利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置及方法
【专利摘要】利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置及方法，属光学领域。是为了解决现有的激光干涉法测量微小冲量的偶然误差较大，测量精度低的问题。线性调频激光器发出线偏振光经第一平面反射镜和第二平面反射镜两次反射后入射至平面标准镜；经平面标准镜的前表面透射的光束在平面标准镜内经平面标准镜的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜的前表面透射之后与经平面标准镜前表面反射后的光束均通过会聚透镜和透过真空窗会聚到真空室外的光电探测器的光敏面上；光电探测器输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统根据连续接收到的电信号获得标准梁所受到的微冲量。本发明适用于微冲量的测量。
【专利说明】利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学领域。
【背景技术】
[0002]激光微推力器在微小卫星姿态和轨道控制领域有着广泛而深入的应用前景，其具有比冲高、冲量动态范围大、最小冲量小、功耗低、能量耦合效率高以及易于实现、轻量化和数字化控制等显著优势，受到了国内外学者们广泛的关注。而冲量是反映激光微推力器性能的一个重要参数，特点是量级小，约为10-7~10-5Ν *s。Photonic Associates小组Phipps等人于1999年提出了用扭摆系统测量激光微推力器产生的微小冲量，并用其进行微推力器性能参数的测试；2002年，Phipps等人又对扭摆系统进行了改进，随后国内的中国科技大学和装备指挥技术学院也进行了相关研究。从目前国内外报告的研究结果来看，一方面，测量系统的噪声会影响系统的精度，在小冲量量级，系统误差甚至达到了 50% ;同时，在力作用时间内，靶平面偏离焦平面，能量耦合效率降低，这也会影响微冲量的测量，因此常规的小冲量测量系统很难满足测量要求。
[0003]激光干涉法可有效解决常规测试系统存在的以上两个问题，提高系统的测量精度。采用两个角隅棱镜形成差动测量的方法代替原来的光指针方法测量扭摆转动的角度，大大提高了系统的精度；扭摆推进技术2010年的质量由原来的0.2g增加到58g，克服了离焦问题。研究结果表明，激光干涉法的引入极大地改善了扭摆测试系统的性能，能够满足激光微推力器微小冲量的测试要求。但是由于间接测量量较多，偶然误差较大，因此测量精度也不会很高。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有的激光干涉法测量微小冲量的偶然误差较大，测量精度低的问题，提出了利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置及方法。
[0005]利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置，它包括线性调频激光器、第一平面反射镜、扭摆系统、脉冲激光器、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；
[0006]所述线性调频激光器、第一平面反射镜、扭摆系统、脉冲激光器、平面标准镜和会聚透镜均位于真空室内，真空室上开有一个真空窗；
[0007]所述扭摆系统包括标准梁、第二平面反射镜和工质靶；在标准梁的一个末端下表面上黏贴有第二平面反射镜，标准梁上表面与第二平面反射镜对应位置固定有工质靶，标准梁处在水平的平衡状态下，工质靶的靶面垂直于脉冲激光器发射的激光束的光轴； [0008]线性调频激光器发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一平面反射镜和第二平面反射镜两次反射后，以Θ ^角入射至平面标准镜；经平面标准镜的前表面透射的光束在平面标准镜内经平面标准镜的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜的前表面透射之后与经平面标准镜前表面反射后的光束均通过会聚透镜和透过真空窗会聚到真空室外的光电探测器的光敏面上；
[0009]光电探测器输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统用于根据连续接收到的电信号，获得标准梁所受到的微冲量。
[0010]信号处理系统包括滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器；
[0011]滤波器的输入端连接光电探测器的电信号输出端；滤波器的输出端连接前置放大器的输入端；前置放大电路的输出端连接A/D转换电路的模拟信号输入端；A/D转换电路的数字信号输出端连接DSP微处理器的输入端。
[0012]所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置测量微冲量的方法，该方法包括以下步骤:
[0013]步骤一、同时打开线性调频激光器和脉冲激光器；
[0014]采用脉冲激光器发出脉冲激光激励工质靶，使工质靶产生等离子体喷射，所述工质靶产生的等离子体喷射的反喷作用使标准梁转动；
[0015]步骤二、信号处理系统在扭摆系统摆动过程中连续采集光电探测器发出的电信号，并对连续获得的电信 号进行处理，采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜的入射角Qtl;
