專利名稱：多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量微沖量的方法。
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現(xiàn)、輕量化和數(shù)字化控制等顯著優(yōu)勢，受到了國內(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重要參數(shù)，特點(diǎn)是量級小，約為IO-7KT5N · s。Photonic Associates小組Phipps 等人于1999年提出了用扭擺系統(tǒng)測量激光微推力器產(chǎn)生的微小沖量，并用其進(jìn)行微推力器性能參數(shù)的測試；2002年，Wiipps等人又對扭擺系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，隨后國內(nèi)的中國科技大學(xué)和裝備指揮技術(shù)學(xué)院也進(jìn)行了相關(guān)研究。從目前國內(nèi)外報告的研究結(jié)果來看，一方面， 測量系統(tǒng)的噪聲會影響系統(tǒng)的精度，在小沖量量級，系統(tǒng)誤差甚至達(dá)到了 50% ；同時，在力作用時間內(nèi)，靶平面偏離焦平面，能量耦合效率降低，這也會影響微沖量的測量，因此常規(guī)的小沖量測量系統(tǒng)很難滿足測量要求。激光干涉法可有效解決常規(guī)測試系統(tǒng)存在的以上兩個問題，提高系統(tǒng)的測量精度。采用兩個角隅棱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(zhuǎn)動的角度， 大大提高了系統(tǒng)的精度；扭擺推進(jìn)技術(shù)2010年的質(zhì)量由原來的0. 2g增加到58g，克服了離焦問題。研究結(jié)果表明，激光干涉法的引入極大地改善了扭擺測試系統(tǒng)的性能，能夠滿足激光微推力器微小沖量的測試要求。但是由于間接測量量較多，偶然誤差較大，因此測量精度也不會很高。激光外差測量技術(shù)在光學(xué)測量法中具有高的空間和時間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)而備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測量技術(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)，是目前超高精度測量方法之一。該方法已成為現(xiàn)代超精密檢測及測量儀器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測量、檢測、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。但是現(xiàn)有的激光外差法在測量微沖量時存在采集激光差頻信號質(zhì)量差和信號處理的運(yùn)算速度慢的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有激光外差法在測量微沖量時存在采集激光差頻信號質(zhì)量差和信號處理的運(yùn)算速度慢的問題，而提出的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法。多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法，它是采用基于扭擺法的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的系統(tǒng)實現(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、會聚透鏡、脈沖激光器、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)組成；其中所述脈沖激光器、H0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)梁的橫梁一個末端的平面上黏貼有平面反射鏡，與該平面反射鏡相對的該橫梁的另一側(cè)平面上對稱固定有工質(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)會聚透鏡透射后，經(jīng)該真空室的另一個真空窗聚焦到光電探測器的光敏面上，光電探測器輸出電信號給信號處理系統(tǒng)；所述信號處理系統(tǒng)用于根據(jù)連續(xù)接收到的信號，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁所受到的微沖量；所述基于扭擺法的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法由以下步驟實現(xiàn)首先，采用脈沖激光器發(fā)出脈沖激光激勵工質(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；同時，打開Htl固體激光器和振鏡的驅(qū)動電源，振鏡在驅(qū)動電源作用下做簡諧運(yùn)動， 并對不同時刻入射到振鏡前表面的光頻進(jìn)行調(diào)制；然后，信號處理系統(tǒng)在扭擺系統(tǒng)擺動過程中連續(xù)采集光電探測器發(fā)出的信號，并對連續(xù)獲得的所有信號進(jìn)行處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁所受到的微沖量I ；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)梁的橫梁擺動角θ ‘獲得的沖量與轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系式為
權(quán)利要求
1.多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法，它是采用基于扭擺法的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的系統(tǒng)實現(xiàn)的，所述系統(tǒng)包括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(Il)、 會聚透鏡(15)、脈沖激光器(6)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)、光電探測器⑵和信號處理系統(tǒng)(1)；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)、會聚透鏡(15)和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)位于真空室內(nèi)，該真空室(4)有一個真空窗(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)相對的該橫梁的另一側(cè)平面上對稱固定有工質(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(1 透射之后發(fā)射到振鏡(1 的入射面，經(jīng)振鏡(1 反射后的反射光束再次經(jīng)四分之一波片(1 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)會聚透鏡(15) 透射后，經(jīng)該真空室(4)的另一個真空窗C3)聚焦到光電探測器( 的光敏面上，光電探測器(2)輸出電信號給信號處理系統(tǒng)(1)；所述信號處理系統(tǒng)(1)用于根據(jù)連續(xù)接收到的信號，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的橫梁所受到的微沖量；其特征在于所述基于扭擺法的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法由以下步驟實現(xiàn)首先，采用脈沖激光器(6)發(fā)出脈沖激光激勵工質(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；同時，打開Htl固體激光器(10)和振鏡(13)的驅(qū)動電源，振鏡(13)在驅(qū)動電源作用下做簡諧運(yùn)動，并對不同時刻入射到振鏡(1 