一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，包括利用探针零位采集电流得到修正后的探针等离子体采集电流；在修正后的探针等离子体采集电流中选取有效数据，划分为n段；获取n段数据中各段数据的I

【技术实现步骤摘要】
一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法及系统


[0001]本专利技术属于等离子体电子密度在线诊断
，涉及一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法及系统。

技术介绍

[0002]为研究高超声速(＞5Ma)飞行下等离子体对飞行器测控通信影响，开展等离子体密度诊断技术研究。考虑实际飞行环境下等离子体环境十分复杂、测量难度大、目前认识有限等客观现状，实现在线等离子体密度诊断，获取实际飞行环境下等离子体密度数据，可以提升认识水平、完善理论研究方法及测量手段。
[0003]目前地面已发展了多种等离子体诊断手段，探针作为其中一种手段在地面试验中广泛应用，但还未在真实飞行环境下进行验证，真实飞行环境对探针的防热、强度和可靠性要求很高，已有方案不适合在长时间气动高温环境下使用；与已有地面采集系统不同，飞行系统遥测码率受限，而要捕捉等离子体密度电信号，需要保证一定的采样周期和采样频率；因为环境干扰及电路采集误差，真实环境下采集数据无法直接拟合出标准的伏安特性曲线，需要对数据进行误差修正。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服上述缺陷，提供一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法及系统，解决了真实环境下采集数据无法拟合出标准的伏安特性曲线导致等离子体诊断效率和准确性低的技术问题。本专利技术提高了数据处理效率和准确性，可用于指导基础理论研究、预示模型修正和支持可靠测控通信研究。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，包括：
[0007]S1使探针处于空气环境中，得到探针零位采集电流I0；
[0008]S2使探针处于等离子体流场中，得到探针等离子体采集电流I(t)；
[0009]S3利用零位采集电流I0对等离子体采集电流I(t)进行修正，得到修正后的探针等离子体采集电流I
’
(t)；
[0010]S4在修正后的探针等离子体采集电流I
’
(t)中选取有效数据；
[0011]S5将有效数据划分为n段，得到n段数据；n＞1；
[0012]S6基于探针的扫描电压，获取n段数据中各段数据的I
‑
V曲线；
[0013]S7根据各段数据的I
‑
V曲线得到电子温度T
e
和饱和离子电流I
io
；
[0014]S8根据n段数据的电子温度T
e
和饱和离子电流I
io
得到n段数据的电子密度；
[0015]S9对n段数据的电子密度进行边缘效应和碰撞效应修正，得到飞行过程中等离子体流场的等离子体密度。
[0016]进一步的，步骤S2使探针处于等离子体流场中，得到探针等离子体采集电流I(t)的方法为：
[0017]当I(t)＜I1，将采样频率设定为≤1kHz；
[0018]当I(t)≥I1，将采样频率设定为≥30kHz；
[0019]I1根据采样误差设置，用于判断采样电流信号是否为有效信号。
[0020]进一步的，步骤S1中，探针零位采集电流I0为探针进入等离子体流场前2s范围的平均值。
[0021]进一步的，步骤S3中，I
’
(t)＝I(t)
‑
I0。
[0022]进一步的，步骤S4中，有效数据包含m个周期，m≥1，且同时满足以下条件：
[0023]m个周期的幅值＞I1；I1根据采样误差设置，用于判断采样电流信号是否为有效信号；
[0024]有效数据的最大值>>I1；
[0025]有效数据必须随三角波电压周期对应变化；
[0026]有效数据呈连续变化趋势。
[0027]进一步的，步骤S5中，根据有效数据的周期个数m确定n的值；
[0028]每段数据包含至少1个周期，m越大，步骤S9所得飞行过程中等离子体流场的等离子体密度越接近真实环境；
[0029]步骤S8中，n段数据的电子密度对应飞行过程中不同时刻的电子密度。
[0030]进一步的，步骤S6中，n段数据中的每段数据至少包含＞1个周期，各段数据的I
‑
V曲线为每段数据中各周期的I
‑
V曲线的平均值。
[0031]进一步的，步骤S7中，根据各段数据的I
‑
V曲线得到电子温度T
e
和饱和离子电流I
io
的方法为，对每段数据的I
‑
V曲线进行平滑、滤波和拟合后，将拟合后所得I
‑
V曲线正半轴的最大电流值作为饱和离子电流I
io
，根据拟合后所得I
‑
V曲线过零点处的斜率得到电子温度T
e
。