[0016]步骤三、标准梁的摆角Θ，按公式Θ ' = Θ/2获取；
[0017]步骤四、根据标准梁的摆角Θ'获取标准梁所受到的微冲量I'，微冲量的计算公式如下:
/ U (o ,j AjtJ,人 4.'ι" U (O ^,,
[0018]^ —.β =—^ke，令 i 二 k，则 / = —.^
[0019]式中，J为扭摆系统的转动惯量，ω为阻尼频率，Τ,为该扭摆系统的阻尼周期，D为标准梁长度。
[0020]本发明适用于微冲量的测量。
[0021]针对传统的微冲量测量系统的特点和不足，本文提出了一种线性调频多光束激光外差二次谐波测角的扭摆微冲量测量方法，利用本文设计的扭摆测量系统进行了脉冲激光与PVC工质靶耦合所产生微冲量的仿真实验测量。结果表明，该测量方法线性范围大和分辨率高,此测角方法的优点是对转动敏感,对平动不敏感，因此测试系统对振动也有较强抗干扰能力，特别是低频振动，可以在几秒钟之内恢复到系统工作状态，不仅减小了测量误差，还降低了对测量设备和实验坏境的要求。同时，在转动角度较小，小于5°时，所测的冲量与入射角成线性关系，测量误差小于0.63%，能够满足激光微推力器冲量测量的要求，为评估激光微推力器的性能提供了很好的测量手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]图1是本发明所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置的结构示意图；
[0023]图2是多光束激光干涉原理示意图；
[0024]图3是线性调频多光束激光外差二次谐波信号的傅里叶变换频谱图；[0025]图4是不同入射角情况下微冲量测量对应的频谱图。
【具体实施方式】
[0026]参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置，它包括线性调频激光器1、第一平面反射镜2、扭摆系统、脉冲激光器6、平面标准镜7、会聚透镜8、光电探测器9和信号处理系统；
[0027]所述线性调频激光器1、第一平面反射镜2、扭摆系统、脉冲激光器6、平面标准镜7和会聚透镜8均位于真空室14内，真空室14上开有一个真空窗15 ；
[0028]所述扭摆系统包括标准梁3、第二平面反射镜4和工质靶5 ;在标准梁3的一个末端下表面上黏贴有第二平面反射镜4，标准梁3上表面与第二平面反射镜4对应位置固定有工质靶5，标准梁3处在水平的平衡状态下，工质靶5的靶面垂直于脉冲激光器6发射的激光束的光轴；
[0029]线性调频激光器I发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一平面反射镜2和第二平面反射镜4两次反射后，以Θ ^角入射至平面标准镜7 ;经平面标准镜7的前表面透射的光束在平面标准镜7内经平面标准镜7的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜7的前表面透射之后与经平面标准镜7前表面反射后的光束均通过会聚透镜8和透过真空窗15会聚到真空室14外的光电探测器9的光敏面上；
[0030]光电探测器9输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统用于根据连续接收到的电信号，获得标准梁3所受到的微冲量。
[0031]在光学测量法中，激光外差测量技术具有高的空间和时间分辨率、测量速度快、精度高、线性度好、抗干扰能力强、动态响应快、重复性好和测量范围大等优点而备受国内外学者关注，激光外差测量技术继承了激光外差技术的诸多优点，是目前超高精度测量方法之一。该方法已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一，广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。
[0032]为了能够采集到较好的激光差频信号和提高信号处理的运算速度，本文利用线性调频技术和激光外差技术，提出了一种高精度线性调频多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法，即利用线性调频技术将待测参数信息调制到外差信号二次谐波中，通过对激光外差二次谐波的解调可以精确获得待测参数信息。
[0033]脉冲激光器6发出的激光束与工质靶5作用产生等离子体喷射，反喷作用使标准梁3转动。同时，打开线性调频激光器I，使线偏振光经过第一平面反射镜2斜入射到黏贴在标准梁3上的第二平面反射镜4表面上，反射光经平面标准镜7前表面透射的光被平面标准镜7的后表面反射后与经过平面标准镜7前表面反射的光一起被会聚透镜8会聚到光电探测器9光敏面上，最后经光电探测器9光电转换后的电信号经过信号处理系统后得到不同时刻待测的参数信息。这样，就可以通过线性调频双光束激光外差法测得标准梁3的摆角，从而测量 出激光与工质靶5作用产生的微小冲量。
[0034]【具体实施方式】二:下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置作进一步说明，信号处理系统包括滤波器10、前置放大器11、A/D转换电路12和DSP微处理器13 ；[0035]滤波器10的输入端连接光电探测器9的电信号输出端；滤波器10的输出端连接前置放大器11的输入端；前置放大电路11的输出端连接A/D转换电路12的模拟信号输入端；A/D转换电路12的数字信号输出端连接DSP微处理器13的输入端。
