一种羽流速度的测量方法及装置

本发明涉及光电，特别是涉及一种羽流速度的测量方法及装置。

背景技术：

1、近些年兴起的微阴极电弧推力器(micro-cathodearc thruster，μ-cat)，凭借其独有的易于小型化，低功率，超高比冲等特点，可以满足微纳卫星应用所提出的要求(小型化、低质量、高比冲、低功率等)，成为了各国研究的热门。微阴极电弧推力器羽流速度(羽流区离子速度)是推力器性能指标测量中一个极其重要的物理量。

2、目前主要使用飞行时间方法(time offlight，tof)对微阴极电弧推力器的羽流速度进行测量，微阴极电弧推力器阴极附近产生一个高密度等离子体团，在推力器出口处放置探针，高密度等离子体团通过探针时会产生离子电流峰值时刻(即离子离开微阴极电弧推力器出口的结束时刻)，通过微阴极电弧推力器极间电弧电流峰值时刻与离子电流峰值时刻之间的时间差，以及高密度等离子体团产生位置(即微阴极电弧推力器出口处)与探针之间的距离，可计算得到离子离开推力器的羽流速度。目前的测量方法中往往将电弧电流峰值时刻作为离子离开推力器出口的阴极电离峰值时刻(即离子离开微阴极电弧推力器出口的初始时刻)，然而电弧是引起阴极电离的原因，阴极电离峰值时刻滞后于电弧电流峰值时刻，故造成测量误差，且仅使用电弧电流峰值作为离子离开推力器出口的初始时刻，最终导致羽流速度的测量不准确。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种种羽流速度的测量方法及装置，可解决现有技术中羽流速度测量不准确的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，提供了一种羽流速度的测量方法，应用于微阴极电弧推力器，包括：

4、在光学测量过程中，通过光学测量模块获取光学测量时段的第一离子离开第一微阴极电弧推力器出口的离子出口时刻；其中，所述光学测量模块包括所述第一微阴极电弧推力器和光纤探头，所述第一离子为所述第一微阴极电弧推力器阴极电离过程中产生的；通过所述光纤探头获取所述第一微阴极电弧推力器出口处离子的光谱信息；将光纤探头获取所述光谱信息的各时刻作为所述离子出口时刻；

5、根据所述光谱信息和碰撞辐射模型，确定所述第一离子对应的离子密度占比；

6、在电学测量过程中，通过电学测量模块获取电学测量时段的第二离子从第二微阴极电弧推力器出口到达测速栅极的离子电流时刻，并从所述离子电流时刻中确定离子电流峰值时刻；其中，所述电学测量模块包括所述第二微阴极电弧推力器和所述测速栅极，所述第二离子为所述第二微阴极电弧推力器阴极电离过程中产生的；所述测速栅极与所述第二微阴极电弧推力器出口之间的距离为预设距离；

7、获取所述离子出口时刻与所述离子电流时刻的对应关系，得到所述电学测量过程中的目标离子出口时刻；

8、将所述离子电流峰值时刻分别与所述目标离子出口时刻做差得到时间差；

9、基于所述时间差、所述预设距离和所述离子密度占比，确定第二微阴极电弧推力器的平均速度，将所述平均速度作为所述第二微阴极电弧推力器的羽流速度，其中，所述离子密度占比作为所述平均速度的权重。

10、进一步的，所述获取所述离子出口时刻与所述离子电流时刻的对应关系，得到所述电学测量过程中的目标离子出口时刻，具体包括：

11、基于所述第一微阴极电弧推力器产生的第一电弧电流，确定第一电弧电流峰值时刻；基于所述第二微阴极电弧推力器产生的第二电弧电流，确定第二电弧电流峰值时刻；

12、根据所述第一电弧电流峰值时刻与所述第二电弧电流峰值时刻，确定所述离子出口时刻与所述离子电流时刻之间的对应关系；

13、根据所述对应关系，得到所述电学测量过程中的所述目标离子出口时刻。

14、进一步的，根据所述对应关系，得到所述电学测量过程中的所述目标离子出口时刻，具体包括：

15、针对所述光学测量时段的任一时段，获取所述任一时段的所述第一离子离开所述第一微阴极电弧推力器出口的第一离子出口时刻，将所述第一电弧电流峰值时刻与所述第一离子出口时刻做差，得到第一差值；

