一种基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置

技术领域

本申请涉及推力器测量技术领域，具体而言，涉及一种基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置。

背景技术

在深空探测宇航领域，航天器要进行长时间飞行，这就要求电推力器的在轨工作时间长达数万小时。电推力器工作时，在产生推力的同时，由于栅极对中性、磁场对束流的作用及中和器位置对束流的影响等因素，会产生沿推力方向的滚转力矩，长时间工作会造成卫星的非正常旋转；由于该力矩与推力方向相同，无法通过卫星的矢量调节机构来产生反向力矩抵消，所以只能通过化学推进或者动量轮产生的力矩进行抵消，这就需要对滚转力矩进行测量，并根据测量结果提出对化学推进系统推进剂携带量或者动量轮工作的要求。

电推力器产生的滚转力矩为百微牛米量级，采用直接测力的方式，需要电推力器在工作状态下(真空条件)悬浮，并且要排除推力器供电、供气管路的干扰，还有推力器工作状态下的热环境和等离子体环境影响，在以上约束条件下，目前的测力技术无法实现1微牛以下微小推力的准确测量。所以只能采用间接测量方式，传统的马赫探针测量方式，是侵入式测量方式，探针本体进入到测量区域后，就对被测对象产生较为严重的干扰，这种干扰在滚转力矩这种微小量测量时，会使测量结果产生较大偏差。

发明内容

本申请提供了一种基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置，能够在离子推力器工作状态下，采用非侵入式的方法，利用激光诱导荧光的原理，实现对电推力器滚转力矩的测量。

为了实现上述目的，本申请提供了一种基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置，包括设置在气浮平台内部的激光发射装置、荧光接收装置和控制系统，以及设置在真空舱内部的电推力器和调制镜组，其中：激光发射装置包括可调谐激光器、信号源、分束镜、激光波长监测装置以及激光入射装置，信号源与可调谐激光器连接，可调谐激光器发射的激光经过分束镜，一部分激光能量进入激光波长监测装置，另一部分激光能量进入激光入射装置；荧光接收装置包括依次连接的单色仪、光电倍增管以及锁相放大器；激光波长监测装置和锁相放大器均与控制系统连接；调制镜组包括三维移动机构、入射镜组以及接收镜组；入射镜组通过入射光纤与激光入射装置连接；接收镜组通过接收光纤与单色仪连接。

进一步的，可调谐激光器包括固态激光器和锥形控制器，用于产生亚皮米级激光。

进一步的，固态激光器的中心波长按照电推力器工质的一价离子激发策略中能级的跃迁规则选取。

进一步的，激光波长监测装置包括光纤耦合头和波长计，光纤耦合头用于接收分束镜反射的一部分激光能量，并传输给波长计，波长计用于进行激光波长的监测，并与控制系统连接。

进一步的，激光入射装置包括斩波器、第一反射镜、第二反射镜以及五维耦合器，其中：斩波器用于接收分束镜反射的另一部分激光能量，并且将激光能量通过第一反射镜和第二反射镜的两次反射进入五维耦合器中；五维耦合器与入射光纤连接，用于通过入射光纤将激光能量传输至真空舱内部的入射镜组中。

进一步的，入射镜组和接收镜组均设置在三维移动机构上，入射镜组和接收镜组在三维移动机构的带动下，测量区域能够覆盖电推力器产生的等离子区域的所有位置。

进一步的，激光能量通过入射镜组进入电推力器产生的等离子区域，产生荧光信号，接收镜组将荧光信号通过接收光纤传输至单色仪中。

进一步的，入射光纤与五维耦合器的耦合效率≥50％，激光能量通过入射镜组后功率损失≤10％。

进一步的，真空舱上设置有穿舱法兰，入射光纤和接收光纤均穿过穿舱法兰与调制镜组进行激光能量的入射与接收；入射光纤采用单模光纤，接收光纤采用多模光纤。

进一步的，通过接收镜组接收的荧光信号在粗调下空间分辨率为φ4mm×1mm，在精调下空间分辨率为φ1mm×1mm。

本发明提供的一种基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置，具有以下有益效果：

本申请采用稳定的亚皮米级固态激光源，并且整个三维移动机构、入射镜组、接收镜组均处于电推力器束流区域外，不会对电推力器工作特性造成影响；同时，激光能量入射到被测对象附近，也不会对被测对象造成干扰，实现了非侵入式测量，提升了测试的准确性，此外，通过控制系统实现了测量过程中，固态激光器、波长计、三维移动机构、单色仪、锁相放大器等关键组成的自动协同工作，避免了人员在测量过程中由于操作差异引起的测量误差，提升了测试的可靠性。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置的结构示意图；

