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申请/专利权人：清华大学

摘要：本发明公开一种火工冲击地面模拟试验装置，包括：火工冲击响应模拟装置，用于产生火工冲击响应；火工冲击响应测试装置，用于获取由火工冲击模拟装置产生的冲击响应信息；和火工冲击响应分析装置，用于分析由火工冲击响应测试装置所获取的冲击响应信息。火工冲击响应模拟装置包括：谐振装置、大能量固体激光器和激光控制器，激光控制器调节参数以控制固体激光器，使得固体激光器发射的激光能够在谐振装置上产生与火工冲击响应相似的冲击响应。本发明在采用激光激励精确、可重复模拟火工冲击的基础上，实现结构火工冲击响应信号的无失真采集，并最终通过时频分析方法获得包含火工冲击响应完整信息的时频谱。

主权项：1.一种火工冲击地面模拟试验装置，包括：火工冲击响应模拟装置SM，用于模拟产生火工冲击响应；火工冲击响应测试装置MM，用于获取由所述火工冲击响应模拟装置产生的冲击响应信息；和火工冲击响应分析装置10，用于分析由火工冲击响应测试装置所获取的冲击响应信息，其特征在于，所述火工冲击响应模拟装置SM包括：谐振装置，所述谐振装置包括工作平台、加载板和谐振板；被测试工件放置于所述谐振板上，固体激光器4，所述固体激光器发射激光作用于所述谐振装置；和激光控制器5，所述激光控制器5调节参数以控制所述固体激光器4，使得所述固体激光器4发射的激光能够作用于所述加载板，以产生瞬态、高量级的冲击波，并传递到所述谐振板，以产生与火工冲击响应相似的冲击响应。

全文数据：激光激励式火工冲击地面模拟试验装置技术领域本发明涉及力学环境技术领域，特别是涉及火工冲击地面模拟试验装置。背景技术航天器火工冲击环境是由星箭分离、部组件展开等工作过程中的火工品起爆引起的作用于结构上的瞬态冲击响应，具有瞬态、高频、高量级的特点，是航天器在全生命周期内经历的最苛刻的力学环境之一，可能造成航天器上含有晶振、脆性材料等的精密电子设备造成致命损伤，直接威胁到航天器的运行安全和可靠性。因此在航天器型号研制过程中，必须通过地面试验考核仪器设备耐受火工冲击的能力。火工冲击地面模拟试验装置包括冲击响应模拟、冲击响应测量和响应数据分析等部分。目前，火工冲击响应模拟主要采用火工爆炸式和机械撞击式，火工爆炸式存在可控性差、试验费用高和安全性差等问题，机械撞击式存在“高频欠试验、低频过试验”等问题；冲击响应测量主要采用接触式加速度传感器，存在测量不准确、单次测试信息量少和试验消耗量大等问题；而冲击响应数据分析主要采用冲击响应谱取响应最大值的方法对火工冲击破坏能力进行衡量，存在着相位丢失、冲击响应谱与时域信号一对多的问题。以上问题将直接导致航天器仪器设备在地面试验考核中出现问题，影响航天器型号研制进程。因此，亟需研制一种高精度火工冲击地面模拟试验装置，实现航天产品真实火工冲击环境的精确模拟、测试和分析，从而为航天型号研制提供试验保障。发明内容为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种激光激励式火工冲击地面模拟试验系统。本发明需要解决的技术问题是提供一种高精度火工冲击地面模拟试验装置，实现航天产品真实火工冲击环境的精确模拟、测试和分析。为解决上述技术问题，本发明提出了一种激光激励式火工冲击地面模拟试验系统，包括：火工冲击响应模拟装置，用于产生火工冲击响应；火工冲击响应测试装置，用于获取由所述火工冲击模拟装置产生的冲击响应信息；和火工冲击响应分析装置，用于分析由火工冲击响应测试装置所获取的冲击响应信息，其特征在于，所述火工冲击响应模拟装置包括：谐振装置；固体激光器，所述固体激光器发射激光作用于所述谐振装置；和激光控制器，所述激光控制器调节参数以控制所述固体激光器，使得所述固体激光器发射的激光能够在所述谐振装置上产生与火工冲击响应相似的冲击响应。根据本发明的一个实施例，所述火工冲击模拟装置通过所述激光控制器调节激光的单脉冲能量、脉宽和光斑直径等参数控制所述固体激光器4产生能量高、脉宽窄的激光作用于所述谐振装置，以产生与火工冲击响应相似的瞬态、高频、高量级冲击响应。根据本发明的一个实施例，所述火工冲击响应测试装置包括：数据测量装置；和数据采集装置，所述火工冲击测试装置通过所述数据采集装置控制所述数据测量装置同步地采集冲击响应速度、加速度以及冲击导致的温度场变化，从而获取全面的冲击响应信息。