CN113932729A - 一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法，用于实现太赫兹天线形面的高精度快速测量。其中光梳光场生成模块对其中一个光频梳出射的测试光进行空间啁啾，形成多波长的一维测试光场，再经过平移或转动装置形成正交的测试光场。利用该光场的强度、空间位置以及相位间的对应关系，实现太赫兹天线形面的高精度检测。利用与测试光存在微小重复频率差的另一台光频梳，对测试光场进行异步光学采样，再通过高精度的三维结构光场重建实现太赫兹天线形面的复原，不仅为实现天赫兹天线高精度形面检测提供了可靠的依据，也为高增益星载太赫兹天线的设计实现提供了技术支持。
Description
技术领域
本发明面向太赫兹天线高精度形面检测的迫切需求，基于光频梳技术，给出了一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法，内容涉及非线性光学、衍射光学和应用光学的交叉技术领域。
背景技术
太赫兹频段具有微波和光波的双重辐射特征，因此具有通信传输容量大、速率快，且具有比微波更高的分辨率和精确的定位能力。近年来，星载太赫兹技术在卫星通信、卫星遥感以及雷达等领域都有广阔的应用前景，目前国际上已经有多颗卫星实现了太赫兹载荷的星载应用。在太赫兹天线的设计与实现中，太赫兹天线的反射形面面精度是评价天线性能与质量的重要指标，直接影响天线增益、方向性等各项电特性。目前太赫兹天线正朝向大口径、高精度、高可靠性的方向发展，这给目前的高精度检测技术提出了更高的要求。因此，高精度的太赫兹天线形面检测成为恃待解决的问题，此问题的有效解决不仅为星载太赫兹天线的设计实现提供技术途径，而且为我国太赫兹卫星载荷的发展提供必要的技术支撑。
目前现有的天线形面测量方法，主要有近景摄影测量法、坐标点扫描测量法、激光跟踪测量法等。针对太赫兹天线形面的高精度测试需求，现有测量方法的优缺点如下：
(1)近景摄影法是通过对同一物体在不同位置拍摄多幅图片，采用三角形交会法原理，经过图像匹配等技术手段解出被测物的坐标点。这种方法的测量精度可以达到毫米或百微米量级，但是需要在被测件上贴很多个靶标，这给测量带来了不便。同时，靶标的精度直接影响着形面测量的精度。
(2)三坐标测量法是利用导轨和探头对被测件表面进行采样测量，从而得到各测量点的空间坐标，再通过数据拟合恢复出待测件的形面。这种方法的测量精度高，可以达到几微米甚至亚微米量级，但是受测量口径的限制，且耗时较长。
(3)激光跟踪仪法是基于球坐标系的测量系统，通过测量目标点到基准点的距离以及目标点对基准点的方位角和俯仰角来确定目标点的三维坐标。这种方法具有检测范围大、动态响应快等优点，测量精度可以达到亚微米量级。但它属于接触式测量，其逐点测量的方式导致测量分辨率不高，且太赫兹天线表面的镜面反光会导致测量中因信号中断而引入失效测量点的问题。
综上，传统的这些形面检测方法均难以达到太赫兹天线形面的高精度检测要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提高了一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统及方法，提出了一种基于光频梳的高精度太赫兹天线形面检测方法，所形成的扫描式一维光梳结构光场，突破了现有方法中测量精度较低的技术难点，实现了太赫兹天线的高精度快速形面检测，为高增益星载太赫兹天线的设计实现提供关键技术支持。
本发明的技术解决方案是：一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测方法，步骤如下：
一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统，包括：第一光频梳激光器、第二光频梳激光器、光梳光场生成模块、双光梳干涉模块、光场接收模块以及光场重建模块；
光梳光场生成模块包括空间啁啾光学系统和扫描伺服控制装置；
第一光频梳激光器输出的探测光，经光梳光场生成模块中的空间啁啾光学系统，形成一维光梳光场，辐照至待测天线表面；
一维光梳光场经光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置，对待测天线表面进行扫描测试，返回含有待测天线表面形面信息的光梳频扫光场，并由双光梳干涉模块接收；
