随着航天事业的迅速发展，空间碎片环境日益恶化，对在轨运行航天器特别是载人航天器的安全运行带来严重的威胁。实时获取载人航天器被空间碎片超高速撞击的源定位、损伤模式和损伤程度信息并采取相应的应急预案是保证在轨运行航天器正常工作和载人舱内航天员人身安全的必要措施。因此，航天器空间碎片撞击在轨感知系统的研制以及解决相关技术问题是一项迫切需要研究的课题。本文针对建立基于声发射技术的空间碎片撞击在轨感知系统所涉及到的有关问题进行研究，其中主要包括超高速撞击实验和数值仿真技术、超高速撞击声发射信号在板状结构中的传播与衰减规律、撞击源定位技术、撞击损伤模式识别技术等研究内容。　　超高速撞击实验与数值仿真技术相结合是开展空间碎片超高速撞击航天器声发射现象的一种有效手段。通过超高速撞击实验和数值仿真技术获得空间碎片撞击航天器结构损伤的声发射信号，为研究基于声发射技术的航天器空间碎片超高速撞击感知系统的有关问题提供了手段。制定了利用二级轻气炮进行超高速撞击声发射研究的实验方案并搭建了实验系统；为了弥补撞击声发射数据的不足，利用AUTODYN软件采用SPH方法进行超高速撞击声发射信号数值仿真，实现了撞击损伤声发射信号的采集。通过对超高速撞击实验和数值仿真得到的声发射信号对比分析，研究结果表明采用两种手段得到的声发射信号具有相同的变化规律，撞击损伤特征和声发射特征幅值变化规律一致，证明了数值仿真的有效性和正确性。　　超高速撞击声发射信号在结构中的传播规律是撞击源定位和损伤特征评估的基础。首先通过超高速撞击实验和数值仿真技术，获取了典型超高速撞击损伤声发射信号。然后，将小波时频分析技术应用于超高速撞击损伤声发射信号的分析中，根据超撞击声发射信号的特点，以500kHz为分界点，将声发射信号分解并重构为低频和高频部分，把重构后信号的第一和第二幅值作为声发射特征参数，研究了超高速撞击声发射信号在5A06铝合金板中的传播规律、低频和高频信号衰减系数同撞击速度的相互关系，获得了不同撞击速度下声发射信号衰减特性曲线。研究结果表明：超高速撞击声发射信号的低频和高频部分在铝板中呈现不同的衰减规律，低频信号衰减系数在2～4km/s范围内基本保持不变，在4～8km/s则迅速增大；而高频信号衰减系数随撞击速度的提高而增大。　　超高速撞击源定位是天基在轨撞击感知系统的一个重要功能，也是对航天器遭受空间碎片进行撞击损伤评估的重要内容。基于超高速撞击声发射信号特征，采用第一次过门槛值定位方法对超高速撞击源定位进行了研究。定位门槛的选取应以三角形定位组中距离撞击源最远的传感器接收的声发射信号的第一个峰值为定位门槛的最大值，以三个信号中的噪声幅度最大值为门槛选取的最小值，门槛值应在最小值与最大值之间取值，就能保证时差来源于同一个模式的板波模态，从而保证了定位的正确性和准确性。分别采用超高速撞击实验和数值仿真声发射信号进行源定位计算，验证定位算法和门槛值选取方法的有效性和适用性。为了对比不同定位方法的定位结果，利用小波变换技术分析了撞击声发射信号中的能量分布，提取信号能量集中的三个频率作为定位所用的特定频率，通过计算得到了撞击信号到达定位传感器的时间和源定位中所用的时差，采用三角形定位算法进行了撞击源定位。研究结果表明：根据所得到的定位门槛值，过门槛定位方法对超高速撞击源定位能够获得稳定的定位结果，更加适用于工程应用；基于小波分析技术的超高速撞击源定位，由于依赖不同频率的最大值出现的时间来获得定位所用的时差，定位精度随频率的不同而改变。　　对航天器遭受空间碎片撞击的损伤模式进行识别和损伤程度进行评估是空间碎片撞击在轨感知系统的关键技术。对利用超高速撞击实验和数值仿真技术得到的超高速撞击声发射信号进行小波变换，得到低频和高频部分，提取重构后低频和高频信号的第一和第二峰值幅度作为声发射特征参数，研究了撞击损伤模式、损伤特征与声发射特征参数的相互关系。研究结果表明：低频和高频信号的第一和第二峰值幅度声发射特征参数可以用来表征撞击损伤模式和损伤特征，如成坑深度、成坑坑径或穿孔孔径。在弹丸质量和靶板厚度一定的情况下，根据声发射信号低频第二与第一峰值幅度的比值，可以将撞击损伤模式分为三种类型：成坑、锥形穿孔和圆柱穿孔，得到了成坑深度、成坑坑径或穿孔孔径与低频第二与第一峰值幅度比值的定量关系。　　理论分析与实验研究是解决空间碎片撞击在轨感知系统关键技术的基础，而原理样机的研制是将撞击源定位、损伤模式识别和损伤程度评估等关键技术研究成果进行工程化的一个重要环节之一。通过硬件研制与软件编制，构建了基于声发射技术的空间碎片在轨撞击感知系统原理样机，并在实验室进行了超高速撞击声发射信号采集、源定位和损伤特征评估，初步通过了实验验证。　　本文以航天器和防护屏结构常用的铝合金板为对象，通过超高速撞击实验和数值仿真技术，系统地研究了超高速撞击声发射信号在结构中的传播规律、撞击源定位和撞击损伤模式识别等关键技术。通过研究，得到了能够用来进行实际应用的源定位方法；建立了通过声发射特征参数来预测撞击损伤程度的经验公式和声发射特征参数与撞击损伤模式之间的相互关系，构建了基于声发射技术的空间碎片撞击在轨感知系统原理样机，所得到的超高速撞击声发射信号数据和研究成果对我国开展航天器空间碎片撞击在轨感知系统的设计和应用具有重要参考价值和工程应用指导意义。