CN115540744A - 一种微重力测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微重力测量技术领域，尤其涉及一种微重力测量装置和方法，装置包括芯片和三组互相垂直设置的双频激光位移‑角度干涉仪，芯片得到每个双频激光位移‑角度干涉仪对应的两个相位差，并计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，进而得到每个双频激光位移‑角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移‑角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量，最后根据平移向量计算微重力加速度。本发明能够解决空间中运动目标的六自由度位姿测量问题，计算过程简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及微重力测量技术领域，尤其涉及一种微重力测量装置和方法。
背景技术
地面上的物体由于地球的吸引而受到的力称之为重力(Gravity)。而航天器在轨运行时会受到地球引力以外的各种干扰力的作用，从而达到不完全失重的状态，此时航天器处于“微重力”环境。重力的大小可用重力使物体产生的加速度大小来表示，通常而言，地球表面的重力加速度指的是重力加速度(g0＝9.8m/s2)。微重力(microgravity)是对“失重”的偏离，理应称为微重量(micro-weight)，其大小用微重力加速度表示。微重力加速度虽然是航天器受到的各种干扰力加速度的总称，但其大小通常不超过10-5～10-4g。
作为空间站的宝贵资源，重力加速度的评估和测量为空间科学提供了重要的参考依据。20世纪中旬以来，以美国和苏联为首的各国航天事业迅速发展，微重力科学与应用成为一个重要的研究方向。微重力环境为流体力学、材料科学、生物技术等学科提供了新的研究领域和途径。微重力测量在空间科学与基础物理研究、精密导航与定轨以及基于重力卫星的地球重力场测量等方面都具有重要的科学意义。该技术不仅可以用于空间科学实验的微重力环境评估和控制，还可以服务于科学载荷上高精度稳定平台上的基础物理研究，如相对论物理、引力波探测、天文观测等。
微重力测量原理的核心就是加速度的测量。常见的加速度计有石英挠性加速度计、静电悬浮加速度计、激光干涉重力仪和原子干涉重力仪，前两者为当前用于微重力测量的主流加速度计。石英挠性加速度计为力平衡式加速度计，一般用来测量沿石英挠性加速度计输入轴作用的常值和低频加速度。经过一次积分和二次积分便可以得到有关载体速度和位置的信息。石英挠性加速度计对摆片装配的对中性要求极高，而挠性加速度计结构设计中所选石英材料的脆性、加工工艺过程中摆片质量分布不均以及工作过程中自身发热等问题均会造成摆片的不对中缺陷，都会导致石英挠性加速度计的摆片失稳问题。静电悬浮加速度计为力平衡式加速度计，通过测量检测质量和极板之间的差动电容来计算检测质量的位移，利用力/力矩平衡回路测量加速度。空间静电悬浮加速度计的敏感器件主要由惯性检测质量块与航天器框架两部分组成，其惯性检测质量块与航天器框架之间没有任何机械部件连接，具有灵敏度高、测量量程小及频带窄等特点。
激光干涉重力仪作为测量绝对重力的主流设备，其采用了高精密的激光干涉技术，用迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪作为实验光路，将激光波长作为长度基准，利用分光镜得到参考光臂和测量光臂，通过光电探测器采集的干涉条纹数来测量角锥棱镜在真空中自由下落的加速度，从而得到当地的重力加速度。若将传统的激光干涉重力测量仪进行改进，则可以实现一个自由度的空间微重力的测量。原子干涉绝对重力仪是绝对重力测量的另一个发展方向，但其实验装置和操作都很复杂，在空间微重力环境下原子团的制备和回收以及如何满足小型化与准确性要求将是重要的影响因素。
传统的激光干涉重力仪只能测量一个方向的加速度，而多自由度同时测量方法与技术的研究一直是人们试图解决的技术难题，也成为检测领域的重要研究方向。目前解决的技术方案如下：