第二光频梳激光器输出的本振光作为参考光梳；
双光梳干涉模块接收光梳频扫光场和参考光梳；参考光梳与光梳频扫光场信号在双光梳干涉模块进行光的拍频干涉，获得光场拍频信号并传输给光场接收模块；
光场接收模块接收双光梳干涉模块传出的光场拍频信号，将光信号转换为电信号，并传输给光场重建模块；
光场重建模块利用光场接收模块传输的电信号进行形面特征提取和光场重建，恢复天线的三维形貌，并完成待测天线形面的特征分析。
光梳光场由扫描伺服控制装置平移扫描后形成光梳频扫光场；该光梳频扫光场经太赫兹天线表面反射后生成携带形面变化信息的光梳频扫光场。
所述光场接收模块包括由多个光电探测器构成的探测器阵列和信号采集模块；
探测器阵列用于将光信号转换为电信号并传输给信号采集模块；
信号采集模块接收探测器阵列传输的电信号并传输给光场重构模块。
所述双光梳干涉模块包括：锁相器和合束器；
锁相器分别连接所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器锁相器用于锁定所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
光梳频扫光场与第二光频梳发出的本振光在合束器上进行拍频干涉，获得拍频信号。
一种利用上述的一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统进行天线形面检测的方法，包括步骤如下：
1)第一光频梳激光器输出的探测光，发送给光梳光场生成模块；
2)光梳光场生成模块接收第一光频梳激光器输出的探测光，产生光梳扫频光场，并发送至双光梳干涉模块；
3)双光梳干涉模块同时接收第二光频梳激光器发出的本振光和光梳光场生成模块产生的光梳扫频光场，产生光场拍频信号，并发送给光场接收模块；
4)光场接收模块接收双光梳干涉模块产生的光场拍频信号，利用光电探测器阵列将光信号转换为电信号，发送光场重构模块；
5)光场重构模块接收光场接收模块输出的光场拍频信号后，通过计算机进行特征提取和光场重建处理，最终得到太赫兹天线的三维形貌。
光梳光场生成模块中的空间啁啾光学系统接收第一光频梳激光器输出的探测光，产生一维光梳光场，发送给光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置；
光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置接收一维光梳光场信号，通过X、Y两个正交方向的平移，产生光梳频扫光场，并发送至双光梳干涉模块。
双光梳干涉模块同时接收第二光频梳激光器发出的本振光和光梳光场生成模块产生的光梳扫频光场，经合束器进行光的拍频干涉，产生光场拍频信号，并发送给光场接收模块。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明基于光频梳技术，提出了一种基于光频梳的高精度太赫兹天线形面检测方法，所形成的扫描式一维光梳结构光场，突破了现有方法中测量精度较低的技术难点，实现了太赫兹天线的高精度快速形面检测，为高增益星载太赫兹天线的设计实现提供关键技术支持。
附图说明
图1基于光频梳的太赫兹天线形面检测原理示意图。
图2为平面面形的天线面形三维形貌恢复图。
图3为椭球面形的天线面形三维形貌恢复图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统，包括：第一光频梳激光器、第二光频梳激光器、第一光频梳激光器、光梳光场生成模块、双光梳干涉模块、光场接收模块以及光场重建模块。
光梳光场生成模块包括空间啁啾光学系统和扫描伺服控制装置；
第一光频梳激光器输出的探测光，经光梳光场生成模块中的空间啁啾光学系统，形成一维光梳光场，辐照至待测天线表面；
一维光梳光场经光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置，对待测天线表面进行扫描测试，返回含有待测天线表面形面信息的光梳频扫光场，并由双光梳干涉模块接收；
第二光频梳激光器输出的本振光作为参考光梳；
双光梳干涉模块接收光梳频扫光场和参考光梳；
参考光梳与光梳频扫光场信号在双光梳干涉模块进行光的拍频干涉，获得光场拍频信号并传输给光场接收模块；
