一种激光对靶标作用冲量耦合效率测试系统技术方案

本发明专利技术提出一种激光对靶标作用冲量耦合效率测试系统，由用于放置靶标的复摆装置、用于探测复摆最大摆角的可移动标尺装置、探测光源、示波器、激光能量调节单元、能量计组成；复摆装置由复摆和复摆支架组成；可移动标尺装置由GHz光电传感器、一维平移台和水平滑轨组成；利用光电传感单元捕捉被测靶标在激光辐照下获得冲量而推动复摆达到的最大摆角，进而利用能量守恒定律得到复摆在激光辐照下获得的初始冲量，并通过冲量耦合效率的无量纲化处理，得到激光单脉冲能量改变时对靶标的冲量耦合系数变化曲线。本发明专利技术可以适应靶标无摩擦悬浮状态下激光对靶标作用冲量耦合效率测试，并实现GHz动态响应的、大量程范围、大摆角、高灵敏度的精确测量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，特别是激光对靶标作用冲量耦合效率测试系统， 可用于激光对太空碎片作用冲量耦合效率测量的光学测试，用于激光太空碎片清理技术研 究。
技术介绍
现有技术对于激光作用下靶标获得的冲量耦合效率测量，大多采用复摆装置悬挂 靶标，通过高速摄影技术或者光束偏转法测量获得靶标在激光作用下获得的初始速度或角 速度，再对整个复摆装置进行所有质量元的速度积分，得到系统初始动量或角动量。另一种 方法是测量复摆装置在激光作用后所能到达的最大偏转角，进而通过能量守恒原理换算得 到系统初始动量。但是，复摆装置质量分布难以精确测定，特别是对于特殊外形革G标或内部 结构复杂的革G标，其质量分布很难精确测定，对于系统质心以及质量元分布的确定容易引 入较大误差。针对太空碎片在激光作用下获得的冲量耦合系数测量的应用，就面临碎片靶 标内部结构复杂，难以精确测定其质量分布的问题。另外，高速摄影技术由于有限帧率会造 成最大摆角测量误差，成为另一个测量误差来源。 也有学者通过瞬态力学传感器，对激光作用下靶标获得的反冲压力进行直接测 量。但是，此种方法的测量精度、测量时间分辨率和量程直接取决于压力传感器的灵敏度、 动态响应范围和量程。压电元器件的工作原理决定了其必然通过损失灵敏度和动态响应范 围换取更大的量程。针对太空碎片在激光作用下获得的冲量耦合系数测量的应用，需要得 到使得耦合系数最大化的作用激光参数，也就是说需要压力传感器需要具有达到千兆帕量 级的测量范围。另一方面，用于太空碎片清理的激光作用源为纳秒（KT-9S)脉宽，其在碎 片目标表面作用产生的反冲压力作用时间在微秒（1〇~-6s)量级。这就要求压力传感器至 少具有MHz的动态响应范围。通常的压电陶瓷堆叠或压电薄膜制作的压力传感器无法同时 满足大量程和高响应频率的要求。 还有报道采用导轨法，例如采用水平双线支撑方法以减少导轨与靶标间摩擦力， 使得所测得的靶标在微小起始距离内的初始平均速度更接近其在激光作用下获得的启动 初速度；或采用气垫导轨，通过将靶标与导轨间气膜产生的摩擦力近似为恒定，将靶标在序 列时刻产生的位移数据对均减速直线运动公式进行拟合，得到靶标在激光作用下获得的初 始速度。但是采用导轨法的弊端是显而易见的，尤其针对太空碎片在激光作用下获得的冲 量耦合系数测量的应用，因为太空碎片靶标在激光作用时处于无摩擦悬浮状态，任何激光 作用产生的微小反冲压力都会实现对靶标的有效动量传递。因而导轨与靶标间的摩擦力对 于冲量耦合系数测量造成的误差将不容忽视。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种激光对太空碎片作用冲量耦合效率测试系统，通过极大 地减小摩擦力以适应靶标无摩擦悬浮状态下激光对靶标作用冲量耦合效率的测试。 为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种激光对靶标作用冲量耦合效率测试系 统，包括用于放置靶标的复摆装置，用于探测复摆最大摆角的可移动标尺装置，探测光源， 示波器，触发光电传感器，作用激光器，由半波片和偏振片组成的作用激光能量调节单元， 能量计以及扩束聚焦透镜组；复摆装置包括复摆和复摆支架；复摆由两根复摆杆架、支撑 杆架、安装在支撑杆架上的反射镜、靶标固定支架组成；两根复摆杆架、支撑杆架、靶标固定 支架组成矩形框架；支撑杆架为金属片，其下边缘为锋利边缘，金属片垂直安装在两根复摆 杆架的上端，靶标固定支架安装在两根复摆杆架的下端；两根复摆杆架为高刚性长条状薄 片状，其厚度方向与复摆摆动方向垂直；复摆支架为两片具有锋利边缘的金属片，复摆通过 支撑杆架放置在复摆支架上，支撑杆架的锋利边缘与复摆支架的锋利边缘相接触；可移动 标尺装置由千兆赫兹光电传感器、一维平移台、水平滑轨以及可沿水平滑轨滑动的标尺组 成；千兆赫兹光电传感器固定于一维平移台上，一维平移台安装在标尺上，并可以沿标尺在 垂直方向滑动；千兆赫兹光电传感器以及一维平移台在滑轨与示波器连接，示波器与触发 光电传感器连接。 