基于圆形超声阵列传感器的在轨泄漏定位方法

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1、航天器环境工程第28卷第3期274SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011年6月基于圆形超声阵列传感器的在轨泄漏定位方法孟冬辉，闰荣鑫，郭欣(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：随着空间碎片数量的不断增加，载人航天器在轨泄漏定位问题成为一个亟待解决的问题。文章研究了一种基于圆形超声阵列传感器的在轨泄漏定位方法，利用互相关原理计算泄漏超声信号传播到不同测试单元的时间差，从而确定泄漏所在的方向，并根据三角定位方法确定漏孔的具体位置。关键词：在轨检漏；超声传感器；互相关中图分类号：TB774文献标识码：A文章编号：1673—1

2、379(2011)03-0274-03Dol：10．39690．issn．1673—1379．2011．03．0120引言空间站设计使用寿命一般都在10年以上，运行在空间碎片密集的低地球轨道上，受到空间碎片撞击的概率很大。此外，各种密封材料在空间环境的长期作用下失效也会导致舱体泄漏。空间站发生在轨泄漏后，如果不能及时确定漏孔位置并修复漏孔，航天员将不得不提前返回地球，甚至可能遭遇生命危险。相对于空间站在轨堵漏技术来说，在轨确定漏孔位置要困难得多【lJ。目前国际空间站在轨检漏使用的是手持式超声检漏仪【2】，该仪器与工业上应用的超声检漏仪几乎完全一样，优点是结构简单、

3、在舱内就能检漏；缺点是泄漏发出的超声波主要向漏孔的下游传播，向漏孔上游传播的超声波很小，因此在舱内检漏灵敏度较低⋯。2004年1月国际空间站上发生了一次泄漏事故，造成空间站舱体的压力以每天200Pa的速度下降，空间站上的航天员利用这种手持式超声检漏仪花费了两周时间才找到漏孔[3】。可见有必要开发新的检漏方法，从而快速准确定位空间站舱体上的漏孔位置。超声互相关检漏技术最初应用在供水或供气管道的漏孔定位中，可以利用泄漏本身产生的超声信号进行互相关检漏，也可以利用外加超声源的方法进行互相关检漏14j。美国爱荷华州立大学无损检测中心研制了用于泄漏检测的矩形超声阵列传感器【

4、51。1泄漏定位原理空间站舱体发生泄漏时会产生超声波，超声波在舱壁内传播形成超声导波【1J。通过贴于空问站舱壁内侧的超卢传感器测量不同位置的超声信号，对信号进行互相关分析，可以确定漏孔的位置。图1为圆形超声阵列传感器示意图。图1圆形超声阵列传感器不意图Fig．1Schematicdiagramofcircularultrasonicarraysensor该阵列传感器由36个超声检测单元构成，所有检测单元位于直径为d的圆周上，D1表示阵列传感器的圆心，D表示泄漏点位置。36个测试单元依次用品、Sl、岛⋯⋯⋯岛5表示，若某个测试单元用Si(i<18)表示，则Sf与S抖

5、18的连线通过阵列的圆心。泄漏点到墨与到S+18的距离分别用di和靠。s表示，两个超声检测单元之间的距离为阵列传感器的直径d，则di、靠18和d分别为三角形OSiSi+18的3条边长。令△谚=Ja／一Z+18I，(1)由于三角形两边之差小于第三边，故△谚≤d，收稿日期：2010—08—101修回日期：2011-05．09基金项目：总装备部“十一五”预先研究项目(编号：513200901)作者简介：孟冬辉(1978一)，男，硕士学位，主要从事航天器总装检漏研究工作。E-maihmengdonghui@126．COrn。第3期孟冬辉等：基于圆形超声阵列传感器的在轨泄漏

6、定位方法275当O、Sf、Si+18三点位于同一直线上时，Aa,取最大值d。设从泄漏点发出的超声信号传播到超声检测单元S的时间为岛，令Atf=Itf--tf+18I，(2)假设平板是各向同性的，且超声波在板中传播不存在衰减，则超声波在板中的传播速度v为常数，故当D、墨、脚183点位于同一直线上时，△f，取最大值。由上述分析可知，可以利用圆形超声阵列传感器，测量泄漏点发出的超声信号传播到位于同一条直径上的2个测试单元的时问差，时间差最大的超声测试单元组所在的直径方向即为泄漏点所在的方向。采用3个不共线的上述圆形超声阵列传感器，利用三角定位的方法，即可确定二维平面内的

7、泄漏点位置，其原理如图2所示。超声阵列传感器2舻跫估感警19Qi，，v、、f／／／j

8、／7i

9、，／／泄漏点，K．／

10、＼／、、＼o＼＼、超声阵列传感器3图2圆形超声阵列传感器三角定位原理Fig．2Principleoftriangulationwithcircularultrasonicsensol-array2利用互相关方法计算时间差由泄漏产生的超声信号是一种连续超声信号，连续超声信号时间差的测量通常采用互相关方法【61。由泄漏产生的超声信号往往不是单一频率的，可以用s(f)=∑aicos(toff)(3)i=1来描述【7】，式中：a，为第f个频率攻，成分的振幅；

11、n为频率成