線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置及基於該裝置的扭擺微衝量測量方法
2024-01-28 21:45:15 2
線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置及基於該裝置的扭擺微衝量測量方法
【專利摘要】線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置及基於該裝置的扭擺微衝量測量方法，涉及扭擺微衝量測量【技術領域】。解決另外現有測量扭擺微衝量的裝置和方法的測量精度低的問題。脈衝雷射發射出的雷射作用於工質靶產生等離子噴射，反噴作用使標準梁發生轉動，在標準梁發生轉動的同時，線性調頻雷射器持續發射出線性調頻雷射，線性調頻雷射經第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射後入射至平面標準鏡，平面標準鏡的前表面和後表面均對線性調頻雷射進行反射並通過會聚透鏡會聚到光電探測器的光敏面上，光電探測器將電信號發送至信號處理系統獲得標準梁的擺角θ′，再根據公式獲得脈衝雷射器發出的雷射與工質靶作用產生的微衝量I′。本發明適用於扭擺微衝量測量。
【專利說明】線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置及基於該裝置的扭擺微衝量測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及扭擺微衝量測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]雷射微推力器在微小衛星姿態和軌道控制領域有著廣泛而深入的應用前景，其具有比衝高、衝量動態範圍大、最小衝量小、功耗低、能量耦合效率高以及易於實現、輕量化和數位化控制等顯著優勢，受到了國內外學者們廣泛的關注。而衝量是反映雷射微推力器性能的一個重要參數，特點是量級小，約為10-7~10-5Ν *s。Photonic Associates小組Phipps等人於1999年提出了用扭擺系統測量雷射微推力器產生的微小衝量，並用其進行微推力器性能參數的測試；2002年，Phipps等人又對扭擺系統進行了改進，隨後國內的中國科技大學和裝備指揮技術學院也進行了相關研究。從目前國內外報告的研究結果來看，一方面，測量系統的噪聲會影響系統的精度，在小衝量量級，系統誤差甚至達到了 50% ;同時，在力作用時間內，靶平面偏離焦平面，能量耦合效率降低，這也會影響微衝量的測量，因此常規的小衝量測量系統很難滿足測量要求。
[0003]雷射幹涉法可有效解決常規測試系統存在的以上兩個問題，提高系統的測量精度。採用兩個角隅稜鏡形成差動測量的方法代替原來的光指針方法測量扭擺轉動的角度，大大提高了系統的精度；扭擺推進技術2010年的質量由原來的0.2g增加到58g，克服了離焦問題。研究結果表明，雷射幹涉法的引入極大地改善了扭擺測試系統的性能，能夠滿足雷射微推力器微小衝量的測試要求。但是由於間接測量量較多，偶然誤差較大，因此測量精度也不會很高。
【發明內容】
[0004]本發明為了解決現有測量扭擺微衝量的裝置和方法的測量精度低的問題，提出了線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置及基於該裝置的扭擺微衝量測量方法。
[0005]線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置包括線性調頻雷射器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、平面標準鏡、標準梁、真空室、脈衝雷射器、工質靶、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統，
[0006]所述線性調頻雷射器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、平面標準鏡、標準梁、脈衝雷射器、工質靶和會聚透鏡均放置在真空室內，
[0007]所述標準梁的中心固定有旋轉軸，
[0008]所述工質靶黏貼在標準梁的上表面，第二平面反射鏡黏貼在標準梁的下表面，且工質靶與第二平面反射鏡均位於標準梁的同一端，
[0009]脈衝雷射發射出的雷射作用於工質靶產生等離子噴射，反噴作用使標準梁發生轉動，在標準梁發生轉動的同時，線性調頻雷射器持續發射出線性調頻雷射，線性調頻雷射經第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射後入射至平面標準鏡，平面標準鏡的前表面和後表面均對線性調頻雷射進行反射並通過會聚透鏡會聚到光電探測器的光敏面上，光電探測器的電信號輸出端與信號處理系統的電信號輸入端連接。