16、针对所述电学测量时段的任一时段，获取所述任一时段的所述第二离子离开所述第二微阴极电弧推力器出口的第一离子电离时刻，将所述第二电弧电流峰值时刻与所述第一离子电离时刻做差，得到第二差值；

17、当所述第一差值等于所述第二差值时，判定所述第一离子电流时刻和所述第一离子出口时刻为同一时刻，将所述第一离子出口时刻作为所述电学测量过程中的所述目标离子出口时刻。

18、进一步的，所述根据所述光谱信息和碰撞辐射模型，确定所述第一离子对应的离子密度占比，具体包括：

19、所述光谱信息包括所述第一离子的离子光强比值及所述第一离子对应的光强总和；

20、将所述离子光强比值及所述光强总和输入所述碰撞辐射模型，输出所述第一离子对应的离子密度占比。

21、进一步的，所述基于所述时间差、所述预设距离和所述离子密度占比，确定第二微阴极电弧推力器的平均速度，具体包括：

22、针对所述光学测量时段中的任一时段，将所述离子电流峰值时刻与所述任一时段对应的所述离子出口时刻做差，得到第一时间差；

23、将所述预设距离与所述第一时间差做比，得到第一比值；

24、将所述第一比值乘以所述任一时段对应的所述离子密度占比，得到第一权重速度；

25、将各所述第一权重速度的和值，作为所述第二微阴极电弧推力器的平均速度。

26、第二方面，提供了一种羽流速度的测量装置，包括：

27、光学测量模块，用于获取光学测量时段的第一离子离开第一微阴极电弧推力器出口的离子出口时刻；其中，所述光学测量模块包括所述第一微阴极电弧推力器和光纤探头，所述第一离子为所述第一微阴极电弧推力器阴极电离过程中产生的；通过所述光纤探头获取所述第一微阴极电弧推力器出口处离子的光谱信息；将光纤探头获取所述光谱信息的各时刻作为所述离子出口时刻；

28、校准模块，用于根据所述光谱信息和碰撞辐射模型，确定所述第一离子对应的离子密度占比；

29、电学测量模块，用于获取电学测量时段的第二离子从第二微阴极电弧推力器出口到达测速栅极的的离子电流时刻，并从所述离子电流时刻中确定离子电流峰值时刻；其中，所述电学测量模块包括所述第二微阴极电弧推力器和所述测速栅极，所述第二离子为所述第二微阴极电弧推力器阴极电离过程中产生的；所述测速栅极与所述第二微阴极电弧推力器出口之间的距离为预设距离；

30、判定模块，用于获取所述离子出口时刻与所述离子电流时刻的对应关系，得到所述电学测量过程中的目标离子出口时刻；

31、计算模块，用于将所述离子电流峰值时刻分别与所述目标离子出口时刻做差得到时间差；

32、确定模块，用于基于所述时间差、所述预设距离和所述离子密度占比，确定第二微阴极电弧推力器的平均速度，将所述平均速度作为所述第二微阴极电弧推力器的羽流速度，其中，所述离子密度占比作为所述平均速度的权重。

33、进一步的，所述光学测量模块还包括：

34、控制电脑、光纤探头、光谱仪、第一示波器、iccd相机和第一igbt电路单元；其中，所述iccd相机设置在所述光谱仪上；所述光纤探头通过支架与所述光谱仪连接；所述第一igbt电路单元与所述第一微阴极电弧推力器连接；所述第一igbt电路单元包括第一直流电源、第一电阻、第一电容和第一igbt开关；

