專利名稱：基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在扭擺法測(cè)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(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" 10- ·8。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，Wiipps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)很難滿足測(cè)量要求。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)中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。而在光學(xué)測(cè)量法中，激光外差測(cè)量技術(shù)備受國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，激光外差測(cè)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(cè)量方法之一。該方法具有高的空間和時(shí)間分辨率、測(cè)量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、重復(fù)性好和測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代超精密檢測(cè)及測(cè)量?jī)x器的標(biāo)志性技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于超精密測(cè)量、檢測(cè)、加工設(shè)備、激光雷達(dá)系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的外差干涉均為雙光束干涉，外差信號(hào)頻譜只含單一頻率信息，解調(diào)后得到單一的待測(cè)參數(shù)值。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有外差干涉法測(cè)量技術(shù)中，測(cè)量信息解調(diào)之后只能夠獲得單一待測(cè)參數(shù)，測(cè)量效率和精度都不高的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法。本發(fā)明所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，是基于下述系統(tǒng)實(shí)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(huì)聚透鏡、脈沖激光器、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)；其中，所述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(huì)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(gè)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(gè)末端的平面上黏貼有平面反射鏡，與該平面反射鏡相對(duì)的該橫梁的另一側(cè)平面上對(duì)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(dòng)方向垂直；該標(biāo)準(zhǔn)梁處在水平的平衡狀態(tài)下時(shí)，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經(jīng)四分之一波片透射之后發(fā)射至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS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(huì)聚透鏡透射后，經(jīng)該真空室的真空窗聚焦到光電探測(cè)器的光敏面上，光電探測(cè)器輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)；平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的厚度為d ；其特征在于，基于上述系統(tǒng)的測(cè)量微沖量的方法為打開Htl固體激光器，同時(shí)，控制脈沖激光器發(fā)射激光脈沖至工質(zhì)靶，使工質(zhì)靶表面產(chǎn)生等離子體噴射，所述噴射的反噴作用推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)梁轉(zhuǎn)動(dòng)；在上述過(guò)程中，信號(hào)處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測(cè)器發(fā)出的信號(hào)，并根據(jù)所述信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘，然后，根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘，根據(jù)公式= =(2)計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)梁所受到的微沖量Γ，上述公式中，k = 4 π J/LT,
2π式中，J為扭擺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T為阻尼周期，L為標(biāo)準(zhǔn)梁長(zhǎng)度，其中 =〒，ω 為扭擺系統(tǒng)的阻尼頻率。本發(fā)明在激光外差測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合扭擺法，設(shè)計(jì)了一套多光束激光外差測(cè)量微小角度的方案，基于此方案提出了一種提高測(cè)量精度的多光束激光外差測(cè)量法，即在光路中利用振鏡對(duì)不同時(shí)刻的入射光進(jìn)行頻率調(diào)制，得到了多光束激光外差信號(hào)，其信號(hào)頻譜中同時(shí)包含多個(gè)頻率值，每個(gè)頻率值都包含待測(cè)參數(shù)信息，經(jīng)過(guò)解調(diào)后可同時(shí)得到多個(gè)待測(cè)參數(shù)值，對(duì)得到的多個(gè)參數(shù)值加權(quán)平均，從而提高了待測(cè)參數(shù)的精度。文章對(duì)此方法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，最后仿真測(cè)量了工質(zhì)靶的微沖量，測(cè)量相對(duì)誤差僅為0. 5%。


