采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置及该装置的测量方法
【专利摘要】采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置及该装置的测量方法，属于微冲量测量领域。解决了现有测量微冲量的装置及方法的测量精度低的问题。本发明采用线性调频双光束激光外差法应用在微冲量测量方法中，将微冲量的测量转化为标准梁扭摆角的测量，通过对平面标准镜厚度的测量可以间接得到待测标准梁扭摆角的信息，有效的提高了测量精度，在转动角度较小(小于5°)时，所测的微冲量与入射角θ0成线性关系，测量误差小于0.52％，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。本发明主要应用在评估激光微推力器上。
【专利说明】采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置及该装置的测量方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于微冲量测量领域。
【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。
[0004]而在光学测量法中，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。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决现有测量微冲量的装置及方法的测量精度低的问题，本发明提供了一种采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置及该装置的测量方法。
[0006]采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置，它包括脉冲激光器、工质靶、标准梁、2号平面反射镜、线性调频激光器、I号平面反射镜、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器、信号处理系统和真空室；
[0007]所述的脉冲激光器、工质靶、标准梁、2号平面反射镜、线性调频激光器、I号平面反射镜、平面标准镜和会聚透镜均放置在真空室内，[0008]标准梁的横梁的一个末端的平面上固定有工质靶，与该工质靶相对的标准梁的另一侧平面的相对位置上黏贴有2号平面反射镜；标准梁处于水平状态下，脉冲激光器发射的激光的光轴与工质靶的靶面垂直，
[0009]脉冲激光器向下发射激光入射至工质靶的靶面上，并与工质靶作用产生等离子体喷射，反喷作用使标准梁转动，同时，线性调频激光器输出的线偏振光经过I号平面反射镜斜入射到2号平面反射镜表面上，2号平面反射镜上的反射光经平面标准镜前表面透射的光被平面标准镜的后表面反射后与经过平面标准镜前表面反射的光一起被会聚透镜会聚后，经真空室的真空窗入射到光电探测器的光敏面上，
[0010]光电探测器的电信号输出端与信号处理系统的信号输入端连接，
[0011]所述的信号处理系统用于根据连续接收到的信号，获得标准梁的横梁所受到的微冲量。
[0012]所述的信号处理系统包括滤波器、前置放大器、A/D转换器和DSP，所述的滤波器的信号输出端与前置放大器的放大信号输入端连接，前置放大器的放大信号输出端与A/D转换器的模拟信号输入端连接，A/D转换器的数字信号输出端与DSP的数据信号输入端连接。
[0013]基于所述的采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置实现微冲量的测量方法，该方法的具体过程为，
[0014]首先，使脉冲激光器、线性调频激光器、光电探测器及信号处理系统处于工作状态，测量获得标准梁的摆角Θ，，
[0015]其次，根据
【权利要求】
1.采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置，其特征在于，它包括脉冲激光器(I)、工质靶(2)、标准梁(3)、2号平面反射镜(4)、线性调频激光器(5)、1号平面反射镜(6)、平面标准镜(7)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)、信号处理系统(10)和真空室(11); 所述的脉冲激光器(I)、工质靶(2)、标准梁(3)、2号平面反射镜(4)、线性调频激光器(5)、1号平面反射镜(6)、平面标准镜(7)和会聚透镜(8)均放置在真空室内， 标准梁(3)的横梁的一个末端的平面上固定有工质靶(2)，与该工质靶(2)相对的标准梁(3)的另一侧平面的相对位置上黏贴有2号平面反射镜(4);标准梁(3)处于水平状态下，脉冲激光器(I)发射的激光的光轴与工质靶(2)的靶面垂直， 脉冲激光器(I)向下发射激光入射至工质靶(2)的靶面上，并与工质靶(2)作用产生等离子体喷射，反喷作用使标准梁(3)转动，同时，线性调频激光器(5)输出的线偏振光经过I号平面反射镜(6)斜入射到2号平面反射镜(4)表面上，2号平面反射镜(4)上的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)会聚后，经真空室(11)的真空窗入射到光电探测器(9)的光敏面上， 光电探测器(9)的电信号输出端与信号处理系统(10)的信号输入端连接， 所述的信号处理系统(10)用于根据连续接收到的信号，获得标准梁(3)的横梁所受到的微冲量。
2.根据权利要求1所述的采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置，其特征在于，所述的信号处理系统(10)包括滤波器(10-1)、前置放大器(10-2)、A/D转换器(10-3)和DSP (10-4),所述的滤波器(10-1)的信号输出端与前置放大器(10_2)的放大信号输入端连接，前置放大器(10-2)的放大信号输出端与A/D转换器(10-3)的模拟信号输入端连接，A/D转换器(10-3)的数字信号输出端与DSP(10-4)的数据信号输入端连接。
3.基于权利要求1或2所述的采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置实现微冲量的测量方法，其特征在于，该方法的具体过程为， 首先，使脉冲激光器(I)、线性调频激光器(5)、光电探测器(9)及信号处理系统(10)处于工作状态，测量获得标准梁⑶的摆角Θ，， 其次，根据
4.根据权利要求3所述的基于采用线性调频双光束激光外差法及扭摆法测量微冲量的装置实现微冲量的测量方法，其特征在于，所述的获得标准梁(3)的摆角Θ，的具体过程为， 步骤一，假设线性调频激光器(5)输出的线偏振光以入射角Qtl斜入射至平面标准镜(7)时，平面标准镜(7)的入射光场E(t)为， E(t) = EQexp{i (c^t+k, t2)} (公式三), 其中，
【文档编号】G01L5/00GK103954390SQ201410205938
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】杨九如, 李彦超, 冉玲苓, 高扬, 柳春郁, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰, 于伟波 申请人:黑龙江大学