一種星體表面塵埃累積質量監測方法
2023-07-08 06:47:21 1
一種星體表面塵埃累積質量監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種星體表面塵埃累積質量監測方法。使用本發明能夠簡單、有效地測量出星體表面的塵埃累積量。本發明首先設計了一個塵埃監測儀，包括光源、光敏感器、蓋板和用於改變光路的鏡面，利用遮光效應，通過測量光敏感器的信號獲得鏡面上沉積的塵埃量，塵埃監測儀結構簡單、功耗低、體積小、受溫度等環境因素影響小，並且自帶光源，能夠不受太陽光線的影響，在夜晚也能繼續對塵埃質量進行監測。相對於傳統方法的光學探測(雷射粒子計數器)、碰撞探測器、石英晶體質量沉積探測等，本方法更為簡單易行。
【專利說明】
一種星體表面塵埃累積質量監測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及深空環境探測【技術領域】，具體涉及一種星體表面塵埃累積質量監測方法。
【背景技術】
[0002]太陽系內火星、月球、木星等表面有大量塵埃，對探測器的安全造成了巨大的威脅，為了研究塵埃的累積質量，需要一種簡易的方法對其進行監測。
【發明內容】
[0003]有鑑於此，本發明提供了一種星體表面塵埃累積質量監測方法，能夠簡單、有效地測量出星體表面的塵埃累積量。
[0004]本發明的星體表面塵埃累積質量監測方法，包括如下步驟:
[0005]步驟1，設計塵埃監測儀；
[0006]塵埃監測儀包括光源、光敏感器、蓋板和用於改變光路的鏡面，塵埃監測儀探頭設有向上開口的空腔，防塵蓋設置在空腔上方，鏡面設置在腔底，光源位於空腔側面，光敏感器位於光路的反射和/或折射光路上；
[0007]步驟2，在地面上採用塵埃監測儀進行塵埃質量-光敏感信號曲線標定；
[0008]步驟2.1，將步驟1的塵埃監測儀放置在真空環境中，並位於揚塵裝置的下方；
[0009]步驟2.2，打開蓋板，並啟動揚塵裝置模擬星體表面塵埃沉降，在鏡面上均勻沉積塵埃，然後關閉蓋板，開啟光源、光敏感器，測量當前光敏感器信號相比於無塵情況下的信號變化，測量鏡面上沉積的塵埃質量；
[0010]步驟2.3，重複步驟2.2，得到鏡面上沉積塵埃質量與光敏感器信號變化量之間的關係，並進行曲線擬合，獲得標定曲線；
[0011]步驟3，進行星體測量；
[0012]步驟3.1，探測器攜帶塵埃監測儀著陸星體表面，展開塵埃監測儀，調節其鏡面至水平位置；
[0013]步驟3.2，塵埃監測儀開機，進行自檢和測量光敏感器信號的初值；
[0014]步驟3.3，打開蓋板，在自然環境下沉積塵埃；一定時間後，閉合蓋板，測量光敏感器信號相對於所述初值的變化量，代入步驟2獲得的標定曲線中得到塵埃累積質量；
[0015]步驟3.4，重複步驟3.3直至任務結束。
[0016]其中，所述光源為半導體雷射器或發光二極體。
[0017]所述光敏感器為光電二極體、光電三極體、光敏電阻、(XD、CMOS或光電池。
[0018]所述鏡面為高反射鏡，反射率大於80% ;光敏感器位於光源光線的反射光路上。
[0019]所述鏡面為高透射鏡，透射率大於80%，光敏感器位於光源光線的透射光路上。
[0020]所述鏡面為透射率與反射率相當的折反鏡，透射率與反射率之比在0.6?1.5之間，具有兩個光敏感器，一個位於電源光線的反射路線上，另一個位於電源光線的透射路線上，分別測量反射光路光敏感器信號變化和透射光路光敏感器信號變化，然後將相同塵埃質量下的反射光路和透射光路的光敏感器信號取平均值，繪製塵埃質量-光敏感器信號平均值關係曲線，該關係曲線即為標定曲線。
[0021]當鏡面為高反射鏡時，所述光源入射角為30?70°。
[0022]當鏡面為高透射鏡或折反鏡時，所述光源入射角小於45°。
[0023]進一步地，在空腔側面內壁內設有光路傳輸通道，所述光源和光敏感器位於光路傳輸通道內，光源處的光路傳輸通道用於光的準直，光敏感器處的光路傳輸通道用於光的準直和吸收雜散反射光。
[0024]進一步地，步驟3.1中，設置鏡面與水平面的誤差小於±10°。
[0025]有益效果:
[0026](1)本發明的塵埃監測儀結構簡單、功耗低、體積小、受溫度等環境因素影響小。
[0027](2)本發明的塵埃監測儀設有光源，能夠不受太陽光線的影響，並且在夜晚也能繼續對塵埃質量進行監測。
[0028](3)當鏡面為高反射鏡時，光源的入射角度在30?70°之間時，本發明設備安裝較為方便，且光敏感器信號強度較大，便於測量；當鏡面為高透射鏡或透射率與反射率相當的折反鏡時，光源的入射角度小於45°時，光敏感器較為敏感，信號大，變化幅度大，便於測量。
[0029](4)在塵埃監測儀的空腔側面內壁內設置光線傳輸通道，光源和光敏感器位於光線傳輸通道內，有利於光的準直，同時，光敏感器處的光線傳輸通道還能吸收其他方向的雜散反射光，使測量結果更為準確。
[0030](5)相對於傳統方法的光學探測(雷射粒子計數器)、碰撞探測器、石英晶體質量沉積探測等，本方法更為簡單易行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為星體表面塵埃累積質量監測裝置探頭示意圖。
[0032]圖2為地面標定測量曲線。
[0033]其中，1-光源,2-光敏感器，3-蓋板，4-鏡面
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。
[0035]本發明提供了一種星體表面塵埃累積質量監測方法，利用不同塵埃沉積量對光線的散射和遮擋作用的不同，導致光敏感器接收光強度發生變化，從而可以反映塵埃累計質量變化。
[0036]本發明採用如圖1所示的塵埃監測儀進行實現，塵埃監測儀包括:光源1、光敏感器2、蓋板3和用於改變光路的鏡面4，塵埃監測儀探頭設有向上開口的空腔，防塵蓋設置在空腔上方，鏡面設置在腔底，光源位於空腔側面，光敏感器位於光路的反射和/或折射光路上，然後利用塵埃對光線的散射和遮擋效應，測量塵埃累積質量。其中，光源為半導體雷射器(LD)或發光二極體(LED);光敏感器可以是光電二極體、光電三極體、光敏電阻、CCD、CMOS或光電池等光敏器件。還可以將光源和光敏感器設置在空腔側面內部，與空腔內表面之間的光路上設有光路傳輸通道，光源處的光路傳輸通道用於光的準直，光敏感器處的光路傳輸通道用於光的準直和吸收雜散反射光。
[0037]具體監測方法包括如下步驟:
[0038]步驟1，進行地面標定
[0039]在地面實驗室，通過模擬星體表面塵埃沉降，在鏡面上均勻沉積不同質量的塵埃，關閉防塵蓋，開啟光源、光敏感器，測量不同質量塵埃對應的敏感器信號變化，繪製塵埃質量-光敏感器信號曲線，並進行曲線擬合，獲得標定曲線，其中，鏡面上沉積的塵埃質量通過稱重獲得。
[0040]步驟2，進行星體測量。
[0041]步驟2.1，探測器攜帶塵埃監測儀著陸星體表面，展開塵埃監測儀，調節其鏡面至水平位置；鏡面與水平面的誤差應小於±10°。
[0042]步驟2.2，塵埃監測儀開機，進行自檢和初值測量(測量光敏感器信號的初值)；標定測量時間應大於20min，標定時段內數據波動應小於2%。
[0043]步驟2.3，打開蓋板，在自然環境下沉積塵埃。一定時間後，閉合蓋板，測量光敏感器信號變化，根據步驟1獲得的標定曲線計算塵埃累積質量。用於測量的光源穩定度受環境影響產生輸出波動應不大於5%。
[0044]步驟2.4，重複步驟2.3直至任務結束。
[0045]其中，如果採用單反射模式，則鏡面5選擇高反射鏡，反射率大於80%，光敏感器位於光源光線的反射光路上，其中，光源入射角為30?70°之間時，光敏感器信號強度較大，便於測量；如果採用單透射模式，則鏡面5選擇高透射鏡，透射率大於80%，光敏感器位於光源光線的透射光路上；如果採用反射-透射模式，則鏡面5選擇透射率與反射率相當的折反鏡，透射率與反射率之比在0.6?1.5之間,具有兩個光敏感器,一個位於電源光線的反射路線上，另一個位於電源光線的透射路線上，此時，將相同塵埃質量下的反射光路和透射光路的光敏感器信號取平均值，繪製塵埃質量-光敏感器信號平均值關係曲線，該關係曲線即為標定曲線。當採用高透射鏡或透射率與反射率相當的鏡面時，光源的入射角度小於45°時,光敏感器較為敏感,信號大，變化幅度大，便於測量。
