基于多光束激光外差法和扭摆法测量微冲量的方法，涉及在扭摆法测量微冲量的方法。本发明专利技术解决了现有外差干涉法测量技术中测量信息解调之后只能够获得单一待测参数，测量效率和精度都不高的问题。本发明专利技术所述的测量方法，采用脉冲激光器轰击位于扭摆系统中的工质靶，然后通过光学系统测量扭摆系统的微小转动角，进而获得工质靶所受到的微冲量。本发明专利技术基于激光外差技术和多普勒效应，将待测转动角信息加载到外差信号的频率差中，经信号解调后可以同时得到多个待测参数值，经加权平均处理可以提高待测参数的测量精度。以PVC+2％C为工质，采用本发明专利技术所述的测量方法测量该工质与激光作用产生的微冲量，结果表明：该测量的最大相对误差小于0.5％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及在扭摆法测量微冲量的方法。
技术介绍
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 10- ·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；2002年，Wiipps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。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；扭摆推进技术中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，已成为现代超精密检测及测量仪器的标志性技术之一，广泛应用于超精密测量、检测、加工设备、激光雷达系统等。传统的外差干涉均为双光束干涉，外差信号频谱只含单一频率信息，解调后得到单一的待测参数值。
技术实现思路
为了解决现有外差干涉法测量技术中，测量信息解调之后只能够获得单一待测参数，测量效率和精度都不高的问题，本专利技术提供一种。本专利技术所述的，是基于下述系统实现的，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时，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经四分之一波片透射之后发射至偏振分束镜PBS，经该偏振分束镜PBS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，经该真空室的真空窗聚焦到光电探测器的光敏面上，光电探测器输出电信号给信号处理系统；平面标准镜的厚度为d ；其特征在于，基于上述系统的测量微冲量的方法为打开Htl固体激光器，同时，控制脉冲激光器发射激光脉冲至工质靶，使工质靶表面产生等离子体喷射，所述喷射的反喷作用推动标准梁转动；在上述过程中，信号处理系统连续采集光电探测器发出的信号，并根据所述信号获得标准梁的转动角度θ ‘，然后，根据所述转动角度θ ‘，根据公式= =(2)计算获得标准梁所受到的微冲量Γ，上述公式中，k = 4 π J/LT,2π式中，J为扭摆系统的转动惯量，T为阻尼周期，L为标准梁长度，其中 =〒，ω 为扭摆系统的阻尼频率。本专利技术在激光外差测量技术基础上，结合扭摆法，设计了一套多光束激光外差测量微小角度的方案，基于此方案提出了一种提高测量精度的多光束激光外差测量法，即在光路中利用振镜对不同时刻的入射光进行频率调制，得到了多光束激光外差信号，其信号频谱中同时包含多个频率值，每个频率值都包含待测参数信息，经过解调后可同时得到多个待测参数值，对得到的多个参数值加权平均，从而提高了待测参数的精度。文章对此方法进行了详细的理论分析，最后仿真测量了工质靶的微冲量，测量相对误差仅为0. 5%。附图说明图1是具体实施方式一中所述的基于多光束激光外差法和扭摆法测量微冲量的系统结构图。图2是本专利技术的测量方法中在平面标准镜14处多光束激光干涉原理图。图3 是具体实施方式六所述的实验中获得的不同入射角情况下微冲量测量对应的频谱图，其中曲线20为入射角为11. 205rad时的频谱图，从该曲线向右侧的曲线所对应的入射角度逐渐递减，最右侧的曲线21对应的入射角最小，为5. 976rad。具体实施例方式具体实施方式一，本实施方式所述的，是基于下述系统实现的，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PBS11、会聚透镜15、脉冲激光器6、平面标准镜14、光电探测器2和信号处理系统1 ；其中，所述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 PBSl 1、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时，所述工质靶7的靶面与脉冲激光器6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PBSll的前表面，经该偏振分束镜PBSll 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反射后的反射光束经四分之一波片12透射之后发射至偏振分束镜PBS11，经该偏振分束镜PBSll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 0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 ；平面标准镜14的厚度为d ；基于上述系统的测量微冲量的方法为打开Htl固体激光器10，同时，控制脉冲激光器6发射激光脉冲至工质靶，使工质靶表面产生等离子体喷射，所述喷射的反喷作用推动标准梁8转动；在上述过程中，信号处理系统1连续采集光电探测器2发出的信号，并根据所述信号获得标准梁8的转动角度θ ‘，然后，根据所述转动角度θ ‘，根据公式= =(2)计算获得标准梁8所受到的微冲量I ‘，上述公式中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．