CN112578391B

CN112578391B - 高精度星间测距系统的地面验证系统及方法

Info

Publication number: CN112578391B
Application number: CN202011212915.0A
Authority: CN
Inventors: 李桂存; 方亚毜; 孙俊; 宋婷
Original assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Current assignee: Shanghai Aerospace Control Technology Institute
Priority date: 2020-11-03
Filing date: 2020-11-03
Publication date: 2022-08-02
Anticipated expiration: 2040-11-03
Also published as: CN112578391A

Abstract

本发明提供一种高精度星间测距系统的地面验证系统及方法，水平位移台与待验证的高精度星间测距系统间隔一待验证距离放置，压电陶瓷制动器PZT固定在水平位移台上，角反射镜置于PZT上，PZT产生调制信号以对角反射镜的纵向位置进行位移调制，高精度星间测距系统发射激光束并接收经所述角反射镜反射后的激光束，处理器与高精度星间测距系统连接，对高精度星间测距系统接收的激光束进行采样以获取测距信号，并对测距信号进行频谱分析以对测距信号进行解调，根据解调结果确定高精度星间测距系统的测距精度。本发明可以克服现有技术中传统高精度星间测距系统的地面验证系统成本高、易受环境因素影响的缺点。

Description

高精度星间测距系统的地面验证系统及方法

技术领域

本发明涉及精密测量与计量技术领域，具体涉及一种高精度星间测距系统的地面验证系统及方法。

背景技术

高精度星间测距系统能够用于精密卫星编队飞行、组网导航和地球重力场模型恢复等空间任务。通常，在实际应用之前需要对测距系统进行远距离地面验证。传统远距离高精度地面验证系统大多数采用直接验证方式，具体思路如下：将双频激光干涉仪和高精度星间测距系统放置于直线导轨一端，角反射镜置于直线导轨另一端，高精度星间测距系统和双频激光干涉仪通过分色镜合束，并将角反射镜在长距离范围内移动分别获取测量数据，比对两者结果，从而验证高精度星测距系统的测距精度。然而，环境因素如温度、湿度、气压等容易引起空气折射率变化，从而影响测距精度。因此，传统地面验证系统通常在尺寸长度标准装置上开展实验。该装置通过在传播光路中分段设置空气传感器监控空气的温度、湿度以及压强，利用Edlen公式对空气折射率进行补偿，进而减少测距误差，满足高精度星间测距系统的地面验证需求。

可见，传统远距离高精度地面验证系统，主要由大尺寸长度标准装置、高精度激光干涉仪以及严苛的实验条件组成。目前中国计量院已具备80m导轨标准验证装置，测量范围80m，测量不确定度(0.2+0.3*L)μm，100m精度为32μm。虽然该系统用于验证长距离高精度星间测距系统的方法简单、直接，但是该方法对实验环境要求严苛、造价昂贵，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度星间测距系统的地面验证系统及方法，以克服现有技术中传统高精度星间测距系统的地面验证系统成本高、易受环境因素影响的缺点。

为达到上述目的，本发明提供一种高精度星间测距系统的地面验证系统，包括水平位移台、PZT、角反射镜和处理器；

所述水平位移台与待验证的高精度星间测距系统间隔一待验证距离放置，所述PZT固定在所述水平位移台上，所述角反射镜置于所述PZT上，所述PZT产生调制信号以对所述角反射镜的纵向位置进行位移调制；

所述高精度星间测距系统，用于发射激光束并接收经所述角反射镜反射后的激光束；

所述处理器与所述高精度星间测距系统连接，用于对所述高精度星间测距系统接收的激光束进行采样以获取测距信号，并对所述测距信号进行频谱分析以对所述测距信号进行解调，根据解调结果确定所述高精度星间测距系统的测距精度。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述处理器采用快速傅里叶变换算法对所述测距信号进行频谱分析。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述处理器对所述测距信号进行解调，若不能在频谱上解调出所述PZT对所述角反射器的调制信号，则调整所述PZT的调制振幅，直到能解调出所述PZT对所述角反射器的调制信号，则确定所述高精度星间测距系统的测距精度等于所述PZT当前的调制振幅的两倍。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，还包括控制器，所述控制器与所述PZT连接，用于通过电压驱动所述PZT产生所述调制信号。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述控制器与所述PZT之间连接有电容传感器，用于进行闭环反馈控制。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述调制信号的调制振幅为微纳米量级。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述调制信号的调制频率为10Hz。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述处理器的采样速率大于所述PZT对所述角反射镜的纵向位置进行周期性调制的调制频率的两倍。

