的设计和优化奠定良好的基础。

附图说明

图1为本发明能量探测器系统示意图；

图2为本发明能量探测系统组成剖面图；

图3为本发明水滴探测原理图；

图4为本发明成像法系统示意图；

图5为本发明视场角计算示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种空间环境下水滴测量系统，包括机械支撑结构(1)、光电探测模块(2)、信号处理模块(3)以及信息输入输出模块(4)，

机械支撑结构(1)提供安装的平台，为各种元器件提供支撑和固定；

光电探测模块(2)对水滴信息进行获取，通过能量探测法或成像法检测对水滴的透射光和水滴的折反射光进行探测；

信号处理模块(3)根据光电探测系统获得的原始数据解算得到水滴大小信息，并控制输出模拟电压；

信息输入输出模块(4)实现系统的供电以及数据通信。

水滴透射能量测量所用装置包括激光片光光源系统和能量接收器，激光片光光源系统产生入射光穿过管道内的气体，在管道另一侧接收，再经过光电转换后形成电信号，根据输出端电信号的强弱变化确定水滴大小的值。

水滴成像测量所用装置包括微型摄像机和激光片光光源系统，在管道的两个垂直的方向上设置两个成像镜头，镜头的视场角能量覆盖管道的一个剖面，采用激光片光光源系统作为局部照明光源，镜头仅对激光片光照亮的区间成像，根据水滴的大小与成像距离的关系，确定片光内的水滴成像数据。

激光片光光源系统由四片柱面镜组合构成，其中前两片对激光进行横向压缩，后两片对激光进行纵向扩束与准直；在激光输出位置加光阑，控制激光片光输出宽度，并阻挡杂光。

激光片光的厚度为1-5mm，光功率不稳定度小于1％，激光器功率为500-100mw，波长为800-1100nm。

信号处理模块提供传感需要的各种工作时充，并对传感器的信号进行采集，对传感器进行参数设置，实现a/d转换、降噪、放大、信号检测与输出。

信号处理模块根据上位机信号指令，实现测量系统上电、自检，异常报错；提供传感器数字采集的时钟信号；采集测量系统各点的温度、压力信息，并对超过阈值进行指标报警；对图像数据进行采集、a/d转换、滤波、降噪、放大；并对图像数据进行压缩、存储和传输；处理图像信息，实时输出水滴测量结果；显示水滴测量结果曲线、图表。

信息输入输出模块将处理后的结果按照输出接口要求提供给其它分系统，并提供各电子设备工作所需电压，并实现电源滤波和保护，以改善电源品质。

信息输入输出模块接收上位机上电、关机指令；生成数据传输包，将数据上传给上位机；实现dc/dc变换，为水滴测量系统提供所需的电量、电压；具备数据防火墙功能，防止有害数据的侵入；具有浪涌保护、过载保护功能。

空间环境下水滴测量系统，包括：

(1)机械支撑结构

该装置可安装在管道的连接处，作为接口的一部分，这样有利于模块化设计，便于更换和故障检测。满足体积小、重量轻、可靠性高的航天要求。

(2)光电探测模块

使用光电检测方法对水滴进行检测，既可以通过探测水滴的透射光，也可以探测水滴的折反射光。这两种不同的探测手段衍生出不同的光电检测的实现途径。即水滴透射能量测量和水滴成像测量两种。

1)水滴透射能量测量装置

使用能量探测法的系统示意图如图1、图2所示。入射光源由激光器和柱面镜、球透镜、光阑等光学元件组成，可产生厚度2mm的激光片光，片光镜头共有两组，相互垂直放置于管道侧边，在与片光镜头相对的一侧，放置两个光电探测阵列。

激光束穿过管道内的气体，在管道另一侧接收，再经过光电转换后形成电信号。电信号强弱与水滴大小之间的关系事先经过标定。如果光束在传输过程中有水滴遮挡，则接收能量会有变化，电信号强弱也会发生变化。水滴的大小不同，则能量衰减的程度不同，其输出值也不同，这样，就可以根据输出端电信号的强弱变化得到水滴大小的值。如图3所示。

片光系统由四片柱面镜组合来实现，其中前两片对激光进行横向压缩，后两片进行纵向扩束与准直。在激光输出位置加光阑，可以控制激光片光输出宽度，并可阻挡杂光。激光片光的厚度为2mm，光功率不稳定度小于1％，激光器功率为100mw，波长为808nm。

本系统对水滴的测量精度达到0.2mm，同时，为防止水滴在像元法线方向上的重叠造成虚警，所以在两个垂直的方向上安置两套探测装置。

2)水滴成像测量装置

使用成像法的系统示意图如图4所示。在管道的两个垂直的方向上设置两个成像镜头，图中仅画出一个摄像头。镜头的视场角能量覆盖管道的一个剖面。采用激光片光源作为局部照明光源。镜头仅对激光片光照亮的区间成像。对于片光内的水滴成像时，水滴的大小与成像距离有关系，所以在数据处理中应根据成像参数及系统机械结构尺寸进行预处理，去除成像距离的影响。

本系统微型相机采用折射式镜头。该光学系统具有宽的视场、短的焦距和小的孔径。管道内径为20mm，镜头距离片光为10mm，镜头与管道壁距离为5mm，光轴与管道垂直线的夹角为42.6°，如图5所示。

(3)信号处理模块

信号处理模块提供传感需要的各种工作时充，并对传感器的信号进行采集，对传感器进行参数设置，实现a/d转换、降噪、放大、信号检测与输出。

其可以实现以下功能：

根据上位机信号指令，实现测量系统上电、自检，异常报错；

提供传感器数字采集的时钟信号；

采集测量系统各点的温度、压力等信息，并对超过阈值的指标报警；

图像数据的采集、a/d转换、滤波、降噪、放大；

对图像数据进行压缩、存储和传输；

图像信息处理，水滴测量结果实时输出；

水滴测量结果曲线、图表显示。

(4)信息输入输出模块

信息输入输出模块把处理后的结果按照输出接口要求提供给其它分系统。并提供各电子设备工作所需电压，并实现电源滤波和保护，以改善电源品质。

其可以实现以下功能：

接收上位机上电、关机等指令；

生成数据传输包，将数据上传给上位机；

实现dc/dc变换，为水滴测量系统提供所需的电量、电压；

具备数据防火墙功能，防止有害数据的侵入；

具备浪涌保护、过载保护等功能。

该测量系统体积小、重量轻，具有较高的可靠性和稳定性，可满足太空环境失重及重量体积要求严格条件下的生命保障系统的运行安全。该测量平台未来可支撑载人登月、外太空探索等项目，为未来载人航天器的设计和优化奠定良好的基础。

(1)系统的设计均遵循航天设计标准，保证系统运行的可靠性。

(2)系统可实时对管道中的气体进行监测，发现直径大于规定值的水滴存在就及时报警，以便检修设备。

(3)该系统采用交叉激光片光源生成检测技术，保证测量系统的可靠性和稳定性。

(4)该系统提出两种光电检测方法，后期可根据实际安装条件进行优选，为后续在轨实际应用奠定良好的基础。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。