多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置及方法

日期:2019-03-02 15:12:01

专利名称:多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置及方法,属于微冲量测量技术领域。
背景技术
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1(Γ7 10- ·8。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;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%;另一方面,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。激光干涉法能够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。而在光学测量法中,激光外差测量技术由于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和多普勒技术的诸多优点,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、加工设备及激光雷达系统等。传统的外差干涉均为双光束干涉,外差信号频谱只含单一频率信息,解调后得到单一的待测参数值,这种方法得到的待测参数值的测量精度低。

发明内容
本发明的目的是解决现有采用外差干涉法测量微推力器的微冲量的方法由于只能得到单一的待测参数值,使得待测参数值的测量精度低的问题,提供一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置及方法。本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置,该装置由数字信号处理系统、光电探测器、脉冲激光器、扭摆系统、H0固体激光器、偏振分束镜 PBS、四分之一波片、振镜、平面标准镜和会聚透镜组成,
其中所述Htl固体激光器、扭摆系统、四分之一波片、振镜、偏振分束镜PBS、会聚透镜和平面标准镜位于真空室内,该真空室有第一真空窗和第二真空窗,所述扭摆系统由标准梁、平面反射镜和工质靶组成;在标准梁的横梁一个末端的平面上黏贴有平面反射镜,与该平面反射镜相对的该横梁的另一侧平面上对称固定有工质靶,所述平面反射镜的反射面与标准梁的横梁的摆动方向垂直;该标准梁处在水平的平衡状态下,所述工质靶的靶面与脉冲激光器发射的激光束的光轴相垂直;H0固体激光器发射激光束至偏振分束镜PBS的前表面,该偏振分束镜PBS的反射光束经四分之一波片透射之后发射到振镜的入射面,经振镜反射后的反射光束再次经四分之一波片透射之后发射至偏振分束镜PBS,经该偏振分束镜PBS透射之后入射至黏贴在标准梁上的平面反射镜的入射面,该平面反射镜的反射光束以入射角θ ^斜入射至平面标准镜,该平面标准镜前表面的发射光与经其后表面多次反射而透射出前表面的光通过会聚透镜汇聚后,经该真空室的第一真空窗聚焦到光电探测器的光敏面上,光电探测器输出电信号给数字信号处理系统,第二真空窗的设置位置与脉冲激光器的位置相对应,用于观察扭摆系统的工作状态;所述数字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。本发明所述基于上述装置的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的方法,该方法的过程为首先,打开Htl固体激光器,并打开振镜的驱动电源,使振镜开始做简谐振动;同时,采用脉冲激光器发出脉冲激光激励工质靶,使该工质靶产生等离子体喷射, 所产生的等离子喷射的反喷作用使标准梁的横梁转动;数字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信号,并对连续获得的所有信号进行处理,获得标准梁的横梁所受到的微冲量Γ。所述标准梁的横梁所受到的微冲量是根据标准梁的横梁摆动角Θ"获得的,所述微冲量Γ与横梁摆动角θ"的关系式为I" = k · θ ‘,式中k = 4 π J/DT,其中J为扭摆系统的转动惯量,T为该扭摆系统的阻尼周期,D 为横梁长度;所述标准梁的摆角θ ‘为:θ ,
2式中,θ ^是平面标准镜的入射角。所述标准梁的横梁摆动角Θ"是根据不同时刻获得的光电探测器的信号,通过多光束激光外差法获得的,具体过程为平面反射镜的反射光束以入射角θ ^斜入射至平面标准镜,此时的入射光场为E(t) = EpxpCi co0t),式中&为常数,i表示虚数,Coci为激光角频率;振镜的振动方程为x(t) =X0 cos(coct),振镜的速度方程为
