一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法及系统与流程

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1.本发明属于等离子体电子密度在线诊断技术领域，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。

背景技术：

2.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。
3.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。

技术实现要素：

4.本发明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。本发明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。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，包括：
7.s1使探针处于空气环境中，得到探针零位采集电流i0；
8.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)；
9.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)；
10.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；
11.s5将有效数据划分为n段，得到n段数据；n＞1；
12.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；
13.s7根据各段数据的i-v曲线得到电子温度te和饱和离子电流i
io
；
14.s8根据n段数据的电子温度te和饱和离子电流i
io
得到n段数据的电子密度；
15.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。
16.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：
17.当i(t)＜i1，将采样频率设定为≤1khz；
18.当i(t)≥i1，将采样频率设定为≥30khz；
19.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。
20.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。
21.进一步的，步骤s3中，i’(t)＝i(t)-i0。
22.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：
23.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；
24.有效数据的最大值》》i1；
25.有效数据必须随三角波电压周期对应变化；
26.有效数据呈连续变化趋势。
27.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；
28.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；
29.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。
30.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。
31.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te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te。
32.一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；
33.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；
34.三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；
35.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；
36.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)；
37.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。
38.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；
39.探针电极为耐2000℃以上高温的铌钨合金；
40.支撑壳体为耐1500℃以上高温的陶瓷材料；
41.双平装探针与飞行器之间利用绝缘垫片实现隔离安装。
42.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
43.(1)本发明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；
44.(2)本发明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；
45.(3)本发明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-3
至10e
14 cm-3
范围的等离子体密度测量；
46.(4)本发明适用于气动复杂的高温(大于800℃)、高可靠真实飞行环境下的等离子体密度测量，在探针本体设计上考虑了结构强度和选材特性等，在驱动电路设计上兼顾了有效数据采集周期及采样频率，保证了设计的可靠性、有效性及适用性。
附图说明
47.图1为本发明高超声速飞行器等离子体密度在线诊断系统组成框图；
48.图2为本发明双平装探针结构示意图；
49.图3为本发明双平装探针安装示意图，其中(a)为安装法兰与垫片整示意图，(b)、(c)分别为两个垫片示意图；
50.图4为本发明高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法流程图；
51.图中，1-绝缘套，2-电极，3-支撑壳体，4-安装法兰，5-插接件，6-电缆，7-第一绝缘垫片，8-第二绝缘垫片。
