CN111947580B - 多拼接子镜多自由度位移监测系统 - Google Patents

Abstract

多拼接子镜多自由度位移监测系统属于激光应用技术领域，目的在于解决现有技术存在的问题。本发明包括：光源模块，光源模块将发射的具有频域差的双频激光分束获得m路，顺序使各路导通；p个光学测量模块，每个光学测量模块包括n个一维测量子模块以及多维反射镜组件，光源模块的n路激光分别通过光纤和n个一维测量子模块连接，每个一维测量子模块和多维反射镜组件配合将垂直反射的参考激光和目标激光输入至信息采集与处理模块；以及信息采集与处理模块，考激光和目标激光经信息采集与处理模块处理获得参考光学拍信号以及目标光学拍信号，相位分析系统根据参考光学拍信号以及目标光学拍信号的相位差的改变量计算获得目标的相对位移量。

Description

多拼接子镜多自由度位移监测系统

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，具体涉及一种基于光纤开关与波导激光外差干涉的多拼接子镜多自由度位移监测系统。

背景技术

空间大口径望远镜对于我国科技进步与社会发展具有重要的战略性意义。其不仅是研究宇宙演化、生命起源、暗物质与暗能量本质等重大前沿科学问题的关键设备，而且能够用于高分辨率对地遥感，在灾害监测、军事等方面发挥重要作用。

采用拼接式主镜结构已成为未来空间大口径望远镜发展的重要趋势。传统采用单块镜面的空间大口径望远镜在镜面加工、检测、支撑设计与轻量化，以及整个镜体的运输、发射等方面存在很大困难。拼接式镜面结构为解决这些问题提供有效途径，并已被詹姆斯·韦伯空间望远镜(JWST)等项目所采用。

然而，采用拼接式主镜结构急剧提高了系统像质对于环境扰动的敏感度，如外热流变化、平台振动等，给系统在轨像质保持带来严峻挑战。有文献指出，若要达到衍射极限分辨率，需要子镜之间共相位误差至少小于1/40个波长。所以，在对拼接式望远镜完成系统调校之后，有必要对子镜各自由度位移进行纳米级高精度连续监测，并相应调整，以持续保证主镜各子镜之间的相对位置精度。

激光外差干涉位移测量方法已经广泛应用于高精度位移测量或检测领域，并且已实现商业化应用。其利用存在频率外差(一般为几百K赫兹)的两束激光干涉所形成的光学拍信号，将对高频率光波(1e+14量级)相位的测量转化为对较低频率光学拍信号相位的测量，利用锁相放大等手段，可准确得到由于目标位移变化引起的拍频信号相位变化量，进而实现目标位移的纳米乃至亚纳米精度测量。

然而，当前激光外差干涉仪在应用于拼接式望远镜多子镜多位移自由度监测时，存在诸多问题。一方面，当前每额外增加一个位移监测目标，激光外差干涉仪便需要增加一套光电探测器以及相应的信号采集与处理电路，而拼接式空间望远镜子镜数量多，一般为十几片，且每个每一片子镜需要监测的位移自由度数量多，一般为3～6个，传统测量模式将需要数量庞大的光电探测器以及极度冗余与复杂的信号处理电路。另一方面，激光外差干涉仪在应用于多子镜多自由度监测时，需要结合拼接式望远镜主镜各子镜的结构、形状与布局形式，对光学测量模块的结构及安装位置进行合理设计。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多拼接子镜多自由度位移监测系统，解决现有技术存在的需要数量庞大的光电探测器、冗余复杂的信号处理电路以及需要结合拼接式望远镜主镜各子镜的结构、形状与布局形式，对光学测量模块的结构及安装位置进行设计等问题。

