专利名称：基于多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的方法
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1(Γ7 ICT5N ·8。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；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。而在光学测量法中，激光外差测量技术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。但，现有采用多光束激光外差测量微冲量的方法由于激光信号差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致测量精度较低。
发明内容
本发明为了解决现有采用多光束激光外差测量微冲量的方法由于激光差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致的测量精度较低的问题，从而提供一种基于扭摆法的多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法。基于多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的方法，它是采用基于扭摆法的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；其中所述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7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；基于扭摆法的多光束激光外差二次谐波测量微冲量的方法为首先，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勻加速运动，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；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
Γ η 7 IJm n, AnJ η,I =-·θ =-·θ
D 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 ‘为标准梁的摆角；令k = 4 JI J/DT,则所述微冲量为I = k · θ ‘所述标准梁的摆角Θ'是根据不同时刻获得的光电探测器的信号，通过多光束激光外差二次谐波法获得的，具体过程为根据平面标准镜的入射光场E(t) = E0exp(i co0t)以及多普勒振镜的振动方程x(t) = a(t2/2)和多普勒振镜的速度方程ν(t) = at获得经多普勒振镜的反射光的频率变为ω = co0(l+at/c)式中(Oci为激光角频率，a为振动加速度，E0为常数，c为光速；则t-1/c时刻到达平面标准镜前表面的反射光场为
权利要求
1.基于多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的方法，它是采用基于扭摆法的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(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⑴；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(4)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(12)透射之后发射到振镜(13)的入射面，经振镜(13)反射后的反射光束再次经四分之一波片(12)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(3)聚焦到光电探测器(2)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；其特征是基于扭摆法的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H0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勻加速运动，并对不同时刻入射到振镜(13)前表面的光频进行调制；然后，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 IJm nf AnJ nt1 = - C7 = - C7D 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 = k · θ ‘所述标准梁(8)的摆角θ丨是根据不同时刻获得的光电探测器的信号，通过多光束激光外差二次谐波法获得的，具体过程为 根据平面标准镜(14)的入射光场 E (t) = E0exp (i ω0 )以及多普勒振镜(13)的振动方程 x(t) = a(t2/2)和多普勒振镜(13)的速度方程 v(t) = at获得经多普勒振镜(13)的反射光的频率变为 ω = co0(l+at/c)式中Qci为激光角频率，a为振动加速度，E0为常数，c为光速； 则t-1/c时刻到达平面标准镜(14)前表面的反射光场为
2.根据权利要求1所述的基于多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的方法，其特征在于基于扭摆法的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(2)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
基于多光束激光外差二次谐波法与扭摆法测量微冲量的方法，涉及一种测量微冲量的方法。它解决了现有采用多光束激光外差测量微冲量的方法由于激光差频信号采集效果差、信号处理的运算速度慢导致的测量精度较低的问题。本发明采用多光束激光外差二次谐波法应用在微冲量测量方法中，将微冲量的测量转化为扭摆的摆角的测量，通过对平面标准镜厚度的测量可以间接得到待测摆角信息，有效的提高了测量的精度，在转动角度较小(小于5°)时，所测的冲量与入射角成线性关系，测量误差小于0.5％，能够满足激光微推力器冲量测量的要求，为评估激光微推力器的性能提供了很好的测量手段。
文档编号G01L5/00GK102322997SQ20111014505
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者张峰, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学