[0046]考慮到工程應用，塵埃監測儀的體積不宜過大，總體來說，塵埃監測儀空腔尺寸應小於 OlOcmX1cm。
[0047]綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，包括如下步驟: 步驟I，設計塵埃監測儀； 塵埃監測儀包括光源(I)、光敏感器(2)、蓋板(3)和用於改變光路的鏡面(4)，塵埃監測儀探頭設有向上開口的空腔，防塵蓋設置在空腔上方，鏡面設置在腔底，光源位於空腔側面，光敏感器位於光路的反射和/或折射光路上； 步驟2，在地面上採用塵埃監測儀進行塵埃質量-光敏感信號曲線標定； 步驟2.1，將步驟I的塵埃監測儀放置在真空環境中，並位於揚塵裝置的下方； 步驟2.2，打開蓋板(3)，並啟動揚塵裝置模擬星體表面塵埃沉降，在鏡面上均勻沉積塵埃，然後關閉蓋板，開啟光源、光敏感器，測量當前光敏感器信號相比於無塵情況下的信號變化，測量鏡面上沉積的塵埃質量； 步驟2.3，重複步驟2.2，得到鏡面上沉積塵埃質量與光敏感器信號變化量之間的關係，並進行曲線擬合，獲得標定曲線； 步驟3，進行星體測量； 步驟3.1，探測器攜帶塵埃監測儀著陸星體表面，展開塵埃監測儀，調節其鏡面至水平位置； 步驟3.2，塵埃監測儀開機，進行自檢和測量光敏感器信號的初值； 步驟3.3，打開蓋板，在自然環境下沉積塵埃；一定時間後，閉合蓋板，測量光敏感器信號相對於所述初值的變化量，代入步驟2獲得的標定曲線中得到塵埃累積質量； 步驟3.4，重複步驟3.3直至任務結束。
2.如權利要求1所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述光源為半導體雷射器或發光二極體。
3.如權利要求1所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述光敏感器為光電二極體、光電三極體、光敏電阻、(XD、CMOS或光電池。
4.如權利要求1所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述鏡面為高反射鏡，反射率大於80% ;光敏感器位於光源光線的反射光路上。
5.如權利要求1所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述鏡面為高透射鏡，透射率大於80%，光敏感器位於光源光線的透射光路上。
6.如權利要求1所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述鏡面為透射率與反射率相當的折反鏡，透射率與反射率之比在0.6?1.5之間，具有兩個光敏感器，一個位於電源光線的反射路線上，另一個位於電源光線的透射路線上，分別測量反射光路光敏感器信號變化和透射光路光敏感器信號變化，然後將相同塵埃質量下的反射光路和透射光路的光敏感器信號取平均值，繪製塵埃質量-光敏感器信號平均值關係曲線，該關係曲線即為標定曲線。
7.如權利要求4所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述光源入射角為30?70°。
8.如權利要求5或6所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，所述光源入射角小於45°。
9.如權利要求1?6任意一項所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，在空腔側面內壁內設有光路傳輸通道，所述光源和光敏感器位於光路傳輸通道內，光源處的光路傳輸通道用於光的準直，光敏感器處的光路傳輸通道用於光的準直和吸收雜散反射光。
10.如權利要求1?6任意一項所述的星體表面塵埃累積質量監測方法，其特徵在於，步驟3.1中，設置鏡面與水平面的誤差小於±10°。
【文檔編號】G01G17/04GK104280105SQ201410449520
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】莊建宏, 姚日劍, 王鷁, 鄒昕, 陳麗平, 顏則東, 郭興 申請人:蘭州空間技術物理研究所