基于多光束激光外差法和扭摆法测量微冲量的方法，是基于下述系统实现的，所述系统包括Ｈ０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（１１）、会聚透镜（１５）、脉冲激光器（６）、平面标准镜（１４）、光电探测器（２）和信号处理系统（１）；其中，所述Ｈ０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（１１）、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时，所述工质靶（７）的靶面与脉冲激光器（６）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（１１）的前表面，经该偏振分束镜ＰＢＳ（１１）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）反射后的反射光束经四分之一波片（１２）透射之后发射至偏振分束镜ＰＢＳ（１１），经该偏振分束镜ＰＢＳ（１１）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θ０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）；平面标准镜（１４）的厚度为ｄ；其特征在于，基于上述系统的测量微冲量的方法为：打开Ｈ０固体激光器（１０），同时，控制脉冲激光器（６）发射激光脉冲至工质靶，使工质靶表面产生等离子体喷射，所述喷射的反喷作用推动标准梁（８）转动；在上述过程中，信号处理系统（１）连续采集光电探测器（２）发出的信号，并根据所述信号获得标准梁（８）的转动角度θ′，然后，根据所述转动角度θ′，根据公式（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）Ｉ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｋ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ＣｅｎｔｅｒＤｏｔ；（／ｍｏ）?（ｍｓｕｐ）?（ｍｉ）＆ｔｈｅｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｏ）＆ｐｒｉｍｅ；（／ｍｏ）?（／ｍｓｕｐ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｋ（／ｍｉ）?（ｍｓｕｂ）?（ｍｉ）＆ｔｈｅｔａ；（／ｍｉ）?（ｍｎ）０（／ｍｎ）?（／ｍｓｕｂ）?（／ｍｒｏｗ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ），（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｏ）－（／ｍｏ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｏ）（（／ｍｏ）?（ｍｎ）２（／ｍｎ）?（ｍｏ））（／ｍｏ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）计算获得标准梁（８）所受到的微冲量Ｉ′，上述公式中，ｋ＝４πＪ／ＬＴ，式中，Ｊ为扭摆系统的转动惯量，Ｔ为阻尼周期，Ｌ为标准梁（８）长度，其中ω为扭摆系统的阻尼频率；...
【技术特征摘要】
1.基于多光束激光外差法和扭摆法测量微冲量的方法，是基于下述系统实现的，所述系统包括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(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HO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)和平面标准镜(14)位于真空室内，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时，所述工质靶(7)的靶面与脉冲激光器(6) 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(1 透射之后发射到振镜(1 的入射面，经振镜(1 反射后的反射光束经四分之一波片(1 透射之后发射至偏振分束镜PBS (11)，经该偏振分束镜 PBS(Il)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 0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(1 透射后，经该真空室的真空窗C3)聚焦到光电探测器O)的光敏面上，光电探测器⑵输出电信号给信号处理系统⑴；平面标准镜(14)的厚度为d ； 其特征在于，基于上述系统的测量微冲量的方法为打开Htl固体激光器(10)，同时，控制脉冲激光器(6)发射激光脉冲至工质靶，使工质靶表面产生等离子体喷射，所述喷射的反喷作用推动标准梁(8)转动；在上述过程中，信号处理系统(1)连续采集光电探测器( 发出的信号，并根据所述信号获得标准梁(8)的转动角度θ ‘，然后，根据所述转动角度θ ‘，根据公式r = k.0' = ^L,(2) 计算获得标准梁(8)所受到的微冲量Γ，上述公式中， k = 4 π J/LT， 式中，J为扭摆系统的转动惯量，T为阻尼周期，L为标准梁(8)长度，其中 =y，ω为扭摆系统的阻尼频率；2.根据权利要求1所...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彦超，王春晖，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93
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