进一步的，在上述高精度星间测距系统的地面验证系统中，所述采样速率为50Hz。

基于同一发明构思，本发明还提供一种高精度星间测距系统的地面验证方法，采用如上文所述的高精度星间测距系统的地面验证系统实现，包括：

高精度星间测距系统发射激光束至角反射镜，PZT产生调制信号以对所述角反射镜的纵向位置进行位移调制，所述角反射镜对所述激光束进行信号调制后反射回所述高精度星间测距系统；

处理器对所述高精度星间测距系统接收的激光束进行采样以获取待验证的测距信号，并对所述测距信号进行频谱分析以对所述测距信号进行解调，根据解调结果确定所述高精度星间测距系统的测距精度。

与现有技术相比，本发明提供的高精度星间测距系统的地面验证系统及方法具有以下有益效果：

采用高精度压电陶瓷(PZT)对远距离角反射器的纵向位置进行快速周期性调制，处理器对高精度星间测距系统接收的经调制后的激光束进行采样得到测距信号，对测距信号进行频谱分析，完成对受调制测距信号的解调，间接验证高精度星间测距系统的测距精度。本发明基于PZT精度高、响应速度快的特点，可在百米范围内对高精度星间测距系统实现微米甚至纳米量级精度的实时快速地面验证，而无需环境监控和补偿。进一步的，采用快速傅里叶变换FFT算法进行频谱分析，算法简单，可进一步提高运算速度。

采用本发明提供的高精度星间测距系统的地面验证系统进行地面验证的方法精度高，简单易行，成本低，实时性高，可满足高精度星间测距系统远距离地面验证技术需要，具有实用性，易于推广。本发明将在激光雷达、飞秒光梳测距、激光外差测量等精密领域中获得更广泛的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1是本发明一实施例提供的一种高精度星间测距系统的地面验证系统的结构图；

图2为PZT位置调制示意图；

图3为FFT频谱分析示意图；

图4是本发明一实施例提供的一种高精度星间测距系统的地面验证方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图1～4和具体实施方式对本发明提供的一种高精度星间测距系统的地面验证系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

如背景技术所述，传统高精度星间测距系统的地面验证方法大多采用直接验证，即将双频激光干涉仪和高精度测距系统放置气浮直线导轨一端，目标角反射镜置于导轨另一端，通过分色镜合束，分别获取测量结果，并以双频激光干涉仪高精度测量结果作为比对基准，可在百米范围内实现微米量级的验证精度。但是在长距离验证时还要考虑环境因素(温度，湿度，气压等)对测距的影响，利用大尺寸长度标准装置，通过在传播光路中分段设置空气传感器监控空气的温度、湿度以及压强，对空气折射率进行补偿，进而减少测距误差，满足高精度星间测距系统地面验证需求。因此该方法对环境控制要求严苛，造价昂贵，不利于高精度地面验证的实施。

基于此，本发明提供一种高精度星间测距系统的地面验证系统及方法，以克服现有技术中传统高精度星间测距系统的地面验证系统成本高、易受环境因素影响的缺点。

请参考图1，本发明一实施例提供的一种高精度星间测距系统的地面验证系统包括水平位移台20、PZT30、角反射镜40和处理器50；

所述水平位移台20与待验证的高精度星间测距系统10间隔一待验证距离放置，所述PZT30固定在所述水平位移台20上，所述角反射镜40置于所述PZT30上，所述PZT30产生调制信号以对所述角反射镜40的纵向位置进行位移调制；