光场接收模块，由多个光电探测器构成探测阵列，接收双光梳干涉模块传出的光场拍频信号，将光信号转换为电信号，通过数据采集卡或者示波器进行数据采集并输入计算机，并传输给光场重建模块；
光场重建模块在计算机中通过时频域分析算法利用光场接收模块传输的电信号进行形面特征提取和光场重建，恢复天线的三维形貌，并完成待测天线形面的特征分析。
第一光频梳激光器输出的探测光透过空间啁啾光学系统(包括光学衍射元件，如虚像相位阵列(VIPA)、光栅、棱镜等)，空间啁啾光学系统对该探测光进行空间啁啾色散，生成一维多波长光梳光场，一维多波长光梳光场中的频率梳齿与待测天线的空间位置一一对应。
光梳光场由扫描伺服控制装置(如光学振镜或机械平移台等)平移扫描后形成光梳频扫光场；该光梳频扫光场经太赫兹天线表面反射后生成携带形面变化信息的光梳频扫光场。
所述光场接收模块包括由多个光电探测器构成的探测器阵列和信号采集模块；
探测器阵列用于将光信号转换为电信号并传输给信号采集模块；
信号采集模块接收探测器阵列传输的电信号并传输给光场重构模块。
所述双光梳干涉模块包括：锁相器和合束器；
其中，所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器分别与所述锁相器相连接；所述第一光频梳激光器发出探测光，所述第二光频梳激光器发出本振光，锁相器锁定所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
携带太赫兹天线形面畸变信息的光梳频扫光场与第二光频梳发出的本振光在合束器上进行拍频干涉，获得拍频信号，并由数据采集卡或者示波器采集拍频信号，输入计算机中。
一种利用上述的一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统进行天线形面检测的方法，包括步骤如下：
1)第一光频梳激光器输出的探测光，发送给光梳光场生成模块；
2)光梳光场生成模块接收第一光频梳激光器输出的探测光，产生光梳扫频光场，并发送至双光梳干涉模块；
3)双光梳干涉模块同时接收第二光频梳激光器发出的本振光和光梳光场生成模块产生的光梳扫频光场，产生光场拍频信号，并发送给光场接收模块；
4)光场接收模块接收双光梳干涉模块产生的光场拍频信号，利用光电探测器阵列将光信号转换为电信号，发送光场重构模块；
5)光场重构模块接收光场接收模块输出的光场拍频信号后，通过计算机进行特征提取和光场重建处理，最终得到太赫兹天线的三维形貌。
光梳光场生成模块中的空间啁啾光学系统接收第一光频梳激光器输出的探测光，产生一维光梳光场，发送给光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置；
光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置接收一维光梳光场信号，通过X、Y两个正交方向的平移，产生光梳频扫光场，并发送至双光梳干涉模块。
双光梳干涉模块同时接收第二光频梳激光器发出的本振光和光梳光场生成模块产生的光梳扫频光场，经合束器进行光的拍频干涉，产生光场拍频信号，并发送给光场接收模块。
所述光场重建方法对所述拍频信号进行时频域分析、傅里叶变换等，利用光场恢复算法，重建被测件的三维形貌结构。
两个光频梳光源由两台具有微小重频差(Δfr)的光梳组成，其中光梳1为信号光梳(重复频率为fr1)，光梳2为本振光梳(重复频率为fr2＝fr1+Δfr)。
信号光梳发出的信号脉冲经过迈克尔逊干涉光路，在分光棱镜BS1处分离，经测量镜(M)和参考镜(R)定向反射后产生在时域上分离的参考脉冲和测量脉冲。时延为Δτ的参考脉冲和测量脉冲经分光镜合光之后与本振光梳发出的本振脉冲合光。
由于信号脉冲时间周期
和本振脉冲时间周期
具有微小差别，因此每经过一个脉冲时间周期两列脉冲产生的时间滑移为：
即由本振光脉冲对参考脉冲和测量脉冲的线性采样，在每个测量周期内
出现一对时间延迟为Δt的参考干涉信号(IR)和测量干涉信号(IM)。
通过双光梳的线性互相关采样，原先以
为重复周期的脉冲信号，放大成了周期
的互相关信号，时域放大比例因子为
故被测距离值D可表示为：