[0010]所述信號處理系統包括濾波器、前置放大器、Α/D轉換器和DSP，濾波器的電信號輸入端作為信號處理系統的電信號輸入端與光電探測器的電信號輸出端連接，濾波器的濾波信號輸出端與前置放大器的濾波信號輸入端連接，前置放大器的放大信號輸出端與A/D轉換器的模擬信號輸入端連接，Α/D轉換器的數位訊號輸出端與DSP的數位訊號輸入端連接。
[0011]所述真空室上開有真空窗，所述真空窗用於使真空室內的光會聚至真空室外部的光電探測器光敏面上。
[0012]基於所述線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置的扭擺微衝量測量方法是由以下過程實現的:
[0013]將脈衝雷射器、線性調頻雷射器、光電探測器和信號處理系統切換至工作狀態，光電探測器將接收到的光信號轉換為電信號發送至信號處理系統，信號處理系統根據接收到的連續的電信號獲得標準梁的擺角Θ '，
[0014]根據:
【權利要求】
1.線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置，其特徵在於，它包括線性調頻雷射器(5)、第一平面反射鏡(6)、第二平面反射鏡(4)、平面標準鏡(7)、標準梁(3)、真空室(11)、脈衝雷射器(I)、工質靶(2)、會聚透鏡(8)、光電探測器(9)和信號處理系統(10)， 所述線性調頻雷射器(5)、第一平面反射鏡(6)、第二平面反射鏡(4)、平面標準鏡(7)、標準梁(3)、脈衝雷射器(I)、工質靶(2)和會聚透鏡(8)均放置在真空室(11)內， 所述標準梁(3)的中心固定有旋轉軸， 所述工質靶(2)黏貼在標準梁(3)的上表面，第二平面反射鏡(4)黏貼在標準梁(3)的下表面，且工質靶(2)與第二平面反射鏡(4)均位於標準梁(3)的同一端， 脈衝雷射發射出的雷射作用於工質靶(2)產生等離子噴射，反噴作用使標準梁(3)發生轉動，在標準梁(3)發生轉動的同時，線性調頻雷射器(5)持續發射出線性調頻雷射，線性調頻雷射經第一平面反射鏡(6)和第二平面反射鏡(4)反射後入射至平面標準鏡(7)，平面標準鏡(7)的前表面和後表 面均對線性調頻雷射進行反射並通過會聚透鏡(8)會聚到光電探測器(9)的光敏面上，光電探測器(9)的電信號輸出端與信號處理系統(10)的電信號輸入端連接。
2.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置，其特徵在於，所述信號處理系統(10)包括濾波器(10-1)、前置放大器(10-2)、A/D轉換器(10-3)和DSP(10-4),濾波器(10-1)的電信號輸入端作為信號處理系統(10)的電信號輸入端與光電探測器(9)的電信號輸出端連接，濾波器(10-1)的濾波信號輸出端與前置放大器(10-2)的濾波信號輸入端連接，前置放大器(10-2)的放大信號輸出端與Α/D轉換器(10-3)的模擬信號輸入端連接，Α/D轉換器(10-3)的數位訊號輸出端與DSP (10-4)的數位訊號輸入端連接。
3.根據權利要求1所述的線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置，其特徵在於，所述真空室(11)上開有真空窗，所述真空窗用於使真空室(11)內的光會聚至真空室(11)外部的光電探測器(9)光敏面上。
4.基於權利要求1或2所述的線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置的扭擺微衝量測量方法，其特徵在於，它是由以下過程實現的: 將脈衝雷射器(I)、線性調頻雷射器(5)、光電探測器(9)和信號處理系統(10)切換至工作狀態，光電探測器(9)將接收到的光信號轉換為電信號發送至信號處理系統(10)，信號處理系統(10)根據接收到的連續的電信號獲得標準梁(3)的擺角Θ，， 根據: _ 一—I_ 4風y/八 ^、 I = *t/ = 7^17( Vxv Xv"')， 獲得脈衝雷射器(I)發出的雷射與工質靶(2)作用產生的微衝量，其中，J為扭擺系統的轉動慣量，ω為阻尼頻率，T'為阻尼周期，D為標準梁(3)長度，令k = 4JiJ/DT'，則: = k.θ ' (公式二)。
5.根據權利要求4所述的基於線性調頻多光束雷射外差測量扭擺微衝量的裝置的扭擺微衝量測量方法，其特徵在於，信號處理系統(10)根據接收到的連續的電信號獲得標準梁⑶的擺角Θ丨是由以下過程實現的:當線性調頻雷射器(5)持續發射的線性調頻雷射以入射角Qtl斜入射至平面標準鏡(7)時，平面標準鏡(7)的入射光場E(t)為:
【文檔編號】G01L5/00GK103968990SQ201410206070
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月15日 優先權日:2014年5月15日
【發明者】李彥超, 劉明亮, 高揚, 楊九如, 冉玲苓, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 於偉波 申請人:黑龍江大學