为实现上述目的，本发明的多拼接子镜多自由度位移监测系统包括：

光源模块，所述光源模块将发射的具有频域差的双频激光分束获得m路，顺序使各路导通；

p个光学测量模块，每个所述光学测量模块包括n个一维测量子模块以及多维反射镜组件，光源模块的n路激光分别通过光纤和n个一维测量子模块连接，每个一维测量子模块和所述多维反射镜组件配合将垂直反射的参考激光和目标激光输入至信息采集与处理模块，其中m＝p×n；

以及信息采集与处理模块，所述信息采集与处理模块包括两组光信号接收模块以及一个相位分析系统，每个一维测量子模块的参考激光和目标激光分别和两组光信号接收模块连接并传输至相位分析系统，获得一个维度的参考光学拍信号以及目标光学拍信号，所述相位分析系统根据参考光学拍信号以及目标光学拍信号的相位差的改变量计算获得目标的相对位移量。

所述光源模块包括双频激光器、第一四分之一波片、第一光纤耦合聚焦镜以及第一光纤开关；

所述双频激光器发出旋转方向不同存在频率差的两束圆偏振光；两束圆偏振光经第一四分之一波片变为偏振方向垂直且存在频率差、传输光路重合的两束激光；后经第一光纤耦合聚焦镜聚焦，最后通过光纤传输至第一光纤开关，通过第一光纤开关将单路光纤进行分束，分成m路光纤，m路光纤分别和p个光学测量模块中的p×n个一维测量子模块连接。

所述双频激光器为纵向塞曼效应双频He-Ne激光器。

每个所述一维测量子模块包括第一准直镜、分光棱镜、第二光纤耦合聚焦镜、偏振分光棱镜、第二四分之一波片、第三光纤耦合聚焦镜、第三四分之一波片以及参考平面镜；

从第一光纤开关中引出的一条光纤进入一个一维测量子模块中，激光从光纤中射出经过第一准直镜后，变为平行光并进入分光棱镜，经过分光棱镜反射的一束光经过第二光纤耦合聚焦镜得到参考激光，后通过光纤传输进入信号采集与处理模块中的一组光信号接收模块中；经过分光棱镜透射的一束光进入偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射的一束光经过第二四分之一波片后入射到多维反射镜组件的一个反射面上，反射后再经第二四分之一波片以及偏振分光棱镜透射至第三光纤耦合聚焦镜，经偏振分光棱镜透射的一束光经过第三四分之一波片后入射到参考平面镜上，反射后再经第三四分之一波片以及偏振分光棱镜反射至第三光纤耦合聚焦镜；第三光纤耦合聚焦镜对两束光进行耦合得到目标激光，进入光纤中传播至信息采集与处理模块中的另一组光信号接收模块中。

光学测量模块中的n个一维测量子模块设置在第一子镜上，光学测量模块中的多维反射镜组件设置在第二子镜上。

每组所述光信号接收模块包括第二光纤开关、第二准直镜、检偏器、透镜以及光电探测器；

通过光纤传输至第二光纤开关的激光通过第二准直镜变为平行光，再经过检偏器形成光学拍信号，光学拍信号经过透镜后被光电探测器接收并进入相位分析系统；

一组光信号接收模块接收的是参考激光，经过检偏器形成参考光学拍信号；另一组光信号接收模块接收的是目标激光，经过检偏器形成目标光学拍信号；参考光学拍信号和目标光学拍信号经过最后的相位分析系统计算得到由于目标位移引起的两路光学拍信号相位差的改变量，最后利用如下公式(一)计算目标相对位移量：