具体实施方式
52.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
53.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
54.本发明针对真实飞行环境下实时在线等离子体密度诊断开展设计，搭建了飞行条件下的等离子体密度在线诊断系统，建立了真实等离子体密度诊断数据误差修正方法和试验数据库，本发明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。
55.如图1，本发明高超声速飞行器等离子体密度在线诊断系统的核心部分为探针及变换电路部分，其中变换电路进行供电转换，输出三角波电压驱动探针经调理采集后进行遥测编码。
56.探针采用双平装探针的结构形式，由于探针外表面暴露在外部，在探针电极及支撑壳体上进行了结构强度及耐高温设计，探针电极选用铌钨合金，可以耐2000℃以上高温，支撑壳体材料可以选用氧化铝耐高温陶瓷材料，可以耐1500℃以上高温。为保证外部静电等干扰不对飞行器内部造成影响，将诊断系统与遥测系统进行隔离，隔离采用绝缘垫片的
形式，将探针整体与飞行器进行绝缘安装。如图2和图3，电极2、支撑壳体3及绝缘套1直接接触测量环境，电极材料选用耐高温、导电性好的材料，选用良导体且耐高温的金属或合金材料，如钨，钼或钨钼合金等；绝缘套选用绝缘性好、耐高温且硬度大的材料，在高温环境下绝缘性能良好，如耐高温陶瓷材料；支撑壳体3选用耐高温材料，最直接的方式可以选用同电极相同的材料；考虑真实飞行环境，需要考虑热密封性，在电极与绝缘套、绝缘套与外壳体之间可涂抹高温胶；接插件5及电缆6用于与变换电路进行连接，电缆防护套应耐高温，电缆与电极连接处应采用压接加螺接的形式。因真实飞行环境下双平装探针的外表面裸露，为保证外部静电等干扰不对飞行器内部造成影响，应将探针与系统进行隔离，双平装探针与飞行器安装步骤如下：第一绝缘垫片7、第二绝缘垫片8与安装法兰4组装采用胶粘接；第二绝缘垫片位于双平装探针本体的工作端；采用m4螺钉将探针固定于飞行器金属壳体上；探针壳体与飞行器之间安装时涂抹高温密封胶，保证热密封性和防热效果。
57.变换电路部分包括供电模块(供电电源和隔离模块)、电源变换模块、三角波变换模块、信号调理模块及采集频率调节模块，三角波频率决定了获取有效数据周期，采样频率决定了有效数据的误差大小，不同于地面测量系统，实际飞行器系统往往无法保证较高的采样频率和系统带宽，变换电路部分对三角波频率和采样频率进行了综合设计，既能保证获取尽可能多的有效数据，又能保证有限带宽下数据的可靠获取。
58.具体的，其中隔离模块完成对输入的电压进行限流、滤波及隔离，并防止供电反接对设备造成影响；电源变换模块完成对隔离输出后的电压进行升压、降压及限流功能，输出峰值
±
50v的电压信号提供给三角波变换模块；三角波变换模块产生三角波电压，驱动输出峰值
±
50v、驱动负载不小于3a、频率不低于200hz的三角波驱动电压信号；三角波驱动电压信号一方面输出给探针，驱动探针产生等离子体电流信号，另一方面通过取样电阻完成对等离子体驱动电流信号采样，并输出至信号调理模块，信号调理模块调理输出0～5v的电压信号输出给采集及频率调节模块进行处理，并最终将数据输出进行遥测编帧。
59.电源管理模块完成对外部输入的直流电(28v
±
4v)进行隔离变换，为三角波驱动模块提供高电压及高负载电流，并为所有电路进行供电。三角波驱动模块首先由三角波专用芯片产生三角波，由三角波驱动放大电路生成峰值
±
50v的三角波电压，该信号输入功放驱动电路，最终输出峰值
±
50v、驱动负载不小于3a、频率不低于200hz的三角波驱动电压信号。探针在三角波驱动电压的作用下，产生电流信号输出至信号调理模块，同时将三角波驱动电压引出输入信号调理模块，信号调理模块对电流信号进行取样，调理成0～5v电压信号供系统进行采集。
60.三角波驱动模块包括模拟三角波发生电路、功放驱动电路及信号取样电阻组成。模拟三角波发生电路采用三角波专用芯片生成，频率设置为200hz，输出幅值设置为-1v～+1v，产生信号输出至功放驱动电路。在信号输出通路上设计了电流信号取样电阻，将电流信号转换为几毫伏至几十毫伏电压信号，输出给信号调理模块。信号调理模块对多路采集信号调理成0～5v信号供系统采集，根据输入差分电压大小设计放大倍数，放大后电压满足外部系统采集输入电压要求。
61.根据等离子体密度从10次方到14次方，对应的电流从几毫安到几安培，动态范围为83.5db，实时在线采集系统为实现对大动态信号范围的采集，将调理电路区分成不同档位，按10毫安量程(1ma～几十毫安)、百毫安量程(几十毫安～几百毫安)及安培量程(几安
培)进行调理通路划分，可以覆盖从10次方到14次方的等离子体密度测量，信号分辨率可以达到几十微安，应用于首次真实飞行环境下的等离子体密度测量。
62.优选的，三角波发生器的输出频率在100hz～200hz之间，保证有效采集周期；
63.优选的，采样频率在低频(不大于1khz)和高频(不低于30khz)之间进行切换，确保遥测码流存储有效数据，降低无效数据传输。
64.优选的，真实环境下采集的数据往往无法直接拟合出标准的伏安特性曲线，本发明对数据进行误差修正，相比现有直接简单滤波及拟合的方法，修正了采集误差。
65.双平装探针可以一定程度上减小对测量等离子体的扰动。探针是由两个表面积相近的电极组成，偏置电压加在两个探针之间，它们整体悬浮着，测量两个探针之间工作电流随扫描电压的变化，就可以获得伏安特性曲线。
66.如图4，本发明一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断方法，包括：
67.(1)原始数据清洗
68.在实际试验前，探针处于正常空气中，探针变换器此时的采集电流理论上为零，但是实际的采集系统在周围环境影响下，采集电流可能出现不为零的现象。需要进行数据的零位修正，消除“零飘”带来的影响。
69.假设探针电流数据表示为i(t)，计算进入流场前电流信号平稳时的实测平均值i0(计算进入流场前2s范围的平均值)，零位修正后的探针电流可表示为i’(t)＝i(t)-i0。
70.(2)有效数据选段
71.在线测量时，探针变换器的电压扫描频率为200hz，采样频率为1mhz，导致实际采集的数据量很大，且存在较多无效数据，需要从原始试验数据中选择能够反映流场真实情况的有效数据进行后续处理。