[0032]一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断系统，用于实现上述高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，包括供电模块、电源变换模块、三角波变换模块、信号调理模块、采集及频率调节模块、探针和数据处理设备；
[0033]电源变换模块将由供电模块输入的第一电压信号转换为预定峰值的第二电压信号，将第二电压信号输出至三角波变换模块；
[0034]三角波变换模块接收由电源变换模块输入的第二电压信号，将第二电压信号转换为用于驱动探针的三角波驱动电压信号，并采集探针的电流信号，将探针的电流信号转换为电压信号，将转换后的电压信号输出至信号调理模块；
[0035]信号调理模块接收由三角波变换模块输入的转换后的电压信号，将转换后的电压信号调理为1～5V的第三电压信号；
[0036]采集及频率调节模块对第三电压信号按照设定的采样频率进行采样，得到I0和I(t)；
[0037]数据处理设备根据I0和I(t)，并结合三角波电压信号得到等离子体流场的等离子体密度。
[0038]进一步的，上述高超声速飞行器等离子体密度在线诊断系统中，所述探针为双平装探针，双平装探针利用支撑壳体安装于飞行器上；
[0039]探针电极为耐2000℃以上高温的铌钨合金；
[0040]支撑壳体为耐1500℃以上高温的陶瓷材料；
[0041]双平装探针与飞行器之间利用绝缘垫片实现隔离安装。
[0042]本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
[0043](1)本专利技术创造性的提出一种离子体密度在线诊断方法，通过区分有效数据以及将有效数据分段处理的方式，提高了数据处理效率和准确性；
[0044](2)本专利技术对真实试验数据形成了诊断误差修正方法，诊断结果误差在一个数量级以内，修正后结果与预示结果相差在50％以内；
[0045](3)本专利技术在带宽资源有限条件下，通过实时动态调节采样频率，相比现有地面直接高速采样的方法，可以最大限度的节省遥测带宽资源并获取有效测量数据，可以适应10e
10
cm
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，其特征在于，包括：S1使探针处于空气环境中，得到探针零位采集电流I0；S2使探针处于等离子体流场中，得到探针等离子体采集电流I(t)；S3利用零位采集电流I0对等离子体采集电流I(t)进行修正，得到修正后的探针等离子体采集电流I
’
(t)；S4在修正后的探针等离子体采集电流I
’
(t)中选取有效数据；S5将有效数据划分为n段，得到n段数据；n＞1；S6基于探针的扫描电压，获取n段数据中各段数据的I
‑
V曲线；S7根据各段数据的I
‑
V曲线得到电子温度T
e
和饱和离子电流I
io
；S8根据n段数据的电子温度T
e
和饱和离子电流I
io
得到n段数据的电子密度；S9对n段数据的电子密度进行边缘效应和碰撞效应修正，得到飞行过程中等离子体流场的等离子体密度。2.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，其特征在于，步骤S2使探针处于等离子体流场中，得到探针等离子体采集电流I(t)的方法为：当I(t)＜I1，将采样频率设定为≤1kHz；当I(t)≥I1，将采样频率设定为≥30kHz；I1根据采样误差设置，用于判断采样电流信号是否为有效信号。3.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，其特征在于，步骤S1中，探针零位采集电流I0为探针进入等离子体流场前2s范围的平均值。4.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，其特征在于，步骤S3中，I
’
(t)＝I(t)
‑
I0。5.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，其特征在于，步骤S4中，有效数据包含m个周期，m≥1，且同时满足以下条件：m个周期的幅值＞I1；I1根据采样误差设置，用于判断采样电流信号是否为有效信号；有效数据的最大值>>I1；有效数据必须随三角波电压周期对应变化；有效数据呈连续变化趋势。6.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，其特征在于，步骤S5中，根据有效数据的周期个数m确定n的值；每段数据包含至少1个周期，m越大，步骤S...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈燕扬，袁延荣，邱长泉，陈敏，尘军，张晋，崔同锴，李瑾，崔占中，高扬，董耀军，周禹，于明星，周勇军，张烨琛，苏二龙，孟举，杨凌霄，
申请(专利权)人：北京临近空间飞行器系统工程研究所，
类型：发明
国别省市：