其中：δx表示目标相对位移量；

δφ代表两路信号之间相位差的变化；

λ代表激光的波长。

所述光源模块中的第一光纤开关和所述信息采集与处理模块中的第二光纤开关配合。

本发明的有益效果为：本发明的多拼接子镜多自由度位移监测系统相对于传统激光外差干涉位移测量系统，有如下两个突出特点：

1.通过采用波导光纤以及光纤开关，实现了仅利用一套光源系统、一套信号采集及处理系统，以高频率轮流测量的形式完成多子镜多自由度位移监测；

2.设计了一种集成形式的多自由度位移监测光学模块，结构紧凑，可实现对各个拼接子镜进行多自由度位移监测。

附图说明

图1为本发明的多拼接子镜多自由度位移监测系统结构示意图；

其中：1、光源模块，101、双频激光器，102、第一四分之一波片，103、第一光纤耦合聚焦镜，104、第一光纤开关，2、光学测量模块，201、一维测量子模块，202、多维反射镜组件，203、第一准直镜，204、分光棱镜，205、第二光纤耦合聚焦镜，206、偏振分光棱镜，207、第二四分之一波片，208、第三光纤耦合聚焦镜，209、第三四分之一波片，210、参考平面镜，3、信息采集与处理模块，301、相位分析系统，302、第二光纤开关，303、第二准直镜，304、检偏器，305、透镜，306、光电探测器，4、第一子镜，5、第二子镜，6、光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的多拼接子镜多自由度位移监测系统包括：

光源模块1，所述光源模块1将发射的具有频域差的双频激光分束获得m路，顺序使各路导通；

p个光学测量模块2，每个所述光学测量模块2包括n个一维测量子模块201以及多维反射镜组件202，光源模块1的n路激光分别通过光纤6和n个一维测量子模块201连接，每个一维测量子模块201和所述多维反射镜组件202配合将垂直反射的参考激光和目标激光输入至信息采集与处理模块3，其中m＝p×n；

以及信息采集与处理模块3，所述信息采集与处理模块3包括两组光信号接收模块以及一个相位分析系统301，每个一维测量子模块201的参考激光和目标激光分别和两组光信号接收模块连接并传输至相位分析系统301，获得一个维度的参考光学拍信号以及目标光学拍信号，所述相位分析系统301根据参考光学拍信号以及目标光学拍信号的相位差的改变量计算获得目标的相对位移量。

所述光源模块1包括双频激光器101、第一四分之一波片102、第一光纤耦合聚焦镜103以及第一光纤开关104；

所述双频激光器101发出旋转方向不同存在频率差的两束圆偏振光；两束圆偏振光经第一四分之一波片102变为偏振方向垂直且存在频率差、传输光路重合的两束激光；后经第一光纤耦合聚焦镜103聚焦，最后通过光纤6传输至第一光纤开关104，通过第一光纤开关104将单路光纤6进行分束，分成m路光纤6，m路光纤6分别和p个光学测量模块2中的p×n个一维测量子模块201连接。

所述双频激光器101为纵向塞曼效应双频He-Ne激光器。

光源模块1的核心为存在一定频率差的双频激光器101，产生频率差的方式可选择塞曼效应或者声光调制等，本实施例选择的是纵向塞曼效应激光器。纵向塞曼效应激光器产生旋转方向不同、存在频率差的两束圆偏振光，在经过第一四分之一波片102之后，变为偏振方向垂直且存在频率差的两束激光，传输光路重合。激光经过第一光纤耦合汇聚镜，耦合进光纤6传播。本申请利用第一光纤开关104将单路光纤6进行分束，分成多路光纤6，具体根据需要检测的子镜数量以及每个子镜需要监测自由度的数量确定，可通过对光纤开关进行控制，按一定的频率轮流使激光经过各路光纤，以轮流采集含有不同目标位移信息的光学拍信号，最终实现仅利用一套信号处理系统实现多目标多自由度位移监测的目的。本实施例将单路光纤6分束为两路光纤6。

每个所述一维测量子模块201包括第一准直镜203、分光棱镜204、第二光纤耦合聚焦镜205、偏振分光棱镜206、第二四分之一波片207、第三光纤耦合聚焦镜208、第三四分之一波片209以及参考平面镜210；