所述高精度星间测距系统10，用于发射激光束并接收经所述角反射镜40反射后的激光束；

所述处理器50与所述高精度星间测距系统10连接，用于对所述高精度星间测距系统10接收的激光束进行采样以获取待验证的测距信号，并对所述测距信号进行频谱分析以对所述测距信号进行解调，根据解调结果确定所述高精度星间测距系统的测距精度。

优选的，所述处理器50采用快速傅里叶变换算法对所述测距信号进行频谱分析。所述处理器50对所述测距信号进行解调，若不能在频谱上解调出所述PZT30对所述角反射器40的调制信号，则调整所述PZT30的调制振幅，直到能解调出所述PZT30对所述角反射器40的调制信号，则确定所述高精度星间测距系统10的测距精度等于所述PZT30当前的调制振幅的两倍。

进一步的，本实施例的高精度星间测距系统的地面验证系统还包括控制器(未图示)，所述控制器与所述PZT30连接，用于通过电压驱动所述PZT30产生所述调制信号。优选的，所述控制器与所述PZT30之间连接有电容传感器(未图示)，用于进行闭环反馈控制。

本实施例中，待验证的所述高精度星间测距系统10采用激光作为光源，利用激光测距技术(例如相位测距、外差测距、干涉测距等技术)实现微米量级测距精度，以便于后续获取高精度测距信号。

本实施例采用高精度PZT30实现对角反射镜40的纵向位置实时调制。具体的，如图1所示，将待验证的所述高精度星间测距系统10置于一端，所述水平位移台20置于所述高精度星间测距系统10待验证距离范围的另一端，再将所述PZT30固定在水平位移台20上，所述角反射镜40置于所述PZT30上，这样可以方便地在待验证范围内的任一距离进行测距精度验证。角反射镜包含三个相互垂直的反射面，可以保证待验证的所述高精度星间测距系统10发射的激光束原路返回。在图1中所述PZT30的振动方向沿着所述高精度星间测距系统10发出的激光束的传播方向。

所述PZT30通过所述控制器电压驱动，通电后产生微小形变，并且通过所述电容传感器进行闭环反馈控制，可实现亚纳米分辨率精度的位移。位移调制与驱动电压信号成正比，可实现高精度正弦调制。因此，利用所述PZT30可对角反射镜40的纵向位置进行高精度周期性调制，调制振幅可达微纳米量级，调制频率可达几十赫兹。如图2所示，所述PZT30产生的调制信号的调制频率为10Hz，调制振幅可变，为微米量级。

所述PZT30的调制频率在几百微米行程下可达百赫兹量级，考虑到本发明中角反射镜40安装在所述PZT30上有一定的负载，因此将所述PZT30的调制频率优选设定为10Hz。

所述高精度星间测距系统10接收经所述角反射镜40反射后的激光束，所述处理器50在较短时间内以较快的采样速率对所述高精度星间测距系统10接收的激光束进行采样，以获取待验证的所述高精度星间测距系统10的测距信号，如图3所示，该测距信号包含待验证的所述高精度星间测距系统10的测距信息、PZT微米量级位置调制信息以及低频噪声(空气扰动、机械振动等)。

所述采样速率设定为50Hz，这样一方面可以满足Nyquist采样定律，即采样速率大于调制信号频率的两倍，另一方面可以与低频空气扰动和机械振动区分开来，避免引起共振而湮没了调制信号，无法完成高精度星间测距系统10的验证。

在应用时，首先为所述PZT30设定合适的调制振幅，所述处理器40将获取的受所述PZT30调制的测距信号进行快速傅里叶变换(FFT)，进行频谱分析，完成对调制信号的解调。若不能在频谱上解调出所述PZT30对所述角反射镜40的调制信号，则继续增大所述PZT30的调制振幅，直到能解调出调制信号，此时所述高精度星间测距系统10的测距精度是所述PZT30的调制振幅的两倍，如此即可间接验证所述高精度星间测距系统10的测距精度。

由以上可见，本发明提供的一种高精度星间测距系统的地面验证系统，其采用高精度PZT压电陶瓷对远距离角反射镜的纵向位置进行快速周期性调制，利用快速傅里叶变换(FFT)方法对待验证的高精度星间测距系统的测距结果进行频谱分析，完成对调制信号的解调，间接验证高精度星间测距系统的测距精度。本发明提供的高精度星间测距系统的地面验证系统简单，成本低，实时性高，可操作性强，便于推广。