前表面的光頻進(jìn)行調(diào)制；信號處理系統(tǒng)(1)在扭擺系統(tǒng)擺動過程中連續(xù)采集光電探測器(2)發(fā)出的信號，并對連續(xù)獲得的所有信號進(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)的橫梁擺動角θ ‘獲得的 沖量與轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系式為T 2 Jω AkJ ,. jI=--θ =——…公式1D DT式中，k = 4 π J/DT，其中，J為扭擺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，T為該扭擺系統(tǒng)的阻尼周期，D為橫梁長度，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 = M =令公式2式中，θ ^為激光入射角；所述標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的擺角θ ‘是根據(jù)不同時刻獲得的光電探測器O)的信號，通過多光束激光外差二次諧波法獲得的，具體過程為由于激光在平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面的反射光與平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(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頻，產(chǎn)生兩個幅度相差2 3個數(shù)量級的差頻信號，所述方法中的二次諧頻差為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)后表面k次反射的光束的光場&與平面標(biāo)準(zhǔn)鏡 (14)后表面k+2次反射的光束的光場Ek+2光混頻所產(chǎn)生的；當(dāng)激光以入射角θ ^斜入射平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面時的入射光場為E(t) =E1 exp (i ω0 ),所述振鏡(1 采用多普勒振鏡； 所述振鏡(13)的簡諧振動方程為x(t) = X0 cos( ct)； 所述振鏡(13)的速度方程為v(t) =_ω。Χ(ι sin(co。t)； 由于振鏡(13)的運(yùn)動，反射光的頻率變?yōu)棣?= ω(1(1-2ω。Χ(1 sin(co。t)/c)， 上述各式中參數(shù)Qci為激光角頻率，參數(shù)為振鏡(1 振動的振幅，參數(shù)ω。為振鏡 (13)的角頻率，c為光速，t為時間；則t-1/c時刻到達(dá)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面的反射光場為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為光從周圍介質(zhì)射入平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面的反射系數(shù)，1為振鏡 (13)到平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面之間的距離，El為振幅常數(shù)；經(jīng)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面透射的光在不同時刻被平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)在其前表面和后表面之間被后表面連續(xù)反射m次，獲得相應(yīng)的透射出平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面的m束透射光的光場分別為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，參數(shù)Q1= β β，?！?，...，αω= β tem^, β為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)前表面的透射系數(shù)，β ‘為光透射出平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)時的透射系數(shù)，r'為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)內(nèi)部反射光在前后表面反射時的反射率，d為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的厚度，θ為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的折射角，下標(biāo)m的取值為0，1，2……，η為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的折射率； 光電探測器( 接收到的總光場表示為 E(t) = E0 (t)+E1U)+-+Em (t) 公式 5 則光電探測器(2)輸出的光電流表示為
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法，其特征在于基于扭擺法的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的系統(tǒng)中，信號處理系統(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)字信號處理器(DSP)組成，濾波器(17)將光電探測器( 輸出的信號進(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轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器(DSP)，該數(shù)字信號處理器(DSP)中固化有FFT算法，數(shù)字信號處理器(DSP)用于對連續(xù)接收到的信號進(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
多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差二次諧波測量微沖量的方法，它涉及一種測量微沖量的方法。它為解決現(xiàn)有激光外差法在測量微沖量時存在采集激光差頻信號質(zhì)量差和信號處理的運(yùn)算速度慢的問題而提出。激勵工質(zhì)靶產(chǎn)生等離子體噴射使標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁轉(zhuǎn)動；打開H0固體激光器和振鏡的驅(qū)動電源，振鏡在驅(qū)動電源作用下做簡諧運(yùn)動，并對不同時刻入射到振鏡前表面的光頻進(jìn)行調(diào)制；信號處理系統(tǒng)在扭擺系統(tǒng)擺動過程中連續(xù)采集光電探測器發(fā)出的信號，并對連續(xù)獲得的所有信號進(jìn)行處理，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁所受到的微沖量；它具有采集的激光差頻信號質(zhì)量高和信號處理的運(yùn)算速度快的突出優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01L5/00GK102221433SQ20111014476
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者李彥超, 王春暉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)