线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置及基于该装置的扭摆微冲量测量方法
【专利摘要】线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置及基于该装置的扭摆微冲量测量方法，涉及扭摆微冲量测量【技术领域】。解决另外现有测量扭摆微冲量的装置和方法的测量精度低的问题。脉冲激光发射出的激光作用于工质靶产生等离子喷射，反喷作用使标准梁发生转动，在标准梁发生转动的同时，线性调频激光器持续发射出线性调频激光，线性调频激光经第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后入射至平面标准镜，平面标准镜的前表面和后表面均对线性调频激光进行反射并通过会聚透镜会聚到光电探测器的光敏面上，光电探测器将电信号发送至信号处理系统获得标准梁的摆角θ′，再根据公式获得脉冲激光器发出的激光与工质靶作用产生的微冲量I′。本发明适用于扭摆微冲量测量。
【专利说明】线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置及基于该装置的扭摆微冲量测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及扭摆微冲量测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]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10-7~10-5Ν *s。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；2002年，Phipps等人又对扭摆系统进行了改进，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。[0003]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。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决现有测量扭摆微冲量的装置和方法的测量精度低的问题，提出了线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置及基于该装置的扭摆微冲量测量方法。
[0005]性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置包括线性调频激光器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、平面标准镜、标准梁、真空室、脉冲激光器、工质靶、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统，
[0006]所述线性调频激光器、第一平面反射镜、第二平面反射镜、平面标准镜、标准梁、脉冲激光器、工质靶和会聚透镜均放置在真空室内，
[0007]所述标准梁的中心固定有旋转轴，
[0008]所述工质靶黏贴在标准梁的上表面，第二平面反射镜黏贴在标准梁的下表面，且工质靶与第二平面反射镜均位于标准梁的同一端，
[0009]脉冲激光发射出的激光作用于工质靶产生等离子喷射，反喷作用使标准梁发生转动，在标准梁发生转动的同时，线性调频激光器持续发射出线性调频激光，线性调频激光经第一平面反射镜和第二平面反射镜反射后入射至平面标准镜，平面标准镜的前表面和后表面均对线性调频激光进行反射并通过会聚透镜会聚到光电探测器的光敏面上，光电探测器的电信号输出端与信号处理系统的电信号输入端连接。
[0010]所述信号处理系统包括滤波器、前置放大器、A/D转换器和DSP，滤波器的电信号输入端作为信号处理系统的电信号输入端与光电探测器的电信号输出端连接，滤波器的滤波信号输出端与前置放大器的滤波信号输入端连接，前置放大器的放大信号输出端与A/D转换器的模拟信号输入端连接，A/D转换器的数字信号输出端与DSP的数字信号输入端连接。
[0011]所述真空室上开有真空窗，所述真空窗用于使真空室内的光会聚至真空室外部的光电探测器光敏面上。
[0012]基于所述线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置的扭摆微冲量测量方法是由以下过程实现的:
[0013]将脉冲激光器、线性调频激光器、光电探测器和信号处理系统切换至工作状态，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号发送至信号处理系统，信号处理系统根据接收到的连续的电信号获得标准梁的摆角Θ '，
[0014]根据:
【权利要求】
1.线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置，其特征在于，它包括线性调频激光器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(4)、平面标准镜(7)、标准梁(3)、真空室(11)、脉冲激光器(I)、工质靶(2)、会聚透镜(8)、光电探测器(9)和信号处理系统(10)， 所述线性调频激光器(5)、第一平面反射镜(6)、第二平面反射镜(4)、平面标准镜(7)、标准梁(3)、脉冲激光器(I)、工质靶(2)和会聚透镜(8)均放置在真空室(11)内， 所述标准梁(3)的中心固定有旋转轴， 所述工质靶(2)黏贴在标准梁(3)的上表面，第二平面反射镜(4)黏贴在标准梁(3)的下表面，且工质靶(2)与第二平面反射镜(4)均位于标准梁(3)的同一端， 脉冲激光发射出的激光作用于工质靶(2)产生等离子喷射，反喷作用使标准梁(3)发生转动，在标准梁(3)发生转动的同时，线性调频激光器(5)持续发射出线性调频激光，线性调频激光经第一平面反射镜(6)和第二平面反射镜(4)反射后入射至平面标准镜(7)，平面标准镜(7)的前表面和后表面均对线性调频激光进行反射并通过会聚透镜(8)会聚到光电探测器(9)的光敏面上，光电探测器(9)的电信号输出端与信号处理系统(10)的电信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置，其特征在于，所述信号处理系统(10)包括滤波器(10-1)、前置放大器(10-2)、A/D转换器(10-3)和DSP(10-4),滤波器(10-1)的电信号输入端作为信号处理系统(10)的电信号输入端与光电探测器(9)的电信号输出端连接，滤波器(10-1)的滤波信号输出端与前置放大器(10-2)的滤波信号输入端连接，前置放大器(10-2)的放大信号输出端与A/D转换器(10-3)的模拟信号输入端连接，A/D转换器(10-3)的数字信号输出端与DSP (10-4)的数字信号输入端连接。
3.根据权利要求1所述的线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置，其特征在于，所述真空室(11)上开有真空窗，所述真空窗用于使真空室(11)内的光会聚至真空室(11)外部的光电探测器(9)光敏面上。
4.基于权利要求1或2所述的线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置的扭摆微冲量测量方法，其特征在于，它是由以下过程实现的: 将脉冲激光器(I)、线性调频激光器(5)、光电探测器(9)和信号处理系统(10)切换至工作状态，光电探测器(9)将接收到的光信号转换为电信号发送至信号处理系统(10)，信号处理系统(10)根据接收到的连续的电信号获得标准梁(3)的摆角Θ，， 根据:
5.根据权利要求4所述的基于线性调频多光束激光外差测量扭摆微冲量的装置的扭摆微冲量测量方法，其特征在于，信号处理系统(10)根据接收到的连续的电信号获得标准梁⑶的摆角Θ丨是由以下过程实现的:当线性调频激光器(5)持续发射的线性调频激光以入射角Qtl斜入射至平面标准镜(7)时，平面标准镜(7)的入射光场E(t)为: E(t) = EQexp{i (c^t+k, t2)} (公式三), 其中，
【文档编号】G01L5/00GK103954392SQ201410206079
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月15日 优先权日:2014年5月15日
【发明者】李彦超, 刘明亮, 高扬, 杨九如, 冉玲苓, 杨瑞海, 杜军, 丁群, 王春晖, 马立峰, 于伟波 申请人:黑龙江大学