35、所述第一igbt开关用于在获取信号源之后输出第一脉冲信号，所述第一igbt电路单元用于基于所述第一脉冲信号输出脉冲能量给所述第一微阴极电弧推力器；所述第一示波器用于追踪所述第一脉冲信号；所述控制电脑用于获取所述第一脉冲信号触发所述iccd相机发出扫描信号，以控制所述光谱仪；所述光谱仪用于基于所述光谱信息输出所述离子出口时刻。

36、进一步的，所述光学测量模块还包括：

37、第一航空插头和第一真空罐体；所述真空罐体包括所述第一微阴极电弧推力器和所述光纤探头；

38、所述第一igbt电路单元和所述光纤探头分别通过所述第一航空插头与所述第一真空罐体连接。

39、进一步的，所述电学测量模块还包括：

40、第二igbt电路单元、第二示波器和离子接收单元；

41、所述第二igbt电路单元与所述第二微阴极电弧推力器连接；所述第二igbt电路单元包括第二直流电源、第二电阻、第二电容和第二igbt开关；第二igbt开关用于输出第二脉冲信号，所述第二igbt电路单元用于基于所述第二脉冲信号输出脉冲能量给所述第二微阴极电弧推力器；

42、所述第二示波器和所述离子接收单元连接，所述离子接收单元包括所述测速栅极和电流探头；所述测速栅极设置于所述第二微阴极电弧推力器出口下游的所述预设距离；

43、所述测速栅极用于接收所述第二离子产生离子电流，所述电流探头用于测量流经所述测速栅极的所述离子电流和所述第二微阴极电弧推力器的电弧电流，并传输给所述第二示波器，所述第二示波器用于基于所述离子电流和所述电弧电流，输出所述离子电流峰值和电弧电流峰值。

44、进一步的，所述电学测量模块还包括：

45、第二航空插头和第二真空罐体；所述第二真空罐体包括所述第二微阴极电弧推力器和所述测速栅极；

46、所述第二igbt电路单元和所述测速栅极分别通过所述第二航空插头与所述第二真空罐体连接。

47、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明一方面通过光学测量模块获取第一微阴极电弧推力器光学测量时段的第一离子离开第一微阴极电弧推力器出口的离子出口时刻，即测量真实的离子出口时刻不再使用现有技术中的电弧电流峰值做为替代，且电弧电流峰值时刻作为离子离开推力器出口的唯一的初始时刻，而本发明通过光学测量模块的光纤探头获取光学测量时段内的第一离子在第一微阴极电弧推力器出口处的光谱信息，从而获取多个初始时刻(即离子出口时刻)。且基于光学测量时段内不同时刻的第一离子离开第一微阴极电弧推力器出口处的离子密度不同，通过光谱信息和碰撞辐射模型得到了第一离子对应的离子密度占比，将所述离子密度占比作为后续测量平均速度的权重对平均速度进行测量，能够进一步提高测量的准确性。

48、另一方面，通过电学测量模块获取电学测量时段的第二离子离开第二微阴极电弧推力器出口的离子电流时刻，基于光学测量模块得到的离子出口时刻与电学测量模块得到的离子电流时刻之间的对应关系，得到目标离子出口时刻，避免了现有技术将电弧电流峰值时刻作为离子离开微阴极电弧推力器出口的阴极电离峰值时刻，此处阴极电离峰值时刻仅为目标离子出口时刻中的一个时刻，也就是说，通过上述方法不仅避免了现有技术的初始时刻的单一性，同时采用在微阴极电弧推力器的阴极电离过程中离子真正离开出口处的初始时刻，替代现有技术中使用的电弧电流峰值时刻作为初始时刻，最终规避了电弧电流峰值时刻滞后阴极电离峰值时刻引起的误差，如此，基于电离电流峰值时刻与离子出口时刻得到的时间差更为准确，在此基础上，结合预设距离以及作为后续需要计算的平均速度的权重的离子密度占比，得到的平均速度作为羽流速度，最终提高了羽流速度测量的准确性。