ν (t) = -cocX(|Sin (ω ct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间,由于振镜的振动,平面标准镜的反射光的频率为ω = ω 0 (1-2 ω cx0sin ( ω ct) /c),则在tl/c时刻到达平面标准镜前表面的反射光场为E0 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c)(t-1/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r,r为光从周围介质射入平面标准镜前表面的反射系数,1为振镜到平面标准镜的光程,经平面标准镜前表面透射的光在不同时刻被平面标准镜在其前表面和后表面之间被后表面连续反射和透射m次,获得平面标准镜的m束透射出平面标准镜前表面的光的光场分别为E1Ct) = α ^!exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+2ndcos θ ) /c)) /c)(t- (L+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2ndcos θ )/c)) /c]}E3 (t) = α ^exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+4ndcos θ ) /c)) /c)(t- (L+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+4ndcos θ )/c)) /c]}E3 (t) = α gE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+6ndcos θ ) /c)) /c)
(t- (L+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+6ndcos θ )/c)) /c]},···Em(t) = c^EpxpUlicOod-ZcOcXosir^cOcCt-CL+Zmndcos θ )/c))/c)(t- (L+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2mndcos θ )/c)) /c]}其中,参数α工=β β,r’,. . .,α m = β β,r’ ‘1),β为平面标准镜前表面的透射系数,β"为光透射出平面标准镜时的透射系数,r"为平面标准镜后表面的反射率,d 为平面标准镜的厚度,θ为平面标准镜的折射角,m为非负整数,η为平面标准镜的折射率;光电探测器接收到的总光场为E (t) = E0 (t) +E1 (t) +E2 (t) +··· +Em (t),则光电探测器输出的光电流为
权利要求
1.一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置,其特征在于该装置由数字信号处理系统⑴、光电探测器⑵、脉冲激光器(6)、扭摆系统、H0固体激光器(10)、偏振分束镜PBS(ll)、四分之一波片(12)、振镜(13)、平面标准镜(14)和会聚透镜(15)组成,其中所述H。固体激光器(10)、扭摆系统、四分之一波片(12)、振镜(13)、偏振分束镜 PBS(ll)、会聚透镜(15)和平面标准镜(14)位于真空室内,该真空室(4)有第一真空窗(3)和第二真空窗(5),所述扭摆系统由标准梁(8)、平面反射镜(9)和工质靶(7)组成; 在标准梁(8)的横梁一个末端的平面上黏贴有平面反射镜(9),与该平面反射镜(9)相对的该横梁的另一侧平面上对称固定有工质靶(7),所述平面反射镜(9)的反射面与标准梁(8) 的横梁的摆动方向垂直;该标准梁(8)处在水平的平衡状态下,所述工质靶(7)的靶面与脉冲激光器(6)发射的激光束的光轴相垂直;Htl固体激光器(10)发射激光束至偏振分束镜PBS(Il)的前表面,该偏振分束镜 PBS(Il)的反射光束经四分之一波片(1 透射之后发射到振镜(1 的入射面,经振镜 (13)反射后的反射光束再次经四分之一波片(1 透射之后发射至偏振分束镜PBS (11),经该偏振分束镜PBS(Il)透射之后入射至黏贴在标准梁(8)上的平面反射镜(9)的入射面, 该平面反射镜(9)的反射光束以入射角θ ^斜入射至平面标准镜(14),该平面标准镜(14) 前表面的发射光与经其后表面多次反射而透射出前表面的光通过会聚透镜(1 汇聚后, 经该真空室(4)的第一真空窗C3)聚焦到光电探测器O)的光敏面上,光电探测器(2)输出电信号给数字信号处理系统(1),第二真空窗( 的设置位置与脉冲激光器(6)的位置相对应,用于观察扭摆系统的工作状态;所述数字信号处理系统(1)用于根据连续接收到的信号,获得标准梁(8)的横梁所受到的微冲量。
2.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置,其特征在于数字信号处理系统(1)由滤波器(17)、前置放大器(16)、模数转换器 (A/D)和数字信号处理控制器(DSP)组成,滤波器(17)将光电探测器( 输出的信号进行滤波之后发送给前置放大器(16),该前置放大器(16)将接收到的信号放大之后发送给模数转换器(A/D),模数转换器(A/D)将接收到的模拟信号转换成数字信号发送给数字信号处理控制器(DSP),该数字信号处理控制器(DSP)中固化有FFT算法,数字信号处理控制器 (DSP)用于对连续接收到的信号进行处理,解调后获得标准梁(8)的横梁所受到的微冲量。
3.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置,其特征在于所述振镜(1 为多普勒振镜,其简谐振动方程和速度方程分别是x(t) = x0cos(coct)禾口 v(t) =-COcX0Sin(ωct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间。
