[发明专利]利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学领域。

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10^-7～10^-5N·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。

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

本发明为了解决现有的激光干涉法测量微小冲量的偶然误差较大，测量精度低的问题，提出了利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置及方法。

利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置，它包括线性调频激光器、第一平面反射镜、扭摆系统、脉冲激光器、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统；

所述线性调频激光器、第一平面反射镜、扭摆系统、脉冲激光器、平面标准镜和会聚透镜均位于真空室内，真空室上开有一个真空窗；

所述扭摆系统包括标准梁、第二平面反射镜和工质靶；在标准梁的一个末端下表面上黏贴有第二平面反射镜，标准梁上表面与第二平面反射镜对应位置固定有工质靶，标准梁处在水平的平衡状态下，工质靶的靶面垂直于脉冲激光器发射的激光束的光轴；

线性调频激光器发出线性调频线偏振光，所述线性调频线偏振光经第一平面反射镜和第二平面反射镜两次反射后，以θ₀角入射至平面标准镜；经平面标准镜的前表面透射的光束在平面标准镜内经平面标准镜的后表面和前表面多次反射后获得多束反射光，该多束反射光经平面标准镜的前表面透射之后与经平面标准镜前表面反射后的光束均通过会聚透镜和透过真空窗会聚到真空室外的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；所述信号处理系统用于根据连续接收到的电信号，获得标准梁所受到的微冲量。

信号处理系统包括滤波器、前置放大器、A/D转换电路和DSP微处理器；

滤波器的输入端连接光电探测器的电信号输出端；滤波器的输出端连接前置放大器的输入端；前置放大电路的输出端连接A/D转换电路的模拟信号输入端；A/D转换电路的数字信号输出端连接DSP微处理器的输入端。

所述的利用线性调频多光束激光外差二次谐波法及扭摆法测量微冲量的装置测量微冲量的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、同时打开线性调频激光器和脉冲激光器；

采用脉冲激光器发出脉冲激光激励工质靶，使工质靶产生等离子体喷射，所述工质靶产生的等离子体喷射的反喷作用使标准梁转动；

步骤二、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电信号，并对连续获得的电信号进行处理，采用线性调频多光束激光外差二次谐波法测量出光束入射至平面标准镜的入射角θ₀；

步骤三、标准梁的摆角θ′按公式θ′＝θ₀/2获取；

步骤四、根据标准梁的摆角θ′获取标准梁所受到的微冲量I′，微冲量I′的计算公式如下：