根据本发明的一个实施例，所述数据测量装置包括：压阻式加速度传感器，所述压阻式加速度传感器粘附在设置在所述谐振装置上的谐振板的测点位置处；激光多普勒测速仪，所述激光多普勒测速仪对准所述谐振板的所述测点位置进行相互校验；和高速热像仪，所述高速热像仪设置在所述谐振装置上的加载板下方，对冲击位置及附近温度变化进行监测。根据本发明的一个实施例，所述数据采集装置通过T-Clk触发时钟控制各通道测量的同步触发。根据本发明的一个实施例，所述数据采集装置包含速度加速度转换模块，能够实现将所述激光多普勒测速仪采集到的速度信号转换成加速度信号。根据本发明的一个实施例，所述火工冲击响应分析装置包括：数据预处理模块，通过数据预处理模块对所述火工冲击响应测试装置得到的数据进行滤波去噪；数据分析模块，通过所述数据分析模块生成包含时间信息的冲击响应时频谱；和数据存储及输出模块，在数据存储及输出模块中实现地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。根据本发明的一个实施例，所述数据预处理模块包括：数据有效性评估子模块，所述数据有效性评估子模块采用速度检查和正负冲击响应谱对比等方式对零漂现象进行评估；和数据预处理子模块，当存在零漂现象时，所述数据预处理子模块采用滤波法、离散小波变换法和经验模式分解法等进行校正。根据本发明的一个实施例，所述数据分析模块包括：冲击响应时频分析子模块，所述冲击响应时频分析子模块采用小波分析、HHT分析等时频算法，以实现火工冲击响应数据的时频细节表征，获取冲击能量集中时间点；温度场分析子模块，所述温度场分析子模块采用图像增强和特征提取算法，以分析冲击导致激励点附近温度场的变化规律；火工冲击环境评价子模块，所述火工冲击环境评价子模块采用冲击响应谱归一化均值法或峰值包络，以定量分析本实验装置模拟真实火工冲击环境的误差。根据本发明的一个实施例，所述数据存储及输出模块包括：数据存储硬件；自定义数据库；和输出终端，用于地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。根据本发明的一个实施例的火工冲击地面模拟试验装置的有益效果包括但不限于以下一个或多个：采用激光激励实现真实火工冲击环境的精确模拟，具有精度高、效率高、可重复性好、无损、成本低等优点；通过多传感器布局设计、测试工装设计、多传感器同步触发测试、测试数据分类存储等技术，实现了冲击响应多参量协同测试，能够更加全面、精确地获取火工冲击响应特征；火工冲击响应分析装置可以实现火工冲击响应时、频域信息统一，且便于工程应用，形成对火工冲击环境更加全面和准确的评价。附图说明通过参照附图详细描述本发明的实施例，本发明将变得更加清楚，多个实施例被图示在附图中以用于说明性目的，并且决不应该被理解为限制实施例的范围。另外，不同的公开的实施例的各种特征可以组合以形成额外实施例，额外实施例是本公开的一部分，其中：图1为本发明实施例的激光激励式火工冲击地面模拟试验装置的设计示意图；图2为本发明实施例的激光激励式火工冲击地面模拟试验装置的响应测试装置的数据采集装置的设计示意图；图3为本发明实施例的激光激励式火工冲击地面模拟试验装置的数据预处理模块的设计示意图；图4为本发明实施例的激光激励式火工冲击地面模拟试验装置的数据分析模块的设计示意图；和图5为本发明实施例的激光激励式火工冲击地面模拟试验装置的结构示意图。附图标记说明：1-工作平台；2-加载板；3-谐振板；4-大能量固体激光器；5-激光控制器；6-数据采集装置；7-压阻式加速度传感器；8-激光多普勒测速仪；9-高速热像仪；10-火工冲击响应分析装置；11-被测试件具体实施方式下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。在本发明的任何实施例被具体地描述之前，应该理解本文中公开的概念不将它们的应用限制到在以下描述中阐述或在以下附图中图示的构造的细部和构件的布置。在这些实施例中图示的概念能够以各种方式实践或执行。本文中使用的具体短语和术语为了便于描述，并且不应该被认为是限制性的。下面将结合实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。参照图1和图5所示，一种激光激励式火工冲击地面模拟试验装置，包括火工冲击模拟装置SM、火工冲击响应测试装置MM和火工冲击响应分析装置10。火工冲击模拟装置SM包括谐振装置、固体激光器4和激光控制器5，火工冲击响应测试装置MM包括数据测量装置和数据采集装置6，火工冲击响应分析装置10包括数据预处理模块、数据分析模块和数据存储及输出模块。