一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法和裝置的製作方法

2023-12-01 02:10:56 2

專利名稱：一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法和裝置，特別是涉及一種可用於空間雙星雷射外差幹涉測距系統弱光鎖相技術的模擬方法和裝置，用以進行地面模擬實驗。
背景技術：
目前我國和歐美地區正計劃開展一系列空間探索項目，例如下一代月球重力場探測衛星計劃、地球先進重力衛星計劃和空間引力波探測計劃等。空間雙星間距的精確測量對空間探索項目非常重要。由於雷射幹涉測距在測量精度上可以比微波測距高出三到四個量級，各國在優化對比的基礎上均計劃在此類項目中採用星間雷射幹涉測距技術作為信號探測的基本方法學。另外，由於測量雙星間存在相對速度，星間雷射產生都卜勒頻率移動，因此星間雷射幹涉測距必須採用外差幹涉法。但是雷射經過長距離傳輸會有很大的發散，而望遠鏡的接收直徑又有限，這就造成了接收光功率的衰減。接收光功率Pr可表示為:
權利要求
1.一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法，其特徵在於，包括如下步驟: Ca)產生準直、單色、偏振態、強度及相位可控的偏振入射雷射和偏振本地雷射； (b)通過目標信號模擬控制系統，對所述入射雷射的相位進行調製，用來模擬目標信號; (C)通過差分幹涉系統，對入射雷射的強度進行衰減並將所述入射雷射與所述本地雷射匯聚形成兩路差分幹涉雷射信號； (d)通過鎖相控制系統，對所述本地雷射的相位進行調製，使所述本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定。
2.如權利要求權I所述的一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法，其特徵在於，所述步驟(a)具體包括如下步驟: 1)開啟1064nm雷射器(1)，預熱一段時間後打開穩頻裝置和聲光移頻器電源。雷射器輸出45度線偏振光； 2)雷射經過第一法拉第隔離器(101)，防止雷射返回雷射器，影響雷射器正常工作，經過第一半反半透鏡(21 )，雷射分為兩路，光強減半，兩路光信號分別作為入射雷射和本地雷射; 3)兩路雷射各自分別經過一個聲光移頻器、楔形塊、直角反射鏡，90度偏振片，兩路雷射產生頻差1MHz，並經過楔形片糾正因聲光移頻器導致的雷射方向偏轉；兩路雷射各自分別進入電光相位調製器； 所述步驟(b)具體包括如下步驟: 4)第一計算機(191)控制第一程控電壓源(181)對第一電光相位調製器(8)進行調控，來模擬目標信號引起的雙星間距變化，即相位偏移； 所述步驟(c)具體包括如下步驟: 5)入射雷射，通過衰減片(13)衰減光強，然後到達第二半反半透鏡(22)； 6)本地雷射到達第二半反半透鏡(22)； 7)經過第二半反半透鏡(22)後形成差分幹涉雷射信號； 8)光電探測器(14)將差分光信號轉化為電信號； 9)高精度數字相位計(15)精確探測兩路幹涉信號的相位誤差； 所述步驟(d)具體包括如下步驟: 10)第二計算機(192)利用這一相位誤差信號，通過優化的自適應PID控制方法反饋控制第二程控電壓源(182)，進行第二電光相位調製器的電控調相，使本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定。
3.如權利要求權I所述的一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法，其特徵在於，所述步驟(a)具體包括如下步驟: O開啟1064nm雷射器,預熱一段時間後打開穩頻裝置和聲光移頻器電源,雷射器輸出90度線偏振光； 2)經過第一半反半透鏡(21)，雷射分為兩路，光強減半； 3)兩路雷射各自分別經過一個聲光移頻器、楔形塊、90度偏振片，兩路雷射產生所需的頻差1MHz，並經過楔形片糾正因聲光移頻器導致的雷射方向偏轉； 4)兩路雷射各自分別進入電光相位調製器；兩路雷射再各自經過法拉第隔離器，防止雷射返回雷射器，影響雷射器正常工作，兩路光信號分別作為入射雷射和本地雷射； 所述步驟(b)具體包括如下步驟: 5)第一計算機(191)控制第一程控電壓源(181)對第一電光相位調製器(8)進行調控，來模擬目標信號引起的雙星間距變化，即相位偏移； 所述步驟(c)具體包括如下步驟: 6)入射雷射經過第二直角反射鏡(32)後，通過衰減片(13)衰減光強，然後到達第二半反半透鏡(22)； 7)本地雷射經過第三直角反射鏡(33 )後，到達第二半反半透鏡(22 ); 8)經過第二半反半透鏡(22)後形成差分幹涉雷射信號； 9)光電探測器(14)將差分光信號轉化為電信號； 10)高精度數字相位計(15) 精確探測兩路幹涉信號的相位誤差； 所述步驟(d)具體包括如下步驟: 11)第二計算機(192)利用這一相位誤差信號，通過優化的自適應PID控制方法反饋控制第二程控電壓源(182)，進行第二電光相位調製器(9)的電控調相，使本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定。
4.一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬裝置，其特徵在於，至少包括:一入射雷射臂，用於產生準直、單色、偏振態、強度及相位可控的偏振入射雷射； 一目標信號模擬控制系統，與所述入射雷射臂相連，用於對所述入射雷射的相位進行調製； 一本地雷射臂，用於產生準直、單色、偏振態、強度及相位可控的偏振本地雷射； 一差分幹涉系統，與所述入射雷射臂及所述本地雷射臂相連，用於對所述入射雷射的強度進行衰減並將衰減後的入射雷射與所述本地雷射匯聚形成兩路差分幹涉雷射信號，對兩路差分幹涉雷射信號的相位誤差進行精確探測； 一鎖相控制系統，對探測到的相位誤差進行分析處理，並對所述本地雷射的相位進行調製，使所述本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定。
5.如權利要求4所述的一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬裝置，其特徵在於: 所述入射雷射臂包括沿光軸方向依次設置的: 一個1064nm雷射器(1)，用於產生波長為1064nm45度線偏振雷射； 一個第一法拉第隔離器(101),入射偏振方向為45度，出射偏振方向為90度,用於對經過的雷射進行調整，防止雷射返回雷射器，影響雷射器正常工作； 一個第一半反半透鏡(21 )，使雷射入射後分為兩路，光強減半，兩路光信號分別作為入射雷射和本地雷射； 一個第一聲光移頻器(41)，使被所述半反半透鏡(21)反射的雷射經過後移頻； 一個第一楔形片(51),使被所述第一聲光移頻器(41)移頻後造成的雷射方向的偏轉得到糾正；一個第一直角反射鏡(31)，使經過所述第一楔形片(51)的雷射被90度反射； 一個第一 90度偏振片(61),校正雷射偏振狀態,使出射雷射保持標準的90度線偏振雷射；一個第一電光相位調製器(8)，在所述目標信號模擬控制系統的控制下用於對經過的雷射進行調相； 所述目標信號模擬控制系統包括: 一個第一計算機(191)，用於輸入、存儲空間目標信號的真實數據，再轉換為雙星間距數據，再轉換為入射雷射相位數據，再分析數據、提取特徵，建立模型，轉換為目標信號模擬軟體，將相位控制信號轉換為目標電壓調製信號； 一個第一程控電壓源(181 )，用於接收所述計算機發出的目標電壓調製信號，對所述第一電光相位調製器(8)進行調製； 所述本地雷射臂包括沿光軸方向依次設置的: 一個第二聲光移頻器(42)，使被所述第一半反半透鏡(21)透射的雷射經過後移頻，並與經過第一聲光移頻器(41)的雷射產生所需的頻差； 一個第二楔形片(52)，使被所述第二聲光移頻器(42)移頻後造成的雷射方向的偏轉得到糾正； 一個第二直角反射鏡(32)，使經過所述第二楔形片(52)的雷射被90度反射； 一個第二 90度偏振片(62)，校正雷射偏振狀態，使出射雷射保持標準的90度線偏振雷射; 一個第二電光相位調製器(9)，在所述鎖相控制系統的控制下用於對經過的雷射進行調相，使相位與入射雷射相同； 所述差分幹涉系統包括沿光軸方向依次設置的: 一個衰減片(13)，使經所述經過第一光電相位調製器(8)的雷射光強得到衰減；一個第二半反半透鏡(22)，使經過所述衰減片(13)後的雷射與經過所述第二經過電光相位調製器(9)的雷射從兩個表面沿45度入射後形成兩路差分幹涉雷射信號； 一個光電探測器(14)，使所述兩路差分幹涉雷射信號轉化為電信號； 一個高精度數字相位計(15)，用於對從所述光電探測器(14)傳入的所述電信號中包含的所述兩路差分幹涉雷射信號的相位誤差進行精確探測； 所述鎖相控制系統包括: 一個第二計算機(192)，用於採集、存儲所述高精度數字相位計(15)所測差分幹涉雷射信號的實時相位數據，通過PID控制算法生成相位控制信號，再轉換為本地電壓調製信號; 一個第二程控電壓源(182 )，用於接收所述計算機發出的所述本地電壓調製信號，對所述第二電光相位調製器(9)進行調製，使本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定，實現對入射雷射中相位跟蹤鎖定，即實現兩路信號的鎖相。