圖1是具體實(shí)施方式
一中所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的測(cè)量方法中在平面標(biāo)準(zhǔn)鏡14處多光束激光干涉原理圖。圖3 是具體實(shí)施方式
六所述的實(shí)驗(yàn)中獲得的不同入射角情況下微沖量測(cè)量對(duì)應(yīng)的頻譜圖，其中曲線20為入射角為11. 205rad時(shí)的頻譜圖，從該曲線向右側(cè)的曲線所對(duì)應(yīng)的入射角度逐漸遞減，最右側(cè)的曲線21對(duì)應(yīng)的入射角最小，為5. 976rad。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一，本實(shí)施方式所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，是基于下述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，所述系統(tǒng)包括Htl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PBS11、會(huì)聚透鏡15、脈沖激光器6、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡14、光電探測(cè)器2和信號(hào)處理系統(tǒng)1 ；其中，所述Htl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 PBSl 1、會(huì)聚透鏡15和平面標(biāo)準(zhǔn)鏡14位于真空室4內(nèi)，該真空室4有一個(gè)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(gè)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(duì)的該橫梁的另一側(cè)平面上對(duì)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(dòng)方向垂直；該標(biāo)準(zhǔn)梁8處在水平的平衡狀態(tài)下時(shí)，所述工質(zhì)靶7的靶面與脈沖激光器6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PBSll的前表面，經(jīng)該偏振分束鏡PBSll 的反射光束經(jīng)四分之一波片12透射之后發(fā)射到振鏡13的入射面，經(jīng)振鏡13反射后的反射光束經(jīng)四分之一波片12透射之后發(fā)射至偏振分束鏡PBS11，經(jīng)該偏振分束鏡PBSll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 0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(huì)聚透鏡15透射后，經(jīng)該真空室4的真空窗3聚焦到光電探測(cè)器2的光敏面上，光電探測(cè)器2輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)1 ；平面標(biāo)準(zhǔn)鏡14的厚度為d ；基于上述系統(tǒng)的測(cè)量微沖量的方法為打開Htl固體激光器10，同時(shí)，控制脈沖激光器6發(fā)射激光脈沖至工質(zhì)靶，使工質(zhì)靶表面產(chǎn)生等離子體噴射，所述噴射的反噴作用推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)梁8轉(zhuǎn)動(dòng)；在上述過(guò)程中，信號(hào)處理系統(tǒng)1連續(xù)采集光電探測(cè)器2發(fā)出的信號(hào)，并根據(jù)所述信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁8的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘，然后，根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘，根據(jù)公式= =(2)計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)梁8所受到的微沖量I ‘，上述公式中，
權(quán)利要求
1.基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，是基于下述系統(tǒng)實(shí)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(huì)聚透鏡(15)、脈沖激光器(6)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)、光電探測(cè)器⑵和信號(hào)處理系統(tǒng)⑴；其中，所述HO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(huì)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(gè)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(gè)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(duì)的該橫梁的另一側(cè)平面上對(duì)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(dòng)方向垂直；該標(biāo)準(zhǔn)梁(8)處在水平的平衡狀態(tài)下時(shí)，所述工質(zhì)靶(7)的靶面與脈沖激光器(6) 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 反射后的反射光束經(jīng)四分之一波片(1 透射之后發(fā)射至偏振分束鏡PBS (11)，經(jīng)該偏振分束鏡 PBS(Il)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 0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(huì)聚透鏡(1 