从第一光纤开关104中引出的一条光纤6进入一个一维测量子模块201中，激光从光纤6中射出经过第一准直镜203后，变为平行光并进入分光棱镜204，经过分光棱镜204反射的一束光经过第二光纤耦合聚焦镜205得到参考激光，后通过光纤6传输进入信号采集与处理模块中的一组光信号接收模块中；经过分光棱镜204透射的一束光进入偏振分光棱镜206，经偏振分光棱镜206反射的一束光经过第二四分之一波片207后入射到多维反射镜组件202的一个反射面上，反射后再经第二四分之一波片207以及偏振分光棱镜206透射至第三光纤耦合聚焦镜208，经偏振分光棱镜206透射的一束光经过第三四分之一波片209后入射到参考平面镜210上，反射后再经第三四分之一波片209以及偏振分光棱镜206反射至第三光纤耦合聚焦镜208；第三光纤耦合聚焦镜208对两束光进行耦合得到目标激光，进入光纤6中传播至信息采集与处理模块3中的另一组光信号接收模块中。

光学测量模块2中的n个一维测量子模块201设置在第一子镜4上，光学测量模块2中的多维反射镜组件202设置在第二子镜5上。两个子镜相对位移量测量过程中，一个子镜作为第一子镜4，另一个子镜作为第二子镜5。

本实施例中的一维测量子模块201包括两个，对子镜的两个自由度进行测量，二自由度集成化的光学测量模块2，能够同时对目标的二自由度位移进行监测。从第一光纤开关104中引出的某一条光纤6进入光学测量模块2的一维测量子模块201中，激光从光纤6中射出经过第一准直镜203后，变为平行光。在经过分光棱镜204之后，一束光经反射进入信号采集与处理系统，后续处理之后，变为参考光学拍信号。透射光经过偏振分光棱镜206，反射光和透射光分别利用第二四份之一波片和第三四份之一波片转换两次经过相应波片激光的振动方向，控制存在频率差且振动方向垂直的两路光经过偏振分光棱镜206之后，分别只经过参考平面镜210与多维反射镜组件202。最后该振动方向垂直的两路光镜过光纤耦合聚焦透明，进入光纤6中传播，经过后续处理之后，成为目标光学拍信号。通过控制一维光学测量子模块中参考平面镜210的位置，可让两个一维测量子模块201分别监测目标在水平方向以及垂直方向的位移变化。另外，按照该种方式可继续增加一维测量子模块201，测量目标在垂直纸面方向的位移变化。

每组所述光信号接收模块包括第二光纤开关302、第二准直镜303、检偏器304、透镜305以及光电探测器306；

通过光纤6传输至第二光纤开关302的激光通过第二准直镜303变为平行光，再经过检偏器304形成光学拍信号，光学拍信号经过透镜305后被光电探测器306接收并进入相位分析系统301；

一组光信号接收模块接收的是参考激光，经过检偏器304形成参考光学拍信号；另一组光信号接收模块接收的是目标激光，经过检偏器304形成目标光学拍信号；参考光学拍信号和目标光学拍信号经过最后的相位分析系统301计算得到由于目标位移引起的两路光学拍信号相位差的改变量，最后利用如下公式(一)计算目标相对位移量：

其中：δx表示目标相对位移量；

δφ代表两路信号之间相位差的变化；

λ代表激光的波长。

所述光源模块1中的第一光纤开关104和所述信息采集与处理模块3中的第二光纤开关302配合。

信号采集与处理模块利用第二光纤开关302连接从诸多光学测量模块2引出的含有参考信号以及目标信号的激光外差信号。第二光纤开关302需要与光源模块1的第一光纤开关104进行配合，当光源模块1利用第一光纤开关104将某一路光学测量模块2引入激光时，信号采集与处理模块同样需要利用第二光纤开关302，将与该光学模块对应的参考信号与目标信号引入信号采集与处理系统，换言之，光源模块1中第一光纤开关104打开某一路之后，信号处理模块相应的需要打开与该路光学测量模块2对应的第二光纤开关302。激光经过第二准直镜303之后变为平行光。再经过检偏器304之后，两束偏振方向垂直的激光便可以进行干涉，形成光学拍信号，两路光学拍信号分别被光电探测器306接收。在经过最后的相位检测与计算之后，便可以得到由于目标位移引起的两路光学拍信号相位差的改变量，进而可利用相关公式计算目标位移量。