参照图1和图5所示，火工冲击模拟装置SM通过激光控制器5调节激光的单脉冲能量、脉宽和光斑直径等参数控制固体激光器4产生大能量、窄脉宽激光作用于谐振装置，产生与火工冲击响应相似的瞬态、高频、高量级冲击响应。参照图5所示，谐振装置包括工作平台1、加载板2和谐振板3，固体激光器4包括激光激励装置、冷却装置和供电装置，激光控制器5包括激光参数计算子装置和激光参数调节子装置。参照图1所示，火工冲击测试装置通过数据采集装置6控制数据测量装置同步采集冲击响应速度、加速度以及冲击导致的温度场变化并进行存储，从而全面获取冲击响应信息。参照图2所示，数据采集装置6通过采用四个LTC2175可提供32通道模数转换，单通道最大采样率可达到100MSs，分辨率为14bit，采用AD9517-3锁相环通过SPI对采样频率进行稳定控制，两个16GBDDR内存条可以实现快速存储，ADC控制模块用来控制各个通道的开关，存储控制器通过存储接口和32bit数据总线和地址总线实现两个存储器之间的交流，高速数据由Virtex-6传递给Virtex-5，通过DSP处理后经PCIe总线传递给计算机。参照图1和图5所示，数据测量装置包括压阻式加速度传感器7、激光多普勒测速仪8、高速热像仪9，压阻式加速度传感器7粘附于谐振板3测点位置，激光多普勒测速仪8对准谐振板3相同测点位置进行相互校验，高速热像仪9放置于加载板2下方，对冲击位置及附近温度变化进行监测。参照图1所示，数据采集装置6通过T-Clk触发时钟控制各通道测量的同步触发，且包含速度加速度转换模块，能够实现将激光多普勒测速仪8采集到的速度信号转换成加速度信号。参照图1所示，火工冲击响应分析装置10通过数据预处理模块对火工冲击响应测试装置得到的数据进行滤波去噪，然后通过数据分析模块生成包含时间信息的冲击响应时频谱，最终在数据存储及输出模块中实现地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。参照图1和图3所示，数据预处理模块包括数据有效性评估子模块和数据预处理子模块，数据有效性评估子模块采用速度检查和正负冲击响应谱对比等方式对零漂现象进行评估，当存在零漂现象时，数据预处理子模块采用离散小波变换方法对其校正。参照图1和图4所示，数据分析模块包括冲击响应时频分析子模块、温度场分析子模块、火工冲击环境评价子模块，冲击响应时频分析子模块采用小波分析、HHT分析等时频算法，获取冲击能量集中时间点，实现火工冲击响应数据的时频细节表征，温度场分析子模块采用图像增强和特征提取算法分析冲击导致激励点附近温度场的变化规律，火工冲击环境评价子模块采用冲击响应谱归一化均值定量分析本实验装置模拟真实火工冲击环境的误差。参照图1所示，数据存储及输出模块包括数据存储硬件、自定义数据库和输出终端，从而实现地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。参照附图1所示，根据本发明的一个实施例的一种激光激励式火工冲击地面模拟试验装置包括：子系统一：火工冲击模拟装置；子系统二：火工冲击响应测试装置；和子系统三：火工冲击响应分析装置。根据本发明的一个实施例，火工冲击模拟装置SM包括谐振装置、固体激光器5和激光控制器6。火工冲击模拟装置SM通过激光控制器5调节激光的单脉冲能量、脉宽和光斑直径等参数控制固体激光器4产生大能量、窄脉宽激光作用于谐振装置，产生与火工冲击响应相似的瞬态、高频、高量级冲击响应。所图5所示，大能量、窄脉宽激光作用于地面模拟试验台架上，在该地面模拟试验台架上设置有通量吸收层和航天结构试验件，例如，如图5所示的被测试件11。进一步的，谐振装置包括工作平台1、加载板2和谐振板3，固体激光器4包括激光激励装置、冷却装置和供电装置，激光控制器5包括激光参数计算子装置和激光参数调节子装置。根据本发明的一个实施例，火工冲击响应测试装置MM包括数据测量装置和数据采集装置6，火工冲击测试装置MM通过数据采集装置6控制数据测量装置同步采集冲击响应速度、加速度以及冲击导致的温度场变化并进行存储，从而全面获取冲击响应信息。进一步的，数据测量装置包括压阻式加速度传感器7、激光多普勒测速仪8和高速热像仪9，压阻式加速度传感器7粘附于谐振板3测点位置，激光多普勒测速仪8对准谐振板3相同测点位置进行相互校验，高速热像仪9放置于加载板2下方，对冲击位置及附近温度变化进行监测。