采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置及該裝置的測量方法
【專利摘要】采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置及該裝置的測量方法，屬于微沖量測量領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有測量微沖量的裝置及方法的測量精度低的問題。本發(fā)明采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法應(yīng)用在微沖量測量方法中，將微沖量的測量轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)梁扭擺角的測量，通過對平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射光折射角的測量可以間接得到待測標(biāo)準(zhǔn)梁扭擺角的信息，有效的提高了測量精度，在轉(zhuǎn)動角度較小(小于5°)時，所測的微沖量與入射角θ0成線性關(guān)系，測量誤差小于0.52％，能夠滿足激光微推力器沖量測量的要求，為評估激光微推力器的性能提供了很好的測量手段。本發(fā)明主要應(yīng)用在評估激光微推力器上。
【專利說明】采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置及該裝置的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于微沖量測量領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]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(shí)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10-7~10-5Ν *So 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，Phipps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。
[0003]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。
[0004]而在光學(xué)測量法中，激光外差測量技術(shù)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)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有測量微沖量的裝置及方法的測量精度低的問題，本發(fā)明提供了一種采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置及該裝置的測量方法。
[0006]采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置，它包括脈沖激光器、工質(zhì)靶、標(biāo)準(zhǔn)梁、2號平面反射鏡、線性調(diào)頻激光器、I號平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、會聚透鏡、光電探測器、信號處理系統(tǒng)和真空室；
[0007]所述的脈沖激光器、工質(zhì)靶、標(biāo)準(zhǔn)梁、2號平面反射鏡、線性調(diào)頻激光器、I號平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡和會聚透鏡均放置在真空室內(nèi)，[0008]標(biāo)準(zhǔn)梁的橫梁的一個末端的平面上固定有工質(zhì)靶，與該工質(zhì)靶相對的標(biāo)準(zhǔn)梁的另一側(cè)平面的相對位置上黏貼有2號平面反射鏡；標(biāo)準(zhǔn)梁處于水平狀態(tài)下，脈沖激光器發(fā)射的激光的光軸與工質(zhì)靶的靶面垂直，
[0009]脈沖激光器向下發(fā)射激光入射至工質(zhì)靶的靶面上，并與工質(zhì)靶作用產(chǎn)生等離子體噴射，反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁轉(zhuǎn)動，同時，線性調(diào)頻激光器輸出的線偏振光經(jīng)過I號平面反射鏡斜入射到2號平面反射鏡表面上，2號平面反射鏡上的反射光經(jīng)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面透射的光被平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的后表面反射后與經(jīng)過平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面反射的光一起被會聚透鏡會聚后，經(jīng)真空室的真空窗入射到光電探測器的光敏面上，
[0010]光電探測器的電信號輸出端與信號處理系統(tǒng)的信號輸入端連接，
[0011]所述的信號處理系統(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。
[0012]所述的信號處理系統(tǒng)包括濾波器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP，所述的濾波器的信號輸出端與前置放大器的放大信號輸入端連接，前置放大器的放大信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸出端與DSP的數(shù)據(jù)信號輸入端連接。
[0013]基于所述的采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置實(shí)現(xiàn)微沖量的測量方法，該方法的具體過程為，
[0014]首先，使脈沖激光器、線性調(diào)頻激光器、光電探測器及信號處理系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，測量獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的擺角Θ，，
[0015]其次，根據(jù) [0016]
【權(quán)利要求】
1.采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置，其特征在于，它包括脈沖激光器(I)、工質(zhì)靶(2)、標(biāo)準(zhǔn)梁(3)、2號平面反射鏡(4)、線性調(diào)頻激光器(5)、1號平面反射鏡(6)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)、會聚透鏡(8)、光電探測器(9)、信號處理系統(tǒng)(10)和真空室(11); 所述的脈沖激光器(I)、工質(zhì)靶(2)、標(biāo)準(zhǔn)梁(3)、2號平面反射鏡(4)、線性調(diào)頻激光器(5)、1號平面反射鏡(6)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)和會聚透鏡(8)均放置在真空室內(nèi)， 標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的橫梁的一個末端的平面上固定有工質(zhì)靶(2)，與該工質(zhì)靶(2)相對的標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的另一側(cè)平面的相對位置上黏貼有2號平面反射鏡(4);標(biāo)準(zhǔn)梁(3)處于水平狀態(tài)下，脈沖激光器(I)發(fā)射的激光的光軸與工質(zhì)靶(2)的靶面垂直， 脈沖激光器(I)向下發(fā) 射激光入射至工質(zhì)靶(2)的靶面上，并與工質(zhì)靶(2)作用產(chǎn)生等離子體噴射，反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁(3)轉(zhuǎn)動，同時，線性調(diào)頻激光器(5)輸出的線偏振光經(jīng)過I號平面反射鏡(6)斜入射到2號平面反射鏡(4)表面上，2號平面反射鏡(4)上的反射光經(jīng)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)前表面透射的光被平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)的后表面反射后與經(jīng)過平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)前表面反射的光一起被會聚透鏡(8)會聚后，經(jīng)真空室(11)的真空窗入射到光電探測器(9)的光敏面上， 光電探測器(9)的電信號輸出端與信號處理系統(tǒng)(10)的信號輸入端連接， 所述的信號處理系統(tǒng)(10)用于根據(jù)連續(xù)接收到的信號，獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的橫梁所受到的微沖量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置，其特征在于，所述的信號處理系統(tǒng)(10)包括濾波器(10-1)、前置放大器(10-2)、A/D轉(zhuǎn)換器(10-3)和DSP (10-4),所述的濾波器(10-1)的信號輸出端與前置放大器(10_2)的放大信號輸入端連接，前置放大器(10-2)的放大信號輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(10-3)的模擬信號輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器(10-3)的數(shù)字信號輸出端與DSP(10-4)的數(shù)據(jù)信號輸入端連接。
3.基于權(quán)利要求1或2所述的采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置實(shí)現(xiàn)微沖量的測量方法，其特征在于，該方法的具體過程為， 首先，使脈沖激光器(I)、線性調(diào)頻激光器(5)、光電探測器(9)及信號處理系統(tǒng)(10)處于工作狀態(tài)，測量獲得標(biāo)準(zhǔn)梁⑶的擺角Θ，， 其次，根據(jù)
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于采用線性調(diào)頻雙光束激光外差法及扭擺法測量微沖量的裝置實(shí)現(xiàn)微沖量的測量方法，其特征在于，所述的獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的擺角Θ，的具體過程為， 步驟一，假設(shè)線性調(diào)頻激光器(5)輸出的線偏振光以入射角Qtl斜入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)時，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)的入射光場E(t)為， E(t) = EQexp{i (c^t+k, t2)}(公式三), 其中，
【文檔編號】G01L5/00GK103994848SQ201410205951
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】李彥超, 楊九如, 高揚(yáng), 冉玲苓, 柳春郁, 楊瑞海, 杜軍, 丁群, 王春暉, 馬立峰, 于偉波 申請人:黑龍江大學(xué)