[发明专利]一种激光对靶标作用冲量耦合效率测试系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，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。

背景技术

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靶标或内部结构复杂的靶标，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(10^-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(10^-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。

发明内容

本发明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。