基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置及方法
2024-01-28 21:32:15
基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置及方法
【專利摘要】基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置及方法，屬於光學領域，本發明為解決現有雷射幹涉法測量微小衝量的偶然誤差較大，測量精度低的問題。本發明包括線性調頻雷射器、第一平面反射鏡、扭擺系統、脈衝雷射器、平面標準鏡、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統；脈衝雷射器發出的雷射束與工質靶作用產生等離子體噴射，反噴作用使標準梁轉動。線偏振光經過黏貼在標準梁上的第二平面反射鏡表面上，反射光經平面標準鏡前表面透射的光被平面標準鏡的後表面反射後與經過平面標準鏡前表面反射的光一起被會聚透鏡會聚到光電探測器光敏面上，由信號處理系統處理獲取標準梁的擺角，從而測量出雷射與工質靶作用產生的微小衝量。
【專利說明】基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置及方法，屬於光學領域。
【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]本發明目的是為了解決現有雷射幹涉法測量微小衝量的偶然誤差較大，測量精度低的問題，提供了一種基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置及方法。
[0005]本發明所述基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置，它包括線性調頻雷射器、第一平面反射鏡、扭擺系統、脈衝雷射器、平面標準鏡、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、扭擺系統、脈衝雷射器、平面標準鏡和會聚透鏡位於真空室內，真空室設置一個真空窗；所述扭擺系統由標準梁、第二平面反射鏡和工質靶組成；在標準梁的一個末端下表面上黏貼有第二平面反射鏡，標準梁上表面與第二平面反射鏡對應位置固定工質靶，標準梁處在水平的平衡狀態下，工質靶的靶面與脈衝雷射器發射的雷射束的光軸相垂直；
[0007]線性調頻雷射器發出線性調頻線偏振光，所述線性調頻線偏振光經第一平面反射鏡和第二平面反射鏡兩次反射後，以Θ ^角入射至平面標準鏡；經平面標準鏡前表面透射的光束在平面標準鏡內、經平面標準鏡的後表面和前表面多次反射後獲得多束反射光，該多束反射光經平面標準鏡的前表面透射之後與經平面標準鏡前表面反射後的光束均通過會聚透鏡、透過真空窗會聚到真空室外的光電探測器的光敏面上；
[0008]光電探測器輸出電信號給信號處理系統；所述信號處理系統用於根據連續接收到的電信號，獲得標準梁所受到的微衝量。
[0009]信號處理系統包括濾波器、前置放大器、Α/D轉換電路和DSP微處理器；
[0010]濾波器的輸入端與光電探測器的電信號輸出端相連；濾波器的輸出端與前置放大器的輸入端相連；前置放大器的輸出端與Α/D轉換電路的模擬信號輸入端相連;A/D轉換電路的數位訊號輸出端與DSP微處理器的輸入端相連。
[0011]基於所述基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置的方法包括以下步驟:
[0012]步驟一、同時打開線性調頻雷射器和脈衝雷射器；
[0013]採用脈衝雷射器發出脈衝雷射激勵工質靶，使工質靶產生等離子體噴射，所產生的等離子噴射的反噴作用使標準梁轉動；
[0014]步驟二、信號處理系統在扭擺系統擺動過程中連續採集光電探測器發出的電信號，並對連續獲得的電信號進行處理，採用線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量出光束入射至平面標準鏡的入射角Qtl;
[0015]步驟三、標準梁的擺角Θ，按公式Θ ' = Θ/2獲取；
[0016]步驟四、根據標準梁的擺角Θ'獲取標準梁所受到的微衝量I'；
[0017]
【權利要求】
1.基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置，其特徵在於，它包括線性調頻雷射器(1)、第一平面反射鏡(2)、扭擺系統、脈衝雷射器(6)、平面標準鏡(7)、會聚透鏡(8)、光電探測器(9)和信號處理系統； 所述線性調頻雷射器(1)、第一平面反射鏡(2)、扭擺系統、脈衝雷射器(6)、平面標準鏡(7)和會聚透鏡(8)位於真空室(14)內，真空室(14)設置一個真空窗(15);所述扭擺系統由標準梁(3)、第二平面反射鏡(4)和工質靶(5)組成；在標準梁(3)的一個末端下表面上黏貼有第二平面反射鏡(4)，標準梁(3)上表面與第二平面反射鏡(4)對應位置固定工質靶(5)，標準梁(3)處在水平的平衡狀態下，工質靶(5)的靶面與脈衝雷射器(6)發射的雷射束的光軸相垂直； 線性調頻雷射器(1)發出線性調頻線偏振光，所述線性調頻線偏振光經第一平面反射鏡(2)和第二平面反射鏡(4)兩次反射後，以Qtl角入射至平面標準鏡(7);經平面標準鏡(7)前表面透射的光束在平面標準鏡(7)內、經平面標準鏡(7)的後表面和前表面多次反射後獲得多束反射光，該多束反射光經平面標準鏡(7)的前表面透射之後與經平面標準鏡(7)前表面反射後的光束均通過會聚透鏡(8)、透過真空窗(15)會聚到真空室(14)外的光電探測器(9)的光敏面上； 光電探測器(9)輸出電信號給信號處理系統；所述信號處理系統用於根據連續接收到的電信號，獲得標準梁(3)所受到的微衝量。
2.根據權利要求1所述基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置，其特徵在於，信號處理系統包括濾波器(10)、前置放大器(11)、A/D轉換電路(12)和DSP微處理器(13)； 濾波器(10)的輸入端與光電探測器(9)的電信號輸出端相連；濾波器(10)的輸出端與前置放大器(11)的輸入端相連；前置放大器(11)的輸出端與Α/D轉換電路(12)的模擬信號輸入端相連;A/D轉換電路(12)的數位訊號輸出端與DSP微處理器(13)的輸入端相連。
3.基於權利要求2所述基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置的方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟: 步驟一、同時打開線性調頻雷射器(1)和脈衝雷射器(6)； 採用脈衝雷射器(6)發出脈衝雷射激勵工質靶(5)，使工質靶(5)產生等離子體噴射，所產生的等離子噴射的反噴作用使標準梁(3)轉動； 步驟二、信號處理系統在扭擺系統擺動過程中連續採集光電探測器(9)發出的電信號，並對連續獲得的電信號進行處理，採用線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量出光束入射至平面標準鏡(7)的入射角Θ。； 步驟三、標準梁(3)的擺角Θ，按公式Θ ' = 0^2獲取； 步驟四、根據標準梁(3)的擺角Θ，獲取標準梁(3)所受到的微衝量 ；
4.根據權利要求3所述基於線性調頻多光束雷射外差二次諧波法與扭擺法測量微衝量的裝置的方法，其特徵在於，步驟二中採用線性調頻多光束雷射外差二次諧波法測量出光束入射至平面標準鏡(7)的入射角Θ ^的獲取方法: 步驟二一、光電探測器(9)的光束的總光％ΕΣ(?):
Es (t) = E1 (t) +E2 (t) +...+Em (t), m 為大於或等於 2 的正整數； 其中=E1 (t)為光束經平面標準鏡(7)前表面反射後的反射光場，且按公式
【文檔編號】G01L5/00GK103954391SQ201410206012
【公開日】2014年7月30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, 楊九如, 冉玲苓, 高揚, 柳春鬱, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 於偉波 申請人:黑龍江大學