透射后，經(jīng)該真空室的真空窗C3)聚焦到光電探測(cè)器O)的光敏面上，光電探測(cè)器⑵輸出電信號(hào)給信號(hào)處理系統(tǒng)⑴；平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的厚度為d ； 其特征在于，基于上述系統(tǒng)的測(cè)量微沖量的方法為打開Htl固體激光器(10)，同時(shí)，控制脈沖激光器(6)發(fā)射激光脈沖至工質(zhì)靶，使工質(zhì)靶表面產(chǎn)生等離子體噴射，所述噴射的反噴作用推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)梁(8)轉(zhuǎn)動(dòng)；在上述過(guò)程中，信號(hào)處理系統(tǒng)(1)連續(xù)采集光電探測(cè)器( 發(fā)出的信號(hào)，并根據(jù)所述信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(8)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘，然后，根據(jù)所述轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘，根據(jù)公式r = k.0' = ^L,(2) 計(jì)算獲得標(biāo)準(zhǔn)梁(8)所受到的微沖量Γ，上述公式中， k = 4 π J/LT， 式中，J為扭擺系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，T為阻尼周期，L為標(biāo)準(zhǔn)梁(8)長(zhǎng)度，其中 =y，ω為扭擺系統(tǒng)的阻尼頻率；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(14)的入射光的光場(chǎng)為E (t) = E0 exp (i ω0 )。 公式中，Oci為激光角頻率，為振幅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于，所述振鏡(1 為多普勒振鏡，該振鏡(13)的振動(dòng)方程為x(t) = a(t2/2), 該振鏡(1 的速度方程為 ν (t) = at，式中，a為振動(dòng)加速度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于，所述信號(hào)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(hào)處理器DSP組成，濾波器(17)將光電探測(cè)器( 輸出的信號(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)送給數(shù)字信號(hào)處理器DSP，該數(shù)字信號(hào)處理器 DSP中固化有FFT算法，數(shù)字信號(hào)處理器DSP用于對(duì)連續(xù)接收到的信號(hào)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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于，信號(hào)處理系統(tǒng)(1)連續(xù)采集光電探測(cè)器( 發(fā)出的信號(hào)，并根據(jù)所述信號(hào)獲得標(biāo)準(zhǔn)梁 (8)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘的過(guò)程中，在t-1/c時(shí)刻獲得轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ ‘的過(guò)程為信號(hào)處理系統(tǒng)(1)對(duì)t-1/c時(shí)刻獲得的光電探測(cè)器( 輸出的光電流I進(jìn)行濾波處理， 獲得上述光電流I中的中頻電流Iif，然后對(duì)所述中頻電流Iif進(jìn)行積分處理，獲得干涉信號(hào)的頻率fp，根據(jù)該頻率fp獲得折射角θ，由折射定律獲得入射角θ ^ θ 0 = arcsin (nsin θ )，再根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ‘和θ ^之間的關(guān)系
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于，信號(hào)處理系統(tǒng)(1)對(duì)t-1/c時(shí)刻獲得的光電探測(cè)器( 輸出的光電流I進(jìn)行濾波處理，獲得上述光電流I中的中頻電流Iif的過(guò)程的進(jìn)一步說(shuō)明，該過(guò)程為根據(jù)多光束激光干涉原理，所述光電流I的表達(dá)式為
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，其特征在于，對(duì)所述中頻電流Iif進(jìn)行積分處理，獲得干涉信號(hào)的頻率fp的過(guò)程為 將( 式和(4)式代入(7)式，通過(guò)軟件計(jì)算積分結(jié)果為
全文摘要
基于多光束激光外差法和扭擺法測(cè)量微沖量的方法，涉及在扭擺法測(cè)量微沖量的方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有外差干涉法測(cè)量技術(shù)中測(cè)量信息解調(diào)之后只能夠獲得單一待測(cè)參數(shù)，測(cè)量效率和精度都不高的問(wèn)題。本發(fā)明所述的測(cè)量方法，采用脈沖激光器轟擊位于扭擺系統(tǒng)中的工質(zhì)靶，然后通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量扭擺系統(tǒng)的微小轉(zhuǎn)動(dòng)角，進(jìn)而獲得工質(zhì)靶所受到的微沖量。本發(fā)明基于激光外差技術(shù)和多普勒效應(yīng)，將待測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)角信息加載到外差信號(hào)的頻率差中，經(jīng)信號(hào)解調(diào)后可以同時(shí)得到多個(gè)待測(cè)參數(shù)值，經(jīng)加權(quán)平均處理可以提高待測(cè)參數(shù)的測(cè)量精度。以PVC+2％C為工質(zhì)，采用本發(fā)明所述的測(cè)量方法測(cè)量該工質(zhì)與激光作用產(chǎn)生的微沖量，結(jié)果表明該測(cè)量的最大相對(duì)誤差小于0.5％。
文檔編號(hào)G01L5/00GK102252794SQ201110144769
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)