利用本发明所述的测试方法，进行了简单的实验验证。对两个100mm×100mm的太赫兹天线样件的平面和椭球面表面面形做了检测，并恢复了待测天线的三维形貌。经测量，其中平面面形的天线面形三维形貌恢复图如图2所示，测得其面形精度是5.525μm，椭球面面形的天线面形三维形貌恢复图如图3所示，其面形精度是34.78μm。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统，其特征在于，包括：第一光频梳激光器、第二光频梳激光器、光梳光场生成模块、双光梳干涉模块、光场接收模块以及光场重建模块；
光梳光场生成模块包括空间啁啾光学系统和扫描伺服控制装置；
第一光频梳激光器输出的探测光，经光梳光场生成模块中的空间啁啾光学系统，形成一维光梳光场，辐照至待测天线表面；
一维光梳光场经光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置，对待测天线表面进行扫描测试，返回含有待测天线表面形面信息的光梳频扫光场，并由双光梳干涉模块接收；
第二光频梳激光器输出的本振光作为参考光梳；
双光梳干涉模块接收光梳频扫光场和参考光梳；参考光梳与光梳频扫光场信号在双光梳干涉模块进行光的拍频干涉，获得光场拍频信号并传输给光场接收模块；
光场接收模块接收双光梳干涉模块传出的光场拍频信号，将光信号转换为电信号，并传输给光场重建模块；
光场重建模块利用光场接收模块传输的电信号进行形面特征提取和光场重建，恢复天线的三维形貌，并完成待测天线形面的特征分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统，其特征在于：光梳光场由扫描伺服控制装置平移扫描后形成光梳频扫光场；该光梳频扫光场经太赫兹天线表面反射后生成携带形面变化信息的光梳频扫光场。
3.根据权利要求2所述的一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统，其特征在于：
所述光场接收模块包括由多个光电探测器构成的探测器阵列和信号采集模块；
探测器阵列用于将光信号转换为电信号并传输给信号采集模块；
信号采集模块接收探测器阵列传输的电信号并传输给光场重构模块。
4.根据权利要求2或3所述的一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统，其特征在于，所述双光梳干涉模块包括：锁相器和合束器；
锁相器分别连接所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器锁相器用于锁定所述第一光频梳激光器和所述第二光频梳激光器的初始相位和重复频率；
光梳频扫光场与第二光频梳发出的本振光在合束器上进行拍频干涉，获得拍频信号。
5.一种利用如权利要求4所述的一种基于光频梳的太赫兹天线形面检测系统进行天线形面检测的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)第一光频梳激光器输出的探测光，发送给光梳光场生成模块；
2)光梳光场生成模块接收第一光频梳激光器输出的探测光，产生光梳扫频光场，并发送至双光梳干涉模块；
3)双光梳干涉模块同时接收第二光频梳激光器发出的本振光和光梳光场生成模块产生的光梳扫频光场，产生光场拍频信号，并发送给光场接收模块；
4)光场接收模块接收双光梳干涉模块产生的光场拍频信号，利用光电探测器阵列将光信号转换为电信号，发送光场重构模块；
5)光场重构模块接收光场接收模块输出的光场拍频信号后，通过计算机进行特征提取和光场重建处理，最终得到太赫兹天线的三维形貌。
6.根据权利要求5所述的天线形面检测的方法，其特征在于：
光梳光场生成模块中的空间啁啾光学系统接收第一光频梳激光器输出的探测光，产生一维光梳光场，发送给光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置；
光梳光场生成模块中的扫描伺服控制装置接收一维光梳光场信号，通过X、Y两个正交方向的平移，产生光梳频扫光场，并发送至双光梳干涉模块。
7.根据权利要求6所述的天线形面检测的方法，其特征在于：
双光梳干涉模块同时接收第二光频梳激光器发出的本振光和光梳光场生成模块产生的光梳扫频光场，经合束器进行光的拍频干涉，产生光场拍频信号，并发送给光场接收模块。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113932729B (zh) | 2024-02-09 |
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