更进一步的，数据采集装置6通过T-Clk触发时钟控制各通道测量的同步触发，且包含速度加速度转换模块，能够实现将激光多普勒测速仪6采集到的速度信号转换成加速度信号。根据本发明的一个实施例，火工冲击响应分析装置10包括数据预处理模块、数据分析模块和数据存储及输出模块。火工冲击响应分析装置10通过数据预处理模块对火工冲击响应测试装置MM得到的数据进行滤波去噪，然后通过数据分析模块生成包含时间信息的冲击响应时频谱，最终在数据存储及输出模块中实现地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。进一步的，数据预处理模块包括数据有效性评估子模块和数据预处理子模块，数据有效性评估子模块采用速度检查和正负冲击响应谱对比等方式对零漂现象进行评估，当存在零漂现象时，数据预处理子模块采用离散小波变换方法对其校正。更进一步的，数据分析模块包括冲击响应时频分析子模块、温度场分析子模块、火工冲击环境评价子模块，冲击响应时频分析子模块采用小波分析、HHT分析等时频算法，以实现火工冲击响应数据的时频细节表征，获取冲击能量集中时间点，温度场分析子模块采用图像增强和特征提取算法分析冲击导致激励点附近温度场的变化规律，火工冲击环境评价子模块采用冲击响应谱归一化均值定量分析本实验装置模拟真实火工冲击环境的误差。更进一步的，数据存储及输出模块包括数据存储硬件、自定义数据库和输出终端，从而实现地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。根据本发明的一个实施例，一种激光激励式火工冲击地面模拟试验装置的工作流程如下：被测试件11放置于谐振板2，激光控制器5控制固体激光器4产生稳定、高能、窄脉宽的激光，作用于加载板2产生瞬态、高量级的冲击波，传递至谐振板2，引起谐振板2的冲击响应，数据采集装置6通过控制压阻式加速度传感器7、激光多普勒测速仪8、高速热像仪9对冲击响应加速度、速度、温度信号进行同步采集，并传输至火工冲击响应分析装置10进行信号的预处理和时频分析，最终将分析结果反馈至激光控制器5，从而控制固体激光器4在谐振装置上产生需要的冲击响应。附图中示出了一些方框图和或流程图。应理解，方框图和或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和或流程图中所说明的功能操作的装置。因此，本公开的技术可以硬件和或软件包括固件、微代码等的形式来实现。另外，本公开的技术可以采取存储有指令的计算机可读介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品可供指令执行系统例如，一个或多个处理器使用或者结合指令执行系统使用。在本公开的上下文中，计算机可读介质可以是能够包含、存储、传送、传播或传输指令的任意介质。例如，计算机可读介质可以包括但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置、器件或传播介质。计算机可读介质的具体示例包括：磁存储装置，如磁带或硬盘HDD；光存储装置，如光盘CD-ROM；存储器，如随机存取存储器RAM或闪存；和或有线无线通信链路。以上的详细描述通过使用示意图、流程图和或示例，已经阐述了火工冲击地面模拟试验装置的众多实施例。在这种示意图、流程图和或示例包含一个或多个功能和或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和或共同实现。在一个实施例中，本公开的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路ASIC、现场可编程门阵列FPGA、数字信号处理器DSP、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和或写入软件和或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘CD、数字通用盘DVD、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和或模拟通信介质例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等”。已经参照示范性实施例描述了本发明。不过，显而易见，本领域技术人员在上述描述的教导下可明显得出多种可选择的变型和改变。因而，本发明包含落入所附权利要求的精神和范围之内的所有可选择的变型和改变。应当强调的是，可以对上述实施例进行许多变化和修改，其中的元件将被理解为在其他可接受的示例之中。本文中，所有该修改例和变化例旨在被包括在本公开的范围中。前述的描述示出了某些实施例的细节。然而，应当理解，无论上述内容在文本或附图中如何详细描述，可以以许多方式实施装置和方法。如上所述，应当指出，在描述本发明的某些特征或方面时使用的特定术语不应被认为意味着术语在本文中重新限定为被限制为包括与术语相关联的装置和方法的特征或方面的任何特定特性。