图中：1-固态激光器、2-锥形控制器、3-信号源、4-波长计、5-分束镜、6-光纤耦合头、7-斩波器、8-第一反射镜、9-第二反射镜、10-五维耦合器、11-入射光纤、12-穿舱法兰、13-三维移动机构、14-电推力器、15-接收光纤、16-单色仪、17-光电倍增管、18-锁相放大器、19-控制系统、20-气浮平台、21-入射镜组、22-接收镜组、23-真空舱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

如图1所示，本申请提供了一种基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置，包括设置在气浮平台20内部的激光发射装置、荧光接收装置和控制系统19，以及设置在真空舱23内部的电推力器14和调制镜组，其中：激光发射装置包括可调谐激光器、信号源3、分束镜5、激光波长监测装置以及激光入射装置，信号源3与可调谐激光器连接，可调谐激光器发射的激光经过分束镜5，一部分激光能量进入激光波长监测装置，另一部分激光能量进入激光入射装置；荧光接收装置包括依次连接的单色仪16、光电倍增管17以及锁相放大器18；激光波长监测装置和锁相放大器18均与控制系统19连接；调制镜组包括三维移动机构13、入射镜组21以及接收镜组22；入射镜组21通过入射光纤11与激光入射装置连接；接收镜组22通过接收光纤15与单色仪16连接。

具体的，电推力器14工作时，在产生推力的同时，由于栅极对中性、磁场对束流的作用及中和器位置对束流的影响等因素，会产生沿推力方向的滚转力矩，长时间工作会造成卫星的非正常旋转，本申请实施例提供的基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置能够在电推力器14工作状态下，采用非侵入式的方法，利用激光诱导荧光的原理，实现了对电推力器14滚转力矩的测量。其中，激光发射装置、荧光接收装置和控制系统19均设置在气浮平台20的内部，保证入射激光的波长和方向处于稳定状态，电推力器14和调制镜组安装设置在真空舱23内部，为了模拟电推力器14的实际工作环境。测量过程中，激光发射装置用于发射激光能量，激光能量通过入射光纤11进入入射镜组21，入射镜组21使激光能量进入电推力器14产生的等离子区域，从而激发工质的一价离子，被激发的一价离子退激后产生的固定波长的荧光信号通过接收镜组22进入接收光纤15，然后通过接收光纤15进入荧光接收装置，依次通过单色仪16、光电倍增管17以及锁相放大器18，最后通过控制系统19进行采集，并对采集结果进行分析处理，得到电推力器14的滚动力矩测量结果。单色仪16主要用于分离所需固定波长的光信号，光电倍增管17将光信号转换为电流信号，锁相放大器18用于电流信号的分离和放大，控制系统19主要用于协同可调谐激光器，信号源3，激光波长监测装置，三维移动机构13，接收光纤15，单色仪16，光电倍增管17，锁相放大器18等装置的同步协同工作，实现自动采集，并根据采集的激光诱导荧光信号实现滚转力矩的实时计算。

进一步的，可调谐激光器包括固态激光器1和锥形控制器2，用于产生亚皮米级激光。固态激光器1产生种子光，锥形控制器2用于激光种子光的调制，两者组合可产生所需波长和功率的亚皮米级激光，波长适用于电推力器14产生等离子体中的一价离子的某一种激发态。

进一步的，固态激光器1的中心波长按照电推力器14工质的一价离子某一种激发策略中能级1到2的跃迁规则选取，其中，线宽优于500kHz，输出功率≥200mW，波长稳定度优于2pm/h。

进一步的，激光波长监测装置包括光纤耦合头6和波长计4，光纤耦合头6用于接收分束镜5反射的一部分激光能量，并传输给波长计4，波长计4用于进行激光波长的监测，并与控制系统19连接。测量过程中，一部分能量(10％)被分束镜5反射进入波长计4进行激光波长的监测，并根据波长计4显示的激光波长，通过锥形控制器2将激光波长微调至测量所需的中心波长。