4.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置,其特征在于所述工质靶(7)是用工质制作的靶标。
5.一种基于权利要求1所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的方法,其特征在于,该方法的过程为首先,打开Htl固体激光器(10),并打开振镜(13)的驱动电源,使振镜(13)开始做简谐振动;同时,采用脉冲激光器(6)发出脉冲激光激励工质靶(7),使该工质靶(7)产生等离子体喷射,所产生的等离子喷射的反喷作用使标准梁(8)的横梁转动;数字信号处理系统(1)在扭摆系统摆动过程中连续采集光电探测器( 发出的信号, 并对连续获得的所有信号进行处理,获得标准梁(8)的横梁所受到的微冲量Γ。
6.根据权利要求5所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的方法,其特征在于所述标准梁(8)的横梁所受到的微冲量是根据标准梁(8)的横梁摆动角θ ‘获得的,所述微冲量Γ与横梁摆动角θ ‘的关系式为式中k = 4 π J/DT,其中J为扭摆系统的转动惯量,T为该扭摆系统的阻尼周期,D为横梁长度;所述标准梁(8)的摆角θ ‘为丛, 2式中,θ 0是平面标准镜(14)的入射角。
7.根据权利要求6所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的方法,其特征在于所述标准梁(8)的横梁摆动角θ ‘是根据不同时刻获得的光电探测器O)的信号,通过多光束激光外差法获得的,具体过程为平面反射镜(9)的反射光束以入射角θ ^斜入射至平面标准镜(14),此时的入射光场为E (t) = Exexp (i ω0 ),式中&为常数,i表示虚数,Otl为激光角频率; 振镜(13)的振动方程为χ (t) = X0Cos ( ω ct),振镜(13)的速度方程为 v(t) = -cocx0sin(coct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间, 由于振镜(13)的振动,平面标准镜(14)的反射光的频率为 ω = ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω ct) /c),则在t-1/c时刻到达平面标准镜(14)前表面的反射光场为 E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c) (t-l/c) + ω 0x0cos (ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r,r为光从周围介质射入平面标准镜(14)前表面的反射系数,1为振镜 (13)到平面标准镜(14)的光程,经平面标准镜(14)前表面透射的光在不同时刻被平面标准镜(14)在其前表面和后表面之间被后表面连续反射和透射m次,获得平面标准镜(14)的m束透射出平面标准镜(14) 前表面的光的光场分别为E1 (t) = α AexpU [ω0(1-2 cocx0sin(ωc(t_(L+2ndcos θ )/c))/c) (t- (L+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (L+2ndcos θ )/c)) /c]} E2 (t) = α 2E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (L+4ndcos θ ) /c)) /c)
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差的扭摆法测量微冲量的装置及方法,属于微冲量测量技术领域。它解决了现有采用外差干涉法测量微推力器的微冲量的方法由于只能得到单一的待测参数值,使得待测参数值的测量精度低的问题。本发明装置由数字信号处理系统、光电探测器、脉冲激光器、扭摆系统、H0固体激光器、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、平面标准镜和会聚透镜组成;方法为打开H0固体激光器和振镜的驱动电源;采用脉冲激光器发出脉冲激光激励工质靶,使该工质靶产生等离子体喷射使标准梁的横梁转动;数字信号处理系统采集光电探测器发出的信号,并进行处理,获得标准梁的横梁所受到的微冲量I′。本发明适用于测量微推力器的微冲量。
文档编号G01L5/00GK102305682SQ20111014507
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者丛海芳, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 邵文冕, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学


购买说明
       资料可在线传送,如需邮寄光盘(即将电子文档刻录到光盘里),邮费另计。
       我们也可以为您提供个性化定制,欢迎咨询,客服微信/QQ: 690542
       X专利信息网竭诚为您服务!

相关文章 您可能喜欢 最新发布 热门文章 随机文章 相关发布