进一步的，在采用高精度PZT压电陶瓷对角反射镜的纵向位置进行调制时，通过高分辨率数字压电控制器驱动电容式闭环反馈的PZT，利用PZT的压电效应，对角反射镜产生高精度快速位移调制，从而实现待验证的高精度星间测距系统的测距信号的调制。调制频率可达50Hz，调制振幅可达微米量级。

进一步的，在采样得到的受周期性位置调制的测距信号后，对其进行快速傅里叶变换FFT计算，将得到的频谱进行分析，完成对调制信号的解调，若能解调出PZT对角反射镜的调制信号，即可间接验证高精度星间测距系统的测距精度。FFT方法能隔离空气扰动、机械振动等低频噪声对测距结果的影响，具有精度高、速度快、对环境因素不敏感的优点。

基于同一发明构思，本发明还提供一种高精度星间测距系统的地面验证方法，采用如上文所述的高精度星间测距系统的地面验证系统实现，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S100，高精度星间测距系统发射激光束至角反射镜，PZT产生调制信号以对所述角反射镜的纵向位置进行位移调制，所述角反射镜对所述激光束进行信号调制后反射回所述高精度星间测距系统；

步骤S200，处理器对所述高精度星间测距系统接收的激光束进行采样以获取待验证的测距信号，并对所述测距信号进行频谱分析以对所述测距信号进行解调，根据解调结果确定所述高精度星间测距系统的测距精度。

综上所述，本发明提供一种高精度星间测距系统的地面验证系统及方法，采用高精度压电陶瓷(PZT)对远距离角反射器的纵向位置进行快速周期性调制，处理器对高精度星间测距系统接收的经调制后的激光束进行采样得到测距信号，对测距信号进行频谱分析，完成对受调制测距信号的解调，间接验证高精度星间测距系统的测距精度。本发明基于PZT精度高、响应速度快的特点，可在百米范围内对高精度星间测距系统实现微米甚至纳米量级精度的实时快速地面验证，而无需环境监控和补偿。进一步的，采用快速傅里叶变换FFT算法进行频谱分析，算法简单，可进一步提高运算速度。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，包括水平位移台、压电陶瓷制动器PZT、角反射镜和处理器；

所述处理器与所述高精度星间测距系统连接，用于对所述高精度星间测距系统接收的激光束进行采样以获取测距信号，并对所述测距信号进行频谱分析以对所述测距信号进行解调，若不能在频谱上解调出所述PZT对所述角反射镜的调制信号，则调整所述PZT的调制振幅，直到能解调出所述PZT对所述角反射器的调制信号，则确定所述高精度星间测距系统的测距精度等于所述PZT当前的调制振幅的两倍。

2.如权利要求1所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，所述处理器采用快速傅里叶变换算法对所述测距信号进行频谱分析。

3.如权利要求1所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述PZT连接，用于通过电压驱动所述PZT产生所述调制信号。

4.如权利要求3所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，所述控制器与所述PZT之间连接有电容传感器，用于进行闭环反馈控制。

5.如权利要求1所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，所述调制信号的调制振幅为微纳米量级。

6.如权利要求1所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，所述调制信号的调制频率为10Hz。

7.如权利要求1所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，所述处理器的采样速率大于所述PZT对所述角反射镜的纵向位置进行周期性调制的调制频率的两倍。

8.如权利要求7所述的高精度星间测距系统的地面验证系统，其特征在于，所述采样速率为50Hz。

9.一种高精度星间测距系统的地面验证方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的高精度星间测距系统的地面验证系统实现，包括：

处理器对所述高精度星间测距系统接收的激光束进行采样以获取待验证的测距信号，并对所述测距信号进行频谱分析以对所述测距信号进行解调，若不能在频谱上解调出所述PZT对所述角反射镜的调制信号，则调整所述PZT的调制振幅，直到能解调出所述PZT对所述角反射器的调制信号，则确定所述高精度星间测距系统的测距精度等于所述PZT当前的调制振幅的两倍。