进一步的，激光入射装置包括斩波器7、第一反射镜8、第二反射镜9以及五维耦合器10，其中：斩波器7用于接收分束镜5反射的另一部分激光能量，并且将激光能量通过第一反射镜8和第二反射镜9的两次反射进入五维耦合器10中；五维耦合器10与入射光纤11连接，用于通过入射光纤11将激光能量传输至真空舱23内部的入射镜组21中。斩波器7主要用于将激光信号进行脉冲调制，第一反射镜8和第二反射镜9共同组成光路，使激光能量通过两次反射，稳定的到达五维耦合器10中，将斩波过程和入射过程分离设计，便于光路的调节，五维耦合器10主要为了将反射镜反射的空间激光耦合到入射光纤11中，采用五维设计，可以实现五个方向的调节，大大提高了耦合效率。

进一步的，入射镜组21和接收镜组22均设置在三维移动机构13上，入射镜组21和接收镜组22在三维移动机构13的带动下，测量区域能够覆盖电推力器14产生的等离子区域的所有位置。入射镜组21安装于三位移动机构的x轴上，接收镜组22安装在三维移机构的y轴上，整个三维移动机构13处于等离子区域外，并且与待测电推力器14保持固定的位置关系。此外，三维移动机构13的行程针对不同的产品需要覆盖所有被测区域，同时，必需的丝杠等运动部件采用真空润滑方式，其供电和控制线缆应采用耐高温导线，并有防等离子体溅射的装置。

进一步的，激光能量通过入射镜组21进入电推力器14产生的等离子区域，产生荧光信号，接收镜组22将荧光信号通过接收光纤15传输至单色仪16中。激光能量通过入射镜组21反射注入电推力器14产生的等离子区域，激发工质的一价离子，被激发的一价离子退激后产生的固定波长的荧光信号会直接进入接收镜组22中，再通过接收镜组22以光纤耦的方式传输至单色仪16。

进一步的，入射光纤11与五维耦合器10的耦合效率≥50％，激光能量通过入射镜组21后功率损失≤10％。

进一步的，真空舱23上设置有穿舱法兰12，入射光纤11和接收光纤15均穿过穿舱法兰12与调制镜组进行激光能量的入射与接收；入射光纤11采用单模光纤，接收光纤15采用多模光纤。光学通路进出真空舱23均采用整根光纤的形式，穿舱法兰12处不进行转接。

进一步的，通过接收镜组22接收的荧光信号在粗调下空间分辨率为φ4mm×1mm，在精调下空间分辨率为φ1mm×1mm。荧光信号采集的过程中，接收镜组22应确保测量具有高空间分辨率，空间分辨率指的是接收镜组22反射出激光光斑的直径，可以通过接收镜组22中的耦合器进行调整，粗调下空间分辨率达到φ4mm×1mm(沿激光入射方向×垂直激光方向)，精调下空间分辨率达到φ1mm×1mm(沿激光入射方向×垂直激光方向)。

具体的，采用本申请实施例提供的基于激光诱导荧光的电推力器滚动力矩测量装置进行测量时，固态激光器1，锥形控制器2组成可调谐激光器，用于产生亚皮米级激光，该激光经过分束镜5被分成两支，一部分能量(10％)被分束镜5反射进入波长计4进行激光波长的监测，其余能量通过频率1KHz斩波器7调制，路经由第一反射镜8和第二反射镜9组成的光路，通过五维耦合器10进入入射光纤11，入射光纤11将激光能量通过穿舱法兰12传输进入真空舱23，在真空舱23内部，调节三维移动机构13，通过入射镜组21将激光能量注入电推力器14产生的等离子区域，激发工质的一价离子，被激发的一价离子退激后产生固定波长的荧光信号通过接收镜组22以光纤耦的方式进入接收光纤15中，通过接收光纤15传输至单色仪16中，目标波长的能量被光栅分离并被光电倍增管17转化为电流信号，该信号分别与两路斩波器7频率输入锁相放大器18进行相敏检波，并由控制系统19实时进行采集，分离出亚皮米级精度的激光诱导荧光信号，再通过控制系统19的相关软件和算法实现数据的实时处理，最终获得滚动力矩测量结果。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。