多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法

日期:2019-03-02 15:12:13

专利名称:多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法
技术领域
本发明涉及一种测量微冲量的方法。
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IO-7KT5N · s。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;2002年,Wiipps等人又对扭摆系统进行了改进,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% ;同时,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。激光干涉法可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。激光外差测量技术在光学测量法中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、激光雷达系统等。但是现有的激光外差法在测量微冲量时存在采集激光差频信号质量差和信号处理的运算速度慢的问题。

发明内容
本发明为了解决现有激光外差法在测量微冲量时存在采集激光差频信号质量差和信号处理的运算速度慢的问题,而提出的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法。多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法,它是采用基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的系统实现的,所述系统包括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、脉冲激光器、平面标准镜、光电探测器和信号处理系统组成;其中所述脉冲激光器、H0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,该真空室有一个真空窗,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,经该偏振分束镜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,经该偏振分束镜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,该平面标准镜的反射光经会聚透镜透射后,经该真空室的另一个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信号处理系统;所述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;所述基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法由以下步骤实现首先,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;同时,打开Htl固体激光器和振镜的驱动电源,振镜在驱动电源作用下做简谐运动, 并对不同时刻入射到振镜前表面的光频进行调制;然后,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I ;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 ‘获得的冲量与转动角度的关系式为
权利要求
1.多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法,它是采用基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的系统实现的,所述系统包括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(Il)、 会聚透镜(15)、脉冲激光器(6)、平面标准镜(14)、光电探测器⑵和信号处理系统(1);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)有一个真空窗(3),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(Il)的前表面,经该偏振分束镜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(1 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,经该偏振分束镜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)的反射光经会聚透镜(15) 透射后,经该真空室(4)的另一个真空窗C3)聚焦到光电探测器( 的光敏面上,光电探测器(2)输出电信号给信号处理系统(1);所述信号处理系统(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;其特征在于所述基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法由以下步骤实现首先,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;同时,打开Htl固体激光器(10)和振镜(13)的驱动电源,振镜(13)在驱动电源作用下做简谐运动,并对不同时刻入射到振镜(1 前表面的光频进行调制;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(2)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I ;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 冲量与转动角度的关系式为T 2 Jω AkJ ,. jI=--θ =——…公式1D DT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,θ ‘为标准梁(8)的摆角; 令k = 4 π J/DT,则所述微冲量为I = M =令公式2式中,θ ^为激光入射角;所述标准梁(8)的摆角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二次谐波法获得的,具体过程为由于激光在平面标准镜(14)前表面的反射光与平面标准镜(14)后表面反射k次和 k+Ι次后的透射出玻璃前表面的光混频,产生两个幅度相差2 3个数量级的差频信号,所述方法中的二次谐频差为平面标准镜(14)后表面k次反射的光束的光场&与平面标准镜 (14)后表面k+2次反射的光束的光场Ek+2光混频所产生的;当激光以入射角θ ^斜入射平面标准镜(14)前表面时的入射光场为E(t) =E1 exp (i ω0 ),所述振镜(1 采用多普勒振镜; 所述振镜(13)的简谐振动方程为x(t) = X0 cos( ct); 所述振镜(13)的速度方程为v(t) =_ω。Χ(ι sin(co。t); 由于振镜(13)的运动,反射光的频率变为ω = ω(1(1-2ω。Χ(1 sin(co。t)/c), 上述各式中参数Qci为激光角频率,参数为振镜(1 振动的振幅,参数ω。为振镜 (13)的角频率,c为光速,t为时间;则t-1/c时刻到达平面标准镜(14)前表面的反射光场为E0 (t) = Ct0E1 exp {i[co0 (1-2 ω。χ0 sin (ω c(t_l/c))/c) 公式3(t_l/c) + co0x0 cos(coc(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)前表面之间的距离,El为振幅常数;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m次,获得相应的透射出平面标准镜(14)前表面的m束透射光的光场分别为E1 (t) = Ct1E1 exp {i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(l+2nd cos θ ) /c)) /c) (t- (l+2nd cos θ ) /c) + ω 0χ0 cos ( ω c (t_ (l+2nd cos θ )/c)) /c]} E2 (t) = Ct2E1 exp {i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(l+4nd cos θ ) /c)) /c) (t- (l+4nd cos θ ) /c) + ω 0χ0 cos ( ω c (t_ (l+4nd cos θ )/c)) /c]} E3 (t) = Ct3E1 exp {i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(l+6nd cos θ ) /c)) /c) (t-(l+6nd cos θ )/c) +ωοΧ(ι cos ( ω c (t_ (l+6nd cos θ )/c))/c]},公式 4Em(t) = CtmE1 exp {i[co0 (1-2 CocX0 sin (ω c(t_(l+2mnd cos θ )/c))/c) (t-(l+2mnd cos θ )/c) + ω 0x0 cos (ω c (t_ (l+2mnd cos θ )/c))/c]}其中,参数Q1= β β,Γ’,...,αω= β tem^, β为平面标准镜(14)前表面的透射系数,β ‘为光透射出平面标准镜(14)时的透射系数,r"为平面标准镜(14)内部反射光在前后表面反射时的反射率,d为平面标准镜(14)的厚度,θ为平面标准镜(14)的折射角,下标m的取值为0,1,2……,η为平面标准镜(14)的折射率; 光电探测器( 接收到的总光场表示为 E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t) 公式 5 则光电探测器(2)输出的光电流表示为
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二次谐波测量微冲量的方法,其特征在于基于扭摆法的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的系统中,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器(DSP),该数字信号处理器(DSP)中固化有FFT算法,数字信号处理器(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。
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法,它涉及一种测量微冲量的方法。它为解决现有激光外差法在测量微冲量时存在采集激光差频信号质量差和信号处理的运算速度慢的问题而提出。激励工质靶产生等离子体喷射使标准梁的横梁转动;打开H0固体激光器和振镜的驱动电源,振镜在驱动电源作用下做简谐运动,并对不同时刻入射到振镜前表面的光频进行调制;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;它具有采集的激光差频信号质量高和信号处理的运算速度快的突出优点。
文档编号G01L5/00GK102221433SQ20111014476
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者李彦超, 王春晖 申请人:哈尔滨工业大学


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