專利名稱：基于多光束激光外差二次諧波法與扭擺法測(cè)量微沖量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量微沖量的方法。
背景技術(shù)：
激光微推力器在微小衛(wèi)星姿態(tài)和軌道控制領(lǐng)域有著廣泛而深入的應(yīng)用前景，其具有比沖高、沖量動(dòng)態(tài)范圍大、最小沖量小、功耗低、能量耦合效率高以及易于實(shí)現(xiàn)、輕量化和數(shù)字化控制等顯著優(yōu)勢(shì)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們廣泛的關(guān)注。而沖量是反映激光微推力器性能的一個(gè)重要參數(shù)，特點(diǎn)是量級(jí)小，約為1(Γ7 ICT5N ·8。Photonic Associates小組Phipps 等人于1999年提出了用扭擺系統(tǒng)測(cè)量激光微推力器產(chǎn)生的微小沖量，并用其進(jìn)行微推力器性能參數(shù)的測(cè)試；隨后國(guó)內(nèi)的中國(guó)科技大學(xué)和裝備指揮技術(shù)學(xué)院也進(jìn)行了相關(guān)研究。從目前國(guó)內(nèi)外報(bào)告的研究結(jié)果來(lái)看，一方面，測(cè)量系統(tǒng)的噪聲會(huì)影響系統(tǒng)的精度，在小沖量量級(jí)，系統(tǒng)誤差甚至達(dá)到了 50%;同時(shí)，在力作用時(shí)間內(nèi)，靶平面偏離焦平面，能量耦合效率降低，這也會(huì)影響微沖量的測(cè)量，因此常規(guī)的小沖量測(cè)量系統(tǒng)很難滿足測(cè)量要求。激光干涉法可有效解決常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)存在的以上兩個(gè)問(wèn)題，提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。采用兩個(gè)角隅棱鏡形成差動(dòng)測(cè)量的方法代替原來(lái)的光指針?lè)椒y(cè)量扭擺轉(zhuǎn)動(dòng)的角度， 大大提高了系統(tǒng)的精度；扭擺推進(jìn)技術(shù)2010年的質(zhì)量由原來(lái)的0. 2g增加到58g，克服了離焦問(wèn)題。研究結(jié)果表明，激光干涉法的引入極大地改善了扭擺測(cè)試系統(tǒng)的性能，能夠滿足激光微推力器微小沖量的測(cè)試要求。但是由于間接測(cè)量量較多，偶然誤差較大，因此測(cè)量精度也不會(huì)很高。而在光學(xué)測(cè)量法中，激光外差測(cè)量技術(shù)具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量速度快、 精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)而備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測(cè)量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，是目前超高精度測(cè)量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測(cè)及測(cè)量?jī)x器的標(biāo)志性技術(shù)之一。但，現(xiàn)有采用多光束激光外差測(cè)量微沖量的方法由于激光信號(hào)差頻信號(hào)采集效果差、信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢導(dǎo)致測(cè)量精度較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有采用多光束激光外差測(cè)量微沖量的方法由于激光差頻信號(hào)采集效果差、信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢導(dǎo)致的測(cè)量精度較低的問(wèn)題，從而提供一種基于扭擺法的多光束激光外差二次諧波測(cè)量微沖量的方法?；诙喙馐す馔獠疃沃C波法與扭擺法測(cè)量微沖量的方法，它是采用基于扭擺法的多光束激光外差二次諧波測(cè)量微沖量的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，所述系統(tǒng)包括Htl固體激光器、扭擺系統(tǒng)、四分之一波片、振鏡、偏振分束鏡PBS、會(huì)聚透鏡、脈沖激光器、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)；其中所述Htl固體激光器、扭擺系統(tǒng)、四分之一波片、振鏡、偏振分束鏡PBS、會(huì)聚透鏡和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡位于真空室內(nèi)，該真空室有一個(gè)真空窗，所述扭擺系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)梁、平面反射鏡和工質(zhì)靶組成；在標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁一個(gè)末端的平面上黏貼有平面反射鏡，與該平面反射鏡相對(duì)的該橫梁的另一側(cè)平面上對(duì)稱固定有工質(zhì)靶，所述平面反射鏡的反射面與標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁的擺動(dòng)方向垂直；該標(biāo)準(zhǔn)梁處在水平的平衡狀態(tài)下，所述工質(zhì)靶的靶面與脈沖激光器發(fā)射的激光束的光軸相垂直；H0固體激光器發(fā)射激光束至偏振分束鏡PBS的前表面，經(jīng)該偏振分束鏡PBS的反射光束經(jīng)四分之一波片透射之后發(fā)射到振鏡的入射面，經(jīng)振鏡反射后的反射光束再次經(jīng)四分之一波片透射之后發(fā)射至偏振分束鏡，經(jīng)該偏振分束鏡透射之后入射至黏貼在標(biāo)準(zhǔn)梁上的平面反射鏡的入射面，該平面反射鏡的反射光束以入射角θ ^斜入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡，該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的反射光經(jīng)會(huì)聚透鏡透射后，經(jīng)該真空室的另一個(gè)真空窗聚焦到光電探測(cè)器的光敏面上，光電探測(cè)器7輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)；所述信號(hào)處理系統(tǒng)用于根據(jù)連續(xù)接收到的信號(hào)，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁所受到的微沖量；基于扭擺法的多光束激光外差二次諧波測(cè)量微沖量的方法為首先，采用脈沖激光器發(fā)出脈沖激光激勵(lì)工質(zhì)靶，使該工質(zhì)靶產(chǎn)生等離子體噴射， 所產(chǎn)生的等離子噴射的反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，打開Htl固體激光器和振鏡的驅(qū)動(dòng)電源，振鏡在驅(qū)動(dòng)電源作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)，并對(duì)不同時(shí)刻入射到振鏡前表面的光頻進(jìn)行調(diào)制；然后，信號(hào)處理系統(tǒng)在扭擺系統(tǒng)擺動(dòng)過(guò)程中連續(xù)采集光電探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)，并對(duì)連續(xù)獲得的所有信號(hào)進(jìn)行處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁所受到的微沖量；所述標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁所受到的微沖量是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁擺動(dòng)角θ ‘獲得的沖量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系式為
Γ η 7 IJm n, AnJ η,I =-·θ =-·θ
D DT式中，k = 4 π J/DT，其中，J為扭擺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T為該扭擺系統(tǒng)的阻尼周期， D為橫梁長(zhǎng)度，θ ‘為標(biāo)準(zhǔn)梁的擺角；令k = 4 JI J/DT,則所述微沖量為I = k · θ ‘所述標(biāo)準(zhǔn)梁的擺角Θ'是根據(jù)不同時(shí)刻獲得的光電探測(cè)器的信號(hào)，通過(guò)多光束激光外差二次諧波法獲得的，具體過(guò)程為根據(jù)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射光場(chǎng)E(t) = E0exp(i co0t)以及多普勒振鏡的振動(dòng)方程x(t) = a(t2/2)和多普勒振鏡的速度方程ν(t) = at獲得經(jīng)多普勒振鏡的反射光的頻率變?yōu)棣?= co0(l+at/c)式中(Oci為激光角頻率，a為振動(dòng)加速度，E0為常數(shù)，c為光速；則t-1/c時(shí)刻到達(dá)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面的反射光場(chǎng)為
權(quán)利要求
1.基于多光束激光外差二次諧波法與扭擺法測(cè)量微沖量的方法，它是采用基于扭擺法的多光束激光外差二次諧波測(cè)量微沖量的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，所述系統(tǒng)包括Htl固體激光器(10)、 扭擺系統(tǒng)、四分之一波片(12)、振鏡(13)、偏振分束鏡PBS(Il)、會(huì)聚透鏡(15)、脈沖激光器 (6)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)、光電探測(cè)器⑵和信號(hào)處理系統(tǒng)⑴；其中所述H。固體激光器(10)、扭擺系統(tǒng)、四分之一波片(12)、振鏡(13)、偏振分束鏡 PBS(ll)、會(huì)聚透鏡(15)和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)位于真空室(4)內(nèi)，該真空室(4)有一個(gè)真空窗(3)，所述扭擺系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)梁(8)、平面反射鏡(9)和工質(zhì)靶(7)組成；在標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁一個(gè)末端的平面上黏貼有平面反射鏡(9)，與該平面反射鏡(9)相對(duì)的該橫梁的另一側(cè)平面上對(duì)稱固定有工質(zhì)靶(7)，所述平面反射鏡(9)的反射面與標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁的擺動(dòng)方向垂直；該標(biāo)準(zhǔn)梁(8)處在水平的平衡狀態(tài)下，所述工質(zhì)靶(7)的靶面與脈沖激光器發(fā)射的激光束的光軸相垂直；H0固體激光器發(fā)射激光束至偏振分束鏡PBS(Il)的前表面，經(jīng)該偏振分束鏡PBS(Il) 的反射光束經(jīng)四分之一波片(12)透射之后發(fā)射到振鏡(13)的入射面，經(jīng)振鏡(13)反射后的反射光束再次經(jīng)四分之一波片(12)透射之后發(fā)射至偏振分束鏡，經(jīng)該偏振分束鏡透射之后入射至黏貼在標(biāo)準(zhǔn)梁(8)上的平面反射鏡(9)的入射面，該平面反射鏡(9)的反射光束以入射角θ ^斜入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)，該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的反射光經(jīng)會(huì)聚透鏡(15) 