線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測量方法
【專利摘要】線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測量方法，涉及扭擺微沖量測量【技術(shù)領(lǐng)域】。解決另外現(xiàn)有測量扭擺微沖量的裝置和方法的測量精度低的問題。脈沖激光發(fā)射出的激光作用于工質(zhì)靶產(chǎn)生等離子噴射，反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在標(biāo)準(zhǔn)梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，線性調(diào)頻激光器持續(xù)發(fā)射出線性調(diào)頻激光，線性調(diào)頻激光經(jīng)第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射后入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的前表面和后表面均對線性調(diào)頻激光進(jìn)行反射并通過會(huì)聚透鏡會(huì)聚到光電探測器的光敏面上，光電探測器將電信號發(fā)送至信號處理系統(tǒng)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的擺角θ′，再根據(jù)公式獲得脈沖激光器發(fā)出的激光與工質(zhì)靶作用產(chǎn)生的微沖量I′。本發(fā)明適用于扭擺微沖量測量。
【專利說明】線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及扭擺微沖量測量【技術(shù)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(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，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(gè)重要參數(shù)，特點(diǎn)是量級小，約為10-7~10-5Ν *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，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(bào)告的研究結(jié)果來看，一方面，測量系統(tǒng)的噪聲會(huì)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(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(gè)問題，提高系統(tǒng)的測量精度。采用兩個(gè)角隅棱鏡形成差動(dòng)測量的方法代替原來的光指針方法測量扭擺轉(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(huì)很高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有測量扭擺微沖量的裝置和方法的測量精度低的問題，提出了線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測量方法。
[0005]線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置包括線性調(diào)頻激光器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、標(biāo)準(zhǔn)梁、真空室、脈沖激光器、工質(zhì)靶、會(huì)聚透鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)，
[0006]所述線性調(diào)頻激光器、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、標(biāo)準(zhǔn)梁、脈沖激光器、工質(zhì)靶和會(huì)聚透鏡均放置在真空室內(nèi)，
[0007]所述標(biāo)準(zhǔn)梁的中心固定有旋轉(zhuǎn)軸，
[0008]所述工質(zhì)靶黏貼在標(biāo)準(zhǔn)梁的上表面，第二平面反射鏡黏貼在標(biāo)準(zhǔn)梁的下表面，且工質(zhì)靶與第二平面反射鏡均位于標(biāo)準(zhǔn)梁的同一端，
[0009]脈沖激光發(fā)射出的激光作用于工質(zhì)靶產(chǎn)生等離子噴射，反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在標(biāo)準(zhǔn)梁發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，線性調(diào)頻激光器持續(xù)發(fā)射出線性調(diào)頻激光，線性調(diào)頻激光經(jīng)第一平面反射鏡和第二平面反射鏡反射后入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的前表面和后表面均對線性調(diào)頻激光進(jìn)行反射并通過會(huì)聚透鏡會(huì)聚到光電探測器的光敏面上，光電探測器的電信號輸出端與信號處理系統(tǒng)的電信號輸入端連接。
[0010]所述信號處理系統(tǒng)包括濾波器、前置放大器、Α/D轉(zhuǎn)換器和DSP，濾波器的電信號輸入端作為信號處理系統(tǒng)的電信號輸入端與光電探測器的電信號輸出端連接，濾波器的濾波信號輸出端與前置放大器的濾波信號輸入端連接，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，Α/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號輸出端與DSP的數(shù)字信號輸入端連接。
[0011]所述真空室上開有真空窗，所述真空窗用于使真空室內(nèi)的光會(huì)聚至真空室外部的光電探測器光敏面上。
[0012]基于所述線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置的扭擺微沖量測量方法是由以下過程實(shí)現(xiàn)的:
[0013]將脈沖激光器、線性調(diào)頻激光器、光電探測器和信號處理系統(tǒng)切換至工作狀態(tài)，光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送至信號處理系統(tǒng)，信號處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的連續(xù)的電信號獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的擺角Θ '，
[0014]根據(jù):
【權(quán)利要求】
1.線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置，其特征在于，它包括線性調(diào)頻激光器(5)、第一平面反射鏡(6)、第二平面反射鏡(4)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)、標(biāo)準(zhǔn)梁(3)、真空室(11)、脈沖激光器(I)、工質(zhì)靶(2)、會(huì)聚透鏡(8)、光電探測器(9)和信號處理系統(tǒng)(10)， 所述線性調(diào)頻激光器(5)、第一平面反射鏡(6)、第二平面反射鏡(4)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)、標(biāo)準(zhǔn)梁(3)、脈沖激光器(I)、工質(zhì)靶(2)和會(huì)聚透鏡(8)均放置在真空室(11)內(nèi)， 所述標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的中心固定有旋轉(zhuǎn)軸， 所述工質(zhì)靶(2)黏貼在標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的上表面，第二平面反射鏡(4)黏貼在標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的下表面，且工質(zhì)靶(2)與第二平面反射鏡(4)均位于標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的同一端， 脈沖激光發(fā)射出的激光作用于工質(zhì)靶(2)產(chǎn)生等離子噴射，反噴作用使標(biāo)準(zhǔn)梁(3)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在標(biāo)準(zhǔn)梁(3)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，線性調(diào)頻激光器(5)持續(xù)發(fā)射出線性調(diào)頻激光，線性調(diào)頻激光經(jīng)第一平面反射鏡(6)和第二平面反射鏡(4)反射后入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)的前表面和后表 面均對線性調(diào)頻激光進(jìn)行反射并通過會(huì)聚透鏡(8)會(huì)聚到光電探測器(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)的電信號輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置，其特征在于，所述信號處理系統(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),濾波器(10-1)的電信號輸入端作為信號處理系統(tǒng)(10)的電信號輸入端與光電探測器(9)的電信號輸出端連接，濾波器(10-1)的濾波信號輸出端與前置放大器(10-2)的濾波信號輸入端連接，前置放大器(10-2)的放大信號輸出端與Α/D轉(zhuǎn)換器(10-3)的模擬信號輸入端連接，Α/D轉(zhuǎn)換器(10-3)的數(shù)字信號輸出端與DSP (10-4)的數(shù)字信號輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置，其特征在于，所述真空室(11)上開有真空窗，所述真空窗用于使真空室(11)內(nèi)的光會(huì)聚至真空室(11)外部的光電探測器(9)光敏面上。
4.基于權(quán)利要求1或2所述的線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置的扭擺微沖量測量方法，其特征在于，它是由以下過程實(shí)現(xiàn)的: 將脈沖激光器(I)、線性調(diào)頻激光器(5)、光電探測器(9)和信號處理系統(tǒng)(10)切換至工作狀態(tài)，光電探測器(9)將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送至信號處理系統(tǒng)(10)，信號處理系統(tǒng)(10)根據(jù)接收到的連續(xù)的電信號獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的擺角Θ，， 根據(jù): _ 一—I_ 4風(fēng)y/八 ^、 I = *t/ = 7^17( Vxv Xv"')， 獲得脈沖激光器(I)發(fā)出的激光與工質(zhì)靶(2)作用產(chǎn)生的微沖量，其中，J為扭擺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為阻尼頻率，T'為阻尼周期，D為標(biāo)準(zhǔn)梁(3)長度，令k = 4JiJ/DT'，則: = k.θ ' (公式二)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于線性調(diào)頻多光束激光外差測量扭擺微沖量的裝置的扭擺微沖量測量方法，其特征在于，信號處理系統(tǒng)(10)根據(jù)接收到的連續(xù)的電信號獲得標(biāo)準(zhǔn)梁⑶的擺角Θ丨是由以下過程實(shí)現(xiàn)的:當(dāng)線性調(diào)頻激光器(5)持續(xù)發(fā)射的線性調(diào)頻激光以入射角Qtl斜入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)時(shí)，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(7)的入射光場E(t)為:
【文檔編號】G01L5/00GK103968990SQ201410206070
【公開日】2014年8月6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, 劉明亮, 高揚(yáng), 楊九如, 冉玲苓, 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)