線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法，涉及扭擺微沖量測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。解決另外現(xiàn)有測(cè)量扭擺微沖量的裝置和方法的測(cè)量精度低的問(wèn)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(xiàn)性調(diào)頻激光器持續(xù)發(fā)射出線(xiàn)性調(diào)頻激光，線(xiàn)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(duì)線(xiàn)性調(diào)頻激光進(jìn)行反射并通過(guò)會(huì)聚透鏡會(huì)聚到光電探測(cè)器的光敏面上，光電探測(cè)器將電信號(hào)發(fā)送至信號(hào)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(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及扭擺微沖量測(cè)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(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(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；2002年，Phipps等人又對(duì)扭擺系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，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(mǎn)足測(cè)量要求。[0003]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(mǎn)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有測(cè)量扭擺微沖量的裝置和方法的測(cè)量精度低的問(wèn)題，提出了線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置及基于該裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法。
[0005]性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置包括線(xiàn)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(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)，
[0006]所述線(xiàn)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(xiàn)性調(diào)頻激光器持續(xù)發(fā)射出線(xiàn)性調(diào)頻激光，線(xiàn)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(duì)線(xiàn)性調(diào)頻激光進(jìn)行反射并通過(guò)會(huì)聚透鏡會(huì)聚到光電探測(cè)器的光敏面上，光電探測(cè)器的電信號(hào)輸出端與信號(hào)處理系統(tǒng)的電信號(hào)輸入端連接。
[0010]所述信號(hào)處理系統(tǒng)包括濾波器、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和DSP，濾波器的電信號(hào)輸入端作為信號(hào)處理系統(tǒng)的電信號(hào)輸入端與光電探測(cè)器的電信號(hào)輸出端連接，濾波器的濾波信號(hào)輸出端與前置放大器的濾波信號(hào)輸入端連接，前置放大器的放大信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)輸出端與DSP的數(shù)字信號(hào)輸入端連接。
[0011]所述真空室上開(kāi)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(cè)器光敏面上。
[0012]基于所述線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法是由以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)的:
[0013]將脈沖激光器、線(xiàn)性調(diào)頻激光器、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)切換至工作狀態(tài)，光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送至信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)根據(jù)接收到的連續(xù)的電信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的擺角Θ '，
[0014]根據(jù):
【權(quán)利要求】
1.線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置，其特征在于，它包括線(xiàn)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(cè)器(9)和信號(hào)處理系統(tǒng)(10)， 所述線(xiàn)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(xiàn)性調(diào)頻激光器(5)持續(xù)發(fā)射出線(xiàn)性調(diào)頻激光，線(xiàn)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(duì)線(xiàn)性調(diào)頻激光進(jìn)行反射并通過(guò)會(huì)聚透鏡(8)會(huì)聚到光電探測(cè)器(9)的光敏面上，光電探測(cè)器(9)的電信號(hào)輸出端與信號(hào)處理系統(tǒng)(10)的電信號(hào)輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置，其特征在于，所述信號(hào)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(hào)輸入端作為信號(hào)處理系統(tǒng)(10)的電信號(hào)輸入端與光電探測(cè)器(9)的電信號(hào)輸出端連接，濾波器(10-1)的濾波信號(hào)輸出端與前置放大器(10-2)的濾波信號(hào)輸入端連接，前置放大器(10-2)的放大信號(hào)輸出端與A/D轉(zhuǎn)換器(10-3)的模擬信號(hào)輸入端連接，A/D轉(zhuǎn)換器(10-3)的數(shù)字信號(hào)輸出端與DSP (10-4)的數(shù)字信號(hào)輸入端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置，其特征在于，所述真空室(11)上開(kāi)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(cè)器(9)光敏面上。
4.基于權(quán)利要求1或2所述的線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法，其特征在于，它是由以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)的: 將脈沖激光器(I)、線(xiàn)性調(diào)頻激光器(5)、光電探測(cè)器(9)和信號(hào)處理系統(tǒng)(10)切換至工作狀態(tài)，光電探測(cè)器(9)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送至信號(hào)處理系統(tǒng)(10)，信號(hào)處理系統(tǒng)(10)根據(jù)接收到的連續(xù)的電信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(3)的擺角Θ，， 根據(jù):
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于線(xiàn)性調(diào)頻多光束激光外差測(cè)量扭擺微沖量的裝置的扭擺微沖量測(cè)量方法，其特征在于，信號(hào)處理系統(tǒng)(10)根據(jù)接收到的連續(xù)的電信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁⑶的擺角Θ丨是由以下過(guò)程實(shí)現(xiàn)的:當(dāng)線(xiàn)性調(diào)頻激光器(5)持續(xù)發(fā)射的線(xiàn)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(chǎng)E(t)為: E(t) = EQexp{i (c^t+k, t2)} (公式三), 其中，
【文檔編號(hào)】G01L5/00GK103954392SQ201410206079
【公開(kāi)日】2014年7月30日 申請(qǐng)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(qǐng)人:黑龍江大學(xué)