6.如權利要求4所述的一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬裝置，其特徵在於: 所述入射雷射臂包括沿光軸方向依次設置的: 一個1064nm雷射器(1)，用於產生波長為1064nm45度線偏振雷射； 一個第一半反半透鏡(21)，使雷射入射後分為兩路，光強減半； 一個第一聲光移頻器(41 )，使被所述半反半透鏡(21)透射的雷射經過後移頻； 一個第一楔形片(51),使被所述第一聲光移頻器(41)移頻後造成的雷射方向的偏轉得到糾正； 一個第一 90度偏振片(61),校正雷射偏振狀態,使出射雷射保持標準的90度線偏振雷射; 一個第一電光相位調製器(8)，在所述目標信號模擬控制系統的控制下用於對經過的雷射進行調相； 一個第一法拉第隔離器(101)，用於對經過的雷射進行調整，防止雷射返回雷射器，影響雷射器正常工作； 一個第一光纖耦合器(111)，用於將雷射通過光纖傳遞到第二光纖耦合器(112); 所述目標信號模擬控制系統包括: 一個第一計算機(191)，用於輸入、存儲空間目標信號的真實數據，再轉換為雙星間距數據，再轉換為入射雷射相位數據，再分析數據、提取特徵，建立模型，轉換為目標信號模擬軟體，將相位控制信號轉換為目標電壓調製信號； 一個第一程控電壓源(181)，用於接收所述計算機發出的目標電壓調製信號，對所述第一電光相位調製器(8)進行調製； 所述本地雷射臂包括沿光軸方向依次設置的: 一個第一直角反射鏡(31)，使被所述第一半反半透鏡(21)反射的雷射沿45度角入射後完全反射，並沿光軸方向傳播； 一個第二聲光移頻器(42),使被所述第一直角反射鏡(31)反射的雷射經過後移頻,並與經過第一聲光移頻器(41)的雷射 產生所需的頻差； 一個第二楔形片(52)，使被所述第二聲光移頻器(42)移頻後造成的雷射方向的偏轉得到糾正； 一個第二 90度偏振片(62)，校正雷射偏振狀態，使出射雷射保持標準的90度線偏振雷射; 一個第二電光相位調製器(9)，在所述鎖相控制系統的控制下用於對經過的雷射進行調相，使相位與入射雷射相同； 一個第二法拉第隔離器(102)，用於對經過的雷射進行調整，防止雷射返回雷射器，影響雷射器正常工作； 一個第三光纖耦合器(121)，用於將雷射通過光纖傳遞到第四光纖耦合器(122); 所述差分幹涉系統包括沿光軸方向依次設置的: 一個第二光纖耦合器(112)，所述第二光纖耦合器(112)通過光纖與所述第一光纖耦合器(111)相連； 一個第二直角反射鏡(32)，使從所述第二光纖耦合器(112)出射的雷射沿45度角入射後完全反射； 一個衰減片(13)，使經所述第二直角反射鏡(32)反射的雷射光強得到衰減； 一個第四光纖耦合器(122)，所述第四光纖耦合器(122)通過光纖與所述第三光纖耦合器(121)相連； 一個第三直角反射鏡(33)，使從所述第四光纖耦合器(I 22)出射的雷射沿45度角入射後完全反射； 一個第二半反半透鏡(22)，使經過所述衰減片(13)後的雷射與經過所述第三直角反射鏡(33)反射後的雷射從兩個表面沿45度入射後形成兩路差分幹涉雷射信號； 一個光電探測器(14)，使所述兩路差分幹涉雷射信號轉化為電信號； 一個高精度數字相位計(15)，用於對從所述光電探測器(14)傳入的所述電信號中包含的所述兩路差分幹涉雷射信號的相位誤差進行精確探測； 所述鎖相控制系統包括: 一個第二計算機(192)，用於採集、存儲所述高精度數字相位計(15)所測差分幹涉雷射信號的實時相位數據，通過PID控制算法生成相位控制信號，再轉換為本地電壓調製信號; 一個第二程控電壓源(182 )，用於接收所述計算機發出的所述本地電壓調製信號，對所述第二電光相位調製器(9)進行調製，使本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定，實現對入射雷射中相位跟蹤鎖定 ，即實現兩路信號的鎖相。
全文摘要
本發明提供了一種空間雷射幹涉系統弱光鎖相技術的模擬方法和裝置，方法包括如下步驟(a)產生準直、單色、偏振態、強度及相位可控的偏振入射雷射和偏振本地雷射；(b)通過目標信號模擬控制系統，對所述入射雷射的相位進行調製，用來模擬目標信號；(c)通過差分幹涉系統，對入射雷射的強度進行衰減並將所述入射雷射與所述本地雷射匯聚形成兩路差分幹涉雷射信號；(d)通過鎖相控制系統，對所述本地雷射的相位進行調製，使所述本地雷射的相位對入射雷射的相位進行跟蹤和鎖定。本模擬方法和裝置能夠精確進行星間雷射幹涉測距弱光鎖相技術的地面模擬實驗。
文檔編號G01C3/00GK103234515SQ20131013713
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者董玉輝, 靳剛, 劉河山, 李玉瓊, 羅子人 申請人:中國科學院力學研究所