本测量系统中可以包含诸多光学测量模块2，以实现同时对多个子镜的多个位移自由度进行监测。需要注意的是，本系统并非采用连续监测的模式，而是轮流监测的形式降低系统复杂度，仅利用一套信号采集与处理模块即可完成多个子镜多个位移自由度的监测。这需要每个光学测量模块2所监测的目标在两次间隔时间内位移改变量小于半个波长。所以，本测量系统适合对位移变化较为缓慢的目标进行位移监测。

本系统中的二自由度集成测量模块在子镜背部的安装形式。该二自由度集成化的光学测量模块2可以较容易地推广至三自由度位移监测。当多个该种集成化的光学测量模块2安装在不同的子镜上以及不同的子镜位置时，通过对它们的测量结果进行分析，即可得到多个子镜多个自由度的位移变化结果。

参考信号的光纤6与目标信号的光纤6分别携带两束振动方向垂直、存在频率差的两束激光，分别将信号传输到两个光纤开关位置。该光纤开关与光源模块1的光纤开关受相同的频率控制，且导通的光路与光源模块1导通的光路相对应。该光纤开关设置机制保证每一个时刻只有一路激光发出，并分别得到一路参考信号与目标信号进入信号采集系统。

经过第二光纤开关302之后，携带两束重合、偏振方向垂直且存在频率差的参考信号与目标信号首先经过检偏器304，检偏器304透射线偏方向与两垂直振动的方向成45°，然后发生干涉，形成两路拍频信号，分别被光电探测器306接收。经后续相位分析系统301之后，可得到参考拍频信号与目标拍频信号之间的相位差，并记录。

利用第一光纤开关104和第二光纤开关302轮流导通各路光学模块，让信号采集与处理系统依次得到与所有光学测量模块2对应的参考拍频信号与目标拍频信号的相位差，并记录。

每一次光纤开关的轮流导通，信号采集与处理模块将得到一组与所有光学测量模块2对应的参考拍频信号与目标拍频信号的相位差，依次将每一路对应的相位差与初始第一次测量的相位差进行做差，得到每一路光学测量模块2所对应参考拍频信号与目标拍频信号的相位差的改变量，并相应计算目标的位移量。

本发明的结构与装置还可具有多种变换，并不仅限于上述实施方式，如双频激光可以采用其他的方式产生，比如横向赛曼效应激光器以及采用声光调制的双频激光器101等；本系统的两自由度集成化光学测量模块2可以继续增加一个自由度，变为三自由度集成化光学测量模块2。

Claims (6)

1.多拼接子镜多自由度位移监测系统，其特征在于，包括：

光源模块(1)，所述光源模块(1)将发射的具有频域差的双频激光分束获得m路，顺序使各路导通；

p个光学测量模块(2)，每个所述光学测量模块(2)包括n个一维测量子模块(201)以及多维反射镜组件(202)，光源模块(1)的n路激光分别通过光纤(6)和n个一维测量子模块(201)连接，每个一维测量子模块(201)和所述多维反射镜组件(202)配合将垂直反射的参考激光和目标激光输入至信息采集与处理模块(3)，其中m＝p×n；

以及信息采集与处理模块(3)，所述信息采集与处理模块(3)包括两组光信号接收模块以及一个相位分析系统(301)，每个一维测量子模块(201)的参考激光和目标激光分别和两组光信号接收模块连接并传输至相位分析系统(301)，获得一个维度的参考光学拍信号以及目标光学拍信号，所述相位分析系统(301)根据参考光学拍信号以及目标光学拍信号的相位差的改变量计算获得目标的相对位移量；