[0036]【具体实施方式】三:参照图2具体说明本实施方式，根据【具体实施方式】二所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置测量微冲量的方法，该方法包括以下步骤:
[0037]步骤一、同时打开线性调频激光器I和脉冲激光器6 ；
[0038]采用脉冲激光器6发出脉冲激光激励工质靶5，使工质靶5产生等离子体喷射，所述工质靶5产生的等离子体喷射的反喷作用使标准梁3转动；
[0039]步骤二、信号处理系统在扭摆系统摆动过程中连续采集光电探测器9发出的电信号，并对连续获得的电信号进行处理，采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜7的入射角Θ ^ ;
[0040]步骤三、标准梁3的摆角Θ，按公式Θ ' = Θ。/2获取；
[0041]步骤四、根据标准梁3的摆角Θ'获取标准梁3所受到的微冲量I'，微冲量的计算公式如下:
【权利要求】
1.利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(I)、第一平面反射镜(2)、扭摆系统、脉冲激光器(6)、平面标准镜(7)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统； 所述线性调频激光器(I)、第一平面反射镜(2)、扭摆系统、脉冲激光器(6)、平面标准镜⑵和会聚透镜⑶均位于真空室(14)内，真空室(14)上开有一个真空窗(15)； 所述扭摆系统包括标准梁(3)、第二平面反射镜(4)和工质靶(5);在标准梁(3)的一个末端下表面上黏贴有第二平面反射镜(4)，标准梁(3)上表面与第二平面反射镜(4)对应位置固定有工质靶(5)，标准梁(3)处在水平的平衡状态下，工质靶(5)的靶面垂直于脉冲激光器(6)发射的激光束的光轴； 线性调频激光器(I)发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一平面反射镜(2)和第二平面反射镜(4)两次反射后，以Qtl角入射至平面标准镜(7);经平面标准镜(7)的前表面透射的光束在平面标准镜(7)内经平面标准镜(7)的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜(7)的前表面透射之后与经平面标准镜(7)前表面反射后的光 束均通过会聚透镜(8)和透过真空窗(15)会聚到真空室(14)外的光电探测器(9)的光敏面上； 光电探测器(9)输出电信号给信号处理系统；所述信号处理系统用于根据连续接收到的电信号，获得标准梁(3)所受到的微冲量。
2.根据权利要求1所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置，其特征在于，信号处理系统包括滤波器(10)、前置放大器(11)、A/D转换电路(12)和DSP微处理器(13)； 滤波器(10)的输入端连接光电探测器(9)的电信号输出端；滤波器(10)的输出端连接前置放大器(11)的输入端；前置放大电路(11)的输出端连接A/D转换电路(12)的模拟信号输入端；A/D转换电路(12)的数字信号输出端连接DSP微处理器(13)的输入端。
3.根据权利要求2所述的所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置测量微冲量的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、同时打开线性调频激光器(I)和脉冲激光器(6)； 采用脉冲激光器(6)发出脉冲激光激励工质靶(5)，使工质靶(5)产生等离子体喷射，所述工质靶(5)产生的等离子体喷射的反喷作用使标准梁(3)转动； 步骤二、信号处理系统在扭摆系统摆动过程中连续采集光电探测器(9)发出的电信号，并对连续获得的电信号进行处理，采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜(7)的入射角Θ。； 步骤三、标准梁(3)的摆角Θ，按公式Θ ' = 0^2获取； 步骤四、根据标准梁⑶的摆角Θ，获取标准梁(3)所受到的微冲量，微冲量的计算公式如下: Tf 2J (O t 4j ,, r.AtiJ.,, 2J (O > 4兀J ,/.,,、> =下=Ur*令，则^Ur = ; 式中，J为扭摆系统的转动惯量，ω为阻尼频率，T'为该扭摆系统的阻尼周期，D为标准梁⑶长度。
4.根据权利要求3所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的方法，其特征在于，步骤二中采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜(7)的入射角Θ ^的获取方法: 步骤二一、光电探测器(9)的光束的总光％ΕΣ(?):
Es (t) = E1 (t)+E2(t)+...+Em(t)； 其中=E1 (t)为光束经平面标准镜(7)前表面反射后的反射光场，且按公式
【文档编号】G01L5/00GK103968989SQ201410205999
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李彦超, 周巍, 刘明亮, 杨九如, 冉玲苓, 高扬, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰, 于伟波 申请人:黑龙江大学