透射后，經(jīng)該真空室(4)的另一個(gè)真空窗(3)聚焦到光電探測(cè)器(2)的光敏面上，光電探測(cè)器(2)輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)(1)；所述信號(hào)處理系統(tǒng)(1)用于根據(jù)連續(xù)接收到的信號(hào)，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁所受到的微沖量；其特征是基于扭擺法的多光束激光外差二次諧波測(cè)量微沖量的方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)首先，采用脈沖激光器(6)發(fā)出脈沖激光激勵(lì)工質(zhì)靶(7)，使該工質(zhì)靶(7)產(chǎn)生等離子體噴射，所產(chǎn)生的等離子噴射的反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁轉(zhuǎn)動(dòng)；同時(shí)，打開H0固體激光器(10)和振鏡(13)的驅(qū)動(dòng)電源，振鏡(13)在驅(qū)動(dòng)電源作用下做勻加速運(yùn)動(dòng)，并對(duì)不同時(shí)刻入射到振鏡(13)前表面的光頻進(jìn)行調(diào)制；然后，信號(hào)處理系統(tǒng)(1)在扭擺系統(tǒng)擺動(dòng)過(guò)程中連續(xù)采集光電探測(cè)器(2)發(fā)出的信號(hào)，并對(duì)連續(xù)獲得的所有信號(hào)進(jìn)行處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁所受到的微沖量I ；所述標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁所受到的微沖量是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁擺動(dòng)角θ ‘獲得的沖量與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系式為 T IJm nf AnJ nt1 = - C7 = - C7D DT式中，k = 4 π J/DT，其中，J為扭擺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T為該扭擺系統(tǒng)的阻尼周期，D為橫梁長(zhǎng)度，θ ‘為標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的擺角； 令k = 4 π J/DT,則所述微沖量為 I = k · θ ‘所述標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的擺角θ丨是根據(jù)不同時(shí)刻獲得的光電探測(cè)器的信號(hào)，通過(guò)多光束激光外差二次諧波法獲得的，具體過(guò)程為 根據(jù)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的入射光場(chǎng) E (t) = E0exp (i ω0 )以及多普勒振鏡(13)的振動(dòng)方程 x(t) = a(t2/2)和多普勒振鏡(13)的速度方程 v(t) = at獲得經(jīng)多普勒振鏡(13)的反射光的頻率變?yōu)?ω = co0(l+at/c)式中Qci為激光角頻率，a為振動(dòng)加速度，E0為常數(shù)，c為光速； 則t-1/c時(shí)刻到達(dá)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面的反射光場(chǎng)為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多光束激光外差二次諧波法與扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于基于扭擺法的多光束激光外差二次諧波測(cè)量微沖量的系統(tǒng)中，信號(hào)處理系統(tǒng)(1)由濾波器(17)、前置放大器(16)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成， 濾波器(17)將光電探測(cè)器(2)輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器(16)，該前置放大器(16)將接收到的信號(hào)放大之后發(fā)送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，該數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中固化有FFT算法，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)用于對(duì)連續(xù)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，解調(diào)后獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁所受到的微沖量。
全文摘要
基于多光束激光外差二次諧波法與扭擺法測(cè)量微沖量的方法，涉及一種測(cè)量微沖量的方法。它解決了現(xiàn)有采用多光束激光外差測(cè)量微沖量的方法由于激光差頻信號(hào)采集效果差、信號(hào)處理的運(yùn)算速度慢導(dǎo)致的測(cè)量精度較低的問(wèn)題。本發(fā)明采用多光束激光外差二次諧波法應(yīng)用在微沖量測(cè)量方法中，將微沖量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為扭擺的擺角的測(cè)量，通過(guò)對(duì)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡厚度的測(cè)量可以間接得到待測(cè)擺角信息，有效的提高了測(cè)量的精度，在轉(zhuǎn)動(dòng)角度較小(小于5°)時(shí)，所測(cè)的沖量與入射角成線性關(guān)系，測(cè)量誤差小于0.5％，能夠滿足激光微推力器沖量測(cè)量的要求，為評(píng)估激光微推力器的性能提供了很好的測(cè)量手段。
文檔編號(hào)G01L5/00GK102322997SQ20111014505
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者張峰, 曲楊, 李彥超, 王春暉, 高龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)