进一步，探测光源发出的探测光经由复摆装置上的反射镜反射后，垂直入射到可 移动标尺装置中的千兆赫兹光电传感器的感光面上；半波片、偏振片以及扩束聚焦透镜组 的光轴重合，并使作用激光在靶标上的光斑中心与靶标中心重合。 进一步，探测复摆的小偏转角时，调节一维平移台在水平滑轨上的位置，使千兆赫 兹光电传感器远离复摆；探测复摆较大偏转角时，调节一维平移台在水平滑轨上的位置，使 千兆赫兹光电传感器靠近复摆，将复摆最大摆角对应的光电传感器起始位置与终止位置之 间的位移差缩小到一维平移台移动范围以内。 进一步，通过先验实验测定复摆摆角与千兆赫兹光电传感器起始位置和终止位置 之间位移差的对应关系标定数据集，通过对该对应关系标定数据集插值实现任意最大摆角 的测量。 进一步，获得对应关系标定数据集的方法为，使用螺旋测微计对准位于靶标固定 支架上的靶标中心，并使激光在靶标上的辐照中心与螺旋测微计的对准位置重合，将此 时的螺旋测微计读数作为靶标起始位置；通过螺旋测微计使靶标移动微小位移s，并记录 千兆赫兹光电传感器的终止位置，从而获得位移s与千兆赫兹光电传感器终止位置之间对 应关系标定数据集；然后通过位移s与千兆赫兹光电传感器终止位置对应关系标定数据集 和公式s = 1 · sin( Θ )获得复摆摆角Θ与光电传感器终止位置对应关系标定数据集。 进一步，根据如下公式获得当第i次激光单脉冲能量为，相对第1次激光单 脉冲能量为Ei时的最大冲量耦合系数C yQ， 其中，Θ i是激光单脉冲能量为E i时复摆的最大摆角，Θ i是激光单脉冲能量为E i 时复摆的最大摆角，（^是1次激光单脉冲能量为E i时的冲量耦合系数，C 1是i次激光单脉 冲能量为Ei时的冲量耦合系数。 本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于，（1)在复摆与复摆支架之间通过锋利 金属边缘的接触和支撑方式实现近乎0摩擦阻力状态，以便更真实地模拟靶标在无摩擦悬 浮状态下激光对靶标作用冲量耦合效率测试；（2)通过千兆赫兹光电传感器，实现千兆赫 兹高动态响应范围；（3)通过可移动标尺装置增大和缩小光电传感器与复摆装置之间的距 离，可分别实现高灵敏度和大量程；(4)测定复摆摆角与光电传感器起始位置与终止位置 之间位移差对应关系标定数据集，从而可以通过对该对应关系标定数据集插值实现任意最 大摆角的精确测量；（5)通过无量纲化冲量耦合效率消除因复摆质量分布难确定而可能引 入的误差。【附图说明】 图1是本专利技术激光对太空碎片作用冲量耦合效率测试系统示意图。 图2是本专利技术中复摆装置示意图。 图3是本专利技术中可移动标尺装置示意图。 图4是复摆装置达到摆角Θ时示意图。 图5是复摆上靶标中心位置沿X轴正方向位移s与使得探测光可以入射至光电传 感器感光面中心时光电传感器终止位置的对应关系标定数据集。 图6是冲量耦合效率随作用激光能量密度变化关系示意图。【具体实施方式】 容易理解，依据本专利技术的技术方案，在不变更本专利技术的实质精神的情况下，本领域 的一般技术人员可以想象出本专利技术激光对靶标作用冲量当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光对靶标作用冲量耦合效率测试系统，其特征在于，包括用于放置靶标的复摆装置(A)，用于探测复摆最大摆角的可移动标尺装置(B)，探测光源(17)，示波器(10)，触发光电传感器(11)，作用激光器(12)，由半波片(13)和偏振片(14)组成的作用激光能量调节单元，能量计(15)以及扩束聚焦透镜组(16)；复摆装置(A)包括复摆和复摆支架(4)；复摆由两根复摆杆架(1)、支撑杆架(5)、安装在支撑杆架(5)上的反射镜(2)、靶标固定支架(3)组成；两根复摆杆架(1)、支撑杆架(5)、靶标固定支架(3)组成矩形框架；支撑杆架(5)为金属片，其下边缘为锋利边缘，金属片垂直安装在两根复摆杆架(1)的上端，靶标固定支架(3)安装在两根复摆杆架(1)的下端；两根复摆杆架(1)为高刚性长条状薄片状，其厚度方向与复摆摆动方向垂直；复摆支架(4)为两片具有锋利边缘的金属片，复摆通过支撑杆架(5)放置在复摆支架(4)上，支撑杆架(5)的锋利边缘与复摆支架(4)的锋利边缘相接触；可移动标尺装置(B)由千兆赫兹光电传感器(6)、一维平移台(7)、水平滑轨(8)以及可沿水平滑轨(8)滑动的标尺(9)组成；千兆赫兹光电传感器(6)固定于一维平移台(7)上，一维平移台(7)安装在标尺(9)上，并可以沿标尺(9)在垂直方向滑动；千兆赫兹光电传感器(6)以及一维平移台(7)在滑轨(8上的滑动方向与光电传感器感光面法向平行；千兆赫兹光电传感器(6)与示波器(10)连接，示波器(10)与触发光电传感器(11)连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冰，赵雄涛，李力，朱华中，倪晓武，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32