[发明专利]基于QPD无损相位测量的双向星间激光干涉链路建立方法及系统

说明书

本发明为提出一种基于QPD无损相位测量的双向星间激光干涉链路建立方法及系统，包括以下步骤：对主从卫星上搭载的主从激光器进行功率调制，并进行空间扫描；当任意一卫星搭载的QPD接收到另一卫星发射的光束功率超过第一判断阈值，停止空间扫描，测量接收光光束角度信息并反馈控制快速偏转镜转动，将出射光光轴调节至与接收光光轴平行；对从卫星上搭载的从激光器出射的激光进行频率扫描；QPD测量两束光的干涉信号的幅值，当超过第二判断阈值，停止频率扫描及功率调制，测量两束光的相对夹角并反馈控制快速偏转镜转动，控制出射光光轴跟随接收光光轴变化，配合相位计进行相位测量并锁定指向角，完成星间激光干涉链路的建立。

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，更具体地，涉及一种基于QPD无损相位测量的双向星间激光干涉链路建立方法及系统。

背景技术

星间激光干涉仪是空间引力波探测、卫星地球重力场测量的关键技术之一，其基本原理是通过测量两束激光干涉产生的拍频信号的相位变化来推算两颗卫星之间的距离变化。成功地建立并保持星间激光链路是进行干涉科学测量的第一步，为了建立星间激光干涉链路需要对主从卫星的俯仰、偏航角以及主从激光的频差共五个自由度进行校准，使其落入可探测范围。卫星在初始升空之后，在星间激光链路建立之前，两个卫星首先根据各自的星敏感器和轨道参数，计算出对侧卫星在某个时刻的位置，然后将出射光轴调整至估计的视轴方向上。但是由于各项误差的影响，实际视轴与估计视轴具有一定的偏差，该最大偏差形成的边界即为空间不确定区域的半径大小。同时在卫星发射升空的过程中，激光器处于关闭状态，再次开机后，主从卫星激光频率差的最大值即频率不确定区域，一般也会远大于设计的探测器带宽，因此还需要调节从激光器的频率将两束激光的频差降低至探测器有效带宽内。

在星间激光测距系统的应用中已有的方法是嵌套完整地扫描主卫星的不确定区域、从卫星的不确定区域和频率不确定区域，将主从卫星上基于FFT(Fast FourierTransformation，快速傅里叶变换)峰值检测算法测得的干涉信号幅值依次记录下来，然后通过寻找最大值在数据表中出现的位置来估算主从卫星的指向角和频率差，然后对五个自由度进行校准。另一种方法是通过测量接收激光的功率，将空间扫描与频率扫描解耦合，然后依次完整地扫描主从卫星的空间不确定区域，通过寻找存储的功率信号最大值来校准光束的指向角。当指向角校准完成后，再利用干涉信号的幅值来进行频率校准。这些指向角对准技术由于需要完整的扫描不确定区域，因此对准时间较长，且无法自动完成，需要上行和下行的数据传递。还有一种方法是在空间扫描与频率扫描解耦合的基础上，通过测得的功率信号提取角度信号，然后旋转本地光与接收光合束处的镜片，调节接收光直至光斑位于四象限探测器(quadrant photodiode，QPD)中心，此时出射光与接收光平行，以完成指向角的校准。该方法的缺点是本地光和接收光同时在QPD上成像，测量噪声较大，且调节接收光时会转动干涉测量主链路上的镜片，影响后续的相位测量精度。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的双向星间激光干涉链路建立效率低、精度低的缺陷，提供一种基于QPD无损相位测量的双向星间激光干涉链路建立方法，以及一种基于QPD无损相位测量的双向星间激光干涉链路建立系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于QPD的无损相位测量双向星间激光干涉链路建立方法，包括以下步骤：

(1)对主从卫星上搭载的主激光器和从激光器出射的激光功率进行调制，并进行空间扫描；当任意一颗卫星搭载的QPD接收到另一颗卫星发射的光束功率超过设定的第一判断阈值，停止空间扫描，测量接收光光束角度信息并反馈控制快速偏转镜转动，将出射光光轴调节至与接收光光轴平行，将主从卫星的空间指向角锁定至两星视轴；

(2)对从卫星上搭载的从激光器出射的激光进行频率扫描；卫星上搭载的QPD测量两束光的干涉信号的幅值，当超过设定的第二判断阈值，停止频率扫描及功率调制，测量两束光的相对夹角并反馈控制快速偏转镜转动，控制出射光光轴跟随接收光光轴变化，配合相位计进行相位测量并锁定指向角；