所述光源模块(1)包括双频激光器(101)、第一四分之一波片(102)、第一光纤耦合聚焦镜(103)以及第一光纤开关(104)；

所述双频激光器(101)发出旋转方向不同存在频率差的两束圆偏振光；两束圆偏振光经第一四分之一波片(102)变为偏振方向垂直且存在频率差、传输光路重合的两束激光；后经第一光纤耦合聚焦镜(103)聚焦，最后通过光纤(6)传输至第一光纤开关(104)，通过第一光纤开关(104)将单路光纤(6)进行分束，分成m路光纤(6)，m路光纤(6)分别和p个光学测量模块(2)中的p×n个一维测量子模块(201)连接。

2.根据权利要求1所述的多拼接子镜多自由度位移监测系统，其特征在于，所述双频激光器(101)为纵向塞曼效应双频He-Ne激光器。

3.根据权利要求1或2所述的多拼接子镜多自由度位移监测系统，其特征在于，每个所述一维测量子模块(201)包括第一准直镜(203)、分光棱镜(204)、第二光纤耦合聚焦镜(205)、偏振分光棱镜(206)、第二四分之一波片(207)、第三光纤耦合聚焦镜(208)、第三四分之一波片(209)以及参考平面镜(210)；

从第一光纤开关(104)中引出的一条光纤(6)进入一个一维测量子模块(201)中，激光从光纤(6)中射出经过第一准直镜(203)后，变为平行光并进入分光棱镜(204)，经过分光棱镜(204)反射的一束光经过第二光纤耦合聚焦镜(205)得到参考激光，后通过光纤(6)传输进入信号采集与处理模块中的一组光信号接收模块中；经过分光棱镜(204)透射的一束光进入偏振分光棱镜(206)，经偏振分光棱镜(206)反射的一束光经过第二四分之一波片(207)后入射到多维反射镜组件(202)的一个反射面上，反射后再经第二四分之一波片(207)以及偏振分光棱镜(206)透射至第三光纤耦合聚焦镜(208)，经偏振分光棱镜(206)透射的一束光经过第三四分之一波片(209)后入射到参考平面镜(210)上，反射后再经第三四分之一波片(209)以及偏振分光棱镜(206)反射至第三光纤耦合聚焦镜(208)；第三光纤耦合聚焦镜(208)对两束光进行耦合得到目标激光，进入光纤(6)中传播至信息采集与处理模块(3)中的另一组光信号接收模块中。

4.根据权利要求3所述的多拼接子镜多自由度位移监测系统，其特征在于，光学测量模块(2)中的n个一维测量子模块(201)设置在第一子镜(4)上，光学测量模块(2)中的多维反射镜组件(202)设置在第二子镜(5)上。

5.根据权利要求3所述的多拼接子镜多自由度位移监测系统，其特征在于，每组所述光信号接收模块包括第二光纤开关(302)、第二准直镜(303)、检偏器(304)、透镜(305)以及光电探测器(306)；

通过光纤(6)传输至第二光纤开关(302)的激光通过第二准直镜(303)变为平行光，再经过检偏器(304)形成光学拍信号，光学拍信号经过透镜(305)后被光电探测器(306)接收并进入相位分析系统(301)；

一组光信号接收模块接收的是参考激光，经过检偏器(304)形成参考光学拍信号；另一组光信号接收模块接收的是目标激光，经过检偏器(304)形成目标光学拍信号；参考光学拍信号和目标光学拍信号经过最后的相位分析系统(301)计算得到由于目标位移引起的两路光学拍信号相位差的改变量，最后利用如下公式(一)计算目标相对位移量：

其中：δx表示目标相对位移量；

δφ代表两路信号之间相位差的变化；

λ代表激光的波长。

6.根据权利要求5所述的多拼接子镜多自由度位移监测系统，其特征在于，所述光源模块(1)中的第一光纤开关(104)和所述信息采集与处理模块(3)中的第二光纤开关(302)配合。

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