权利要求：1.一种火工冲击地面模拟试验装置，包括：火工冲击响应模拟装置SM，用于模拟产生火工冲击响应；火工冲击响应测试装置MM，用于获取由所述火工冲击模拟装置产生的冲击响应信息；和火工冲击响应分析装置10，用于分析由火工冲击响应测试装置所获取的冲击响应信息，其特征在于，所述火工冲击响应模拟装置SM包括：谐振装置；固体激光器4，所述固体激光器发射激光作用于所述谐振装置；和激光控制器5，所述激光控制器5调节参数以控制所述固体激光器4，使得所述固体激光器4发射的激光能够在所述谐振装置上产生与火工冲击响应相似的冲击响应。2.根据权利要求1所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于：所述火工冲击模拟装置SM通过所述激光控制器5调节激光的单脉冲能量、脉宽和光斑直径等参数控制所述固体激光器4产生能量高、脉宽窄的激光作用于所述谐振装置，以产生与火工冲击响应相似的瞬态、高频、高量级冲击响应。3.根据权利要求1所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述火工冲击响应测试装置MM包括：数据测量装置；和数据采集装置6，所述火工冲击测试装置MM通过所述数据采集装置6控制所述数据测量装置同步地采集冲击响应速度、加速度以及冲击导致的温度场变化，从而获取全面的冲击响应信息。4.根据权利要求1所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述数据测量装置包括：压阻式加速度传感器7，所述压阻式加速度传感器7粘附在设置在所述谐振装置上的谐振板的测点位置处；激光多普勒测速仪8，所述激光多普勒测速仪8对准所述谐振板的所述测点位置进行相互校验；和高速热像仪9，所述高速热像仪9设置在所述谐振装置上的加载板下方，对冲击位置及附近温度变化进行监测。5.根据权利要求3所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集装置6通过T-Clk触发时钟控制各通道测量的同步触发。6.根据权利要求3所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述数据采集装置6包含速度加速度转换模块，能够实现将所述激光多普勒测速仪8采集到的速度信号转换成加速度信号。7.根据权利要求1所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述火工冲击响应分析装置10包括：数据预处理模块，通过数据预处理模块对所述火工冲击响应测试装置MM得到的数据进行滤波去噪；数据分析模块，通过所述数据分析模块生成包含时间信息的冲击响应时频谱；和数据存储及输出模块，在数据存储及输出模块中实现地面模拟试验测量数据的统一存储以及冲击响应分析和评价结果的输出。8.根据权利要求7所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述数据预处理模块包括：数据有效性评估子模块，所述数据有效性评估子模块采用速度检查和正负冲击响应谱对比等方式对零漂现象进行评估；和数据预处理子模块，当存在零漂现象时，所述数据预处理子模块采用离散小波变换方法进行校正。9.根据权利要求7所述的火工冲击地面模拟试验装置，其特征在于，所述数据分析模块包括：冲击响应时频分析子模块，所述冲击响应时频分析子模块采用小波分析、HHT分析等时频算法，以实现火工冲击响应数据的时频细节表征，获取冲击能量集中时间点；温度场分析子模块，所述温度场分析子模块采用图像增强和特征提取算法，以分析冲击导致激励点附近温度场的变化规律；火工冲击环境评价子模块，所述火工冲击环境评价子模块采用冲击响应谱归一化均值法，以定量分析本实验装置模拟真实火工冲击环境的误差。

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