[發明專利]多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差的扭擺法測量微沖量的裝置及方法

無效

• 申請號: 201110144669.4
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102353490A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 李彥超;王春暉;高龍;曲楊;叢海芳;邵文冕
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01L5/00
• 分類號: G01L5/00;G01B11/26
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 牟永林

技術領域

本發明涉及一種多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差的扭擺法測量微沖量的裝置及方法，屬于微沖量測量技術領域。

背景技術

激光微推力器在微小衛星姿態和軌道控制領域有著廣泛而深入的應用前景，其具有比沖高、沖量動態范圍大、最小沖量小、功耗低、能量耦合效率高以及易于實現、輕量化和數字化控制等顯著優勢，受到了國內外學者們廣泛的關注。而沖量是反映激光微推力器性能的一個重要參數，特點是量級小，約為10^-7～10^-5N·s。Photonic?Associates小組Phipps等人于1999年提出了用扭擺系統測量激光微推力器產生的微小沖量，并用其進行微推力器性能參數的測試；隨后國內的中國科技大學和裝備指揮技術學院^]也進行了相關研究。從目前國內外報告的研究結果來看，一方面，測量系統的噪聲會影響系統的精度，在小沖量量級，系統誤差甚至達到了50％；另一方面，在力作用時間內，靶平面偏離焦平面，能量耦合效率降低，這也會影響微沖量的測量，因此常規的小沖量測量系統很難滿足測量要求。

激光干涉法能夠有效解決常規測試系統存在的以上兩個問題，提高系統的測量精度。采用兩個角隅棱鏡形成差動測量的方法代替原來的光指針方法測量扭擺轉動的角度，大大提高了系統的精度；扭擺推進技術2010年的質量由原來的0.2g增加到58g，克服了離焦問題。研究結果表明，激光干涉法的引入極大地改善了扭擺測試系統的性能，能夠滿足激光微推力器微小沖量的測試要求。但是由于間接測量量較多，偶然誤差較大，因此測量精度也不會很高。

而在光學測量法中，激光外差測量技術由于具有高的空間和時間分辨率、測量速度快、精度高、線性度好、抗干擾能力強、動態響應快、重復性好和測量范圍大等優點而備受國內外學者關注，激光外差測量技術繼承了激光外差技術和多普勒技術的諸多優點，是目前超高精度測量方法之一^]。該方法已成為現代超精密檢測及測量儀器的標志性技術之一，廣泛應用于超精密測量、檢測、加工設備及激光雷達系統等。

傳統的外差干涉均為雙光束干涉，外差信號頻譜只含單一頻率信息，解調后得到單一的待測參數值，這種方法得到的待測參數值的測量精度低。

發明內容

本發明的目的是解決現有采用外差干涉法測量微推力器的微沖量的方法由于只能得到單一的待測參數值，使得待測參數值的測量精度低的問題，提供一種多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差的扭擺法測量微沖量的裝置及方法。

本發明所述多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差的扭擺法測量微沖量的裝置，該裝置由數字信號處理系統、光電探測器、脈沖激光器、扭擺系統、H₀固體激光器、偏振分束鏡PBS、四分之一波片、振鏡、平面標準鏡和會聚透鏡組成，

其中所述H₀固體激光器、扭擺系統、四分之一波片、振鏡、偏振分束鏡PBS、會聚透鏡和平面標準鏡位于真空室內，該真空室有第一真空窗和第二真空窗，所述扭擺系統由標準梁、平面反射鏡和工質靶組成；在標準梁的橫梁一個末端的平面上黏貼有平面反射鏡，與該平面反射鏡相對的該橫梁的另一側平面上對稱固定有工質靶，所述平面反射鏡的反射面與標準梁的橫梁的擺動方向垂直；該標準梁處在水平的平衡狀態下，所述工質靶的靶面與脈沖激光器發射的激光束的光軸相垂直；

H₀固體激光器發射激光束至偏振分束鏡PBS的前表面，該偏振分束鏡PBS的反射光束經四分之一波片透射之后發射到振鏡的入射面，經振鏡反射后的反射光束再次經四分之一波片透射之后發射至偏振分束鏡PBS，經該偏振分束鏡PBS透射之后入射至黏貼在標準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θ₀斜入射至平面標準鏡，該平面標準鏡前表面的發射光與經其后表面多次反射而透射出前表面的光通過會聚透鏡匯聚后，經該真空室的第一真空窗聚焦到光電探測器的光敏面上，光電探測器輸出電信號給數字信號處理系統，第二真空窗的設置位置與脈沖激光器的位置相對應，用于觀察扭擺系統的工作狀態；所述數字信號處理系統用于根據連續接收到的信號，獲得標準梁的橫梁所受到的微沖量。

本發明所述基于上述裝置的多普勒振鏡正弦調制多光束激光外差的扭擺法測量微沖量的方法，該方法的過程為：

首先，打開H₀固體激光器，并打開振鏡的驅動電源，使振鏡開始做簡諧振動；

同時，采用脈沖激光器發出脈沖激光激勵工質靶，使該工質靶產生等離子體噴射，所產生的等離子噴射的反噴作用使標準梁的橫梁轉動；