72.选取大于一定阈值范围且有明显周期规律的数据作为有效数据；确保选段的信号幅值较大、选段的信号平稳性较好。
73.(3)有效数据分割及平均处理
74.根据有效数据的周期个数，选择分段个数n。对每段中的所有周期求平均，得到该段的平均i-v曲线，最终可得到n条平均的i-v曲线。后续对每条i-v曲线的处理方法均一致，最终将得到n个等离子体密度。
75.(4)i-v曲线平滑、滤波处理
76.相对于双平装探针测量到的电流值较小，易受环境影响。i-v曲线的毛刺较多、振荡较大，无法进一步求解电子温度和饱和电子电流，此时需对i-v曲线进行平滑、滤波处理，消除毛刺和振荡。平滑点数、滤波方式的选择需要根据具体数据确定。
77.(5)i-v曲线拟合
78.后续计算过程中，需要对i-v曲线进行求导处理，经过平滑、滤波处理后的i-v曲线仍然不是一个单调曲线，无法进一步处理，因此需要对曲线进行拟合，使用拟合曲线进行后续计算处理。理论上，双探针i-v曲线的过渡段以指数形式上升，在两端饱和流区趋近于水平，整体为s型曲线，故在拟合时需要根据曲线形势选择合适的拟合函数。
79.(6)计算饱和离子电流
80.在计算双平装探针的饱和离子电流时，一般选择i-v曲线中的最大电流。观察真实试验中双平装探针测试数据的实际特点，负半轴曲线通常振动较大，一般选择正半轴最大
电流作为饱和离子电流。
81.(7)计算电子温度
82.根据理论推导，双平装探针i-v曲线过零点处的斜率与电子温度成反比，因此计算曲线过零点处的斜率便可以得到电子温度。
83.具体公式为：
[0084][0085]
其中，两电极间的电流为id，两电极间的电压为vd，e为电子电荷量，i
io
为饱和离子电流(等同于上述i’(t)修正后的最大值)，k为波尔兹曼常数，te为电子温度。
[0086]
由上式就可以求得电子温度。
[0087]
(8)计算电子密度
[0088]
由于双探针只能收集到离子饱和流，故计算离子密度作为等离子体密度。
[0089]
离子密度由离子饱和流得到：
[0090][0091]
其中，ne为电子密度，ni为离子密度。as为探针收集面积，单位为m2。mi为离子质量，单位为kg，te为电子温度，单位为k，k是玻尔兹曼常数，单位是j/k，e为基本电荷，单位为库仑。
[0092]
(9)修正边缘效应和碰撞效应
[0093]
根据公式3和公式4，分别修正边缘效应和碰撞效应，得到修正后的双平装探针离子采集流，用来计算得到最终实际测量的等离子体密度。
[0094]
针对双平装探针的特殊构型以及边界条件可以解算出探针的有效收集区域，边缘效应修正后的双平装探针离子采集流i
i,mea1
关系式为:
[0095][0096]
其中，e为基本电荷，k是玻尔兹曼常数，te为电子温度，vd为两电极间的电势。a和b为由等离子体所处的物理状态模拟计算得到的参数，r
p
为电极半径，λ0是未扰动的德拜长度，φ
p
为等离子体在电极上的电动势。ii为真实离子流，等同于本发明中的探针等离子体采集电流i(t)。
[0097]
公式3的适用范围如下:5＜η
p
＜50，其中r
p
为采用探针的电极半径，λd为德拜长度。
[0098]
根据相关方程和相关边界条件可以推导出离子流修正后的公式以及合适的参数，碰撞效应修正后的双平装探针离子采集流i
i,mea2
关系式为:
[0099][0100]
其中，α＝λd/λiλd为德拜长度，λi为离子碰撞频率，b＝0.8，c＝12.9。e为基本电荷，k是玻尔兹曼常数，te为电子温度，vd为两电极间的电势。
[0101]
当先后进行边缘效应和碰撞效应修正时，公式4中的ii为每个过程修正的离子流。
[0102]
本发明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。
[0103]
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
[0104]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：

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；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。7.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。8.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
。
9.一种高超声速飞行器等离子体密度在线诊断系统，其特征在于，用于实现权利要求1-8任一项所述的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；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；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；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；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)；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。10.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系统，其特征在于，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；探针电极为耐2000℃以上高温的铌钨合金；支撑壳体为耐1500℃以上高温的陶瓷材料；双平装探针与飞行器之间利用绝缘垫片实现隔离安装。

技术总结

本发明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-V曲线；根据I-V曲线得到电子温度和饱和离子电流，进而得到n段数据的电子密度；对电子密度进行边缘效应和碰撞效应修正，得到等离子体流场的等离子体密度。本发明还公开了高超声速飞行器等离子体密度在线诊断系统，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。本发明提高了真实环境下等离子体测量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。正和支持可靠测控通信研究。正和支持可靠测控通信研究。