1)第一个现有技术方案：
迈克尔逊干涉仪是单频激光干涉仪，其干涉信号为直流电平信号，在大范围进行位移测量时，直流漂移作用导致系统受环境影响很严重。为了解决这个问题，双频激光干涉仪利用外差频率调制将待测的光程变化转化为拍频信号的相位变化，有效地抑制了零差干涉测量中直流幅度的噪声耦合。角度干涉仪使用偏振分束器和平面镜将准直光束分成平行光束，对两个角锥棱镜组成的运动目标实现了小角度测量。在参考文献[1](参考文献[1]：Zhao S J,Wei H Y,Li Y.Dual-frequency laser displacement and angleinterferometer[J].Optical Metrology and Inspection for IndustrialApplications Iii,2014,9276)中，清华大学的赵世杰等人在双频激光干涉的基础上，只使用一个角锥棱镜作为参考镜，使用两个角锥棱镜作为测量镜，设计了一套新型的双频激光位移-角度干涉仪(DIAI)。由多普勒效应可知，经过角锥棱镜CCR2和CCR3回射的光携带了目标的运动信息，两个光电探测器可以分别检测到两束拍频信号。假设I1，I2分别为频率f1,f2的光束的振幅，Δω＝2π|f1-f2|为外差频率，则参考信号可以表示为Im＝I1I2cosΔωt。在目标运动的过程中，光电探测器D1检测到的信号为
光电探测器D2检测到的信号为
由于相位差
和
分别与CCR2的位移l1和CCR3的位移l2成正比(n为光传播介质的折射率)，即
可以通过解算相位差获得位移信息，再根据
求出角度信息(h为两角锥棱镜之间的间距)。该仪器不仅同时测量了位移和角度信息，更解决了由于两个角锥棱镜相对位移所引起的角度测量误差的问题。与自准直仪相比，该仪器的精度优于±2.5弧秒。
第一个现有技术方案有如下缺点：
尽管使用该方法可以同时测量位移和角度信息，但仍无法解决空间中运动目标的六自由度位姿测量问题。由光电探测器检测到的信号经解算后得到的相位差反应了光线传播过程中光程的变化，当目标未沿光轴运动时，光线在角锥棱镜内部的光程将会发生变化，此时若用
求解位移，将会产生较大的测量误差。因此，该位移角度干涉仪并不适用于精密测量领域中的多自由度位姿和微重力加速度测量，并且该方法未考虑光线的传播路径。
2)第二个现有技术方案：
美国俄亥俄州理大学在参考文献[2](参考文献[2]：Zhang Z,Menq C H.Laserinterferometric system for six-axis motion measurement[J].Review ofScientific Instruments,2007,78(8))和参考文献[3](参考文献[3]：Zhang Z P,Menq CH.Six-axis magnetic levitation and motion control[J].Ieee Transactions onRobotics,2007,23(2):196-205)中，介绍了一种紧凑型的六轴磁悬浮平台。该平台包括磁致动器、激光干涉运动传感器和运动控制器的设计和实现，实现了三个双轴驱动器的六轴驱动。其中激光干涉运动传感器实现了高分辨率的激光干涉仪测量系统，并用于测量工作台的六轴运动，便于实时反馈控制。该系统结合了具有角锥棱镜的干涉仪和具有平面反射镜干涉仪的优点，对迈克尔逊外差激光干涉仪进行了改进。
由于角锥棱镜具有出射光束总是平行于入射光束的特点，因此该干涉测量系统采用角锥棱镜R可以容纳更大的旋转运动；同时加入了平面反射镜M2，使光路长度加倍，即光程长度的变化是目标位移的四倍，提高了位移测量的分辨率。该激光干涉测量系统根据激光束配置情况建立了由移动目标的平移和旋转所引起的光路变化模型，根据矩阵运算推导出了六自由度位姿信息。
第二个现有技术方案有如下缺点：
该方案采用的是六个双频激光干涉仪作为光学输入，每个角锥棱镜都对应了一个双频激光干涉仪，光学系统较为复杂和分散；并且该磁悬浮系统主要应用于光学平台上，需要六边形机械布局才可以实现六自由度的解耦计算，系统计算较为复杂；所提出的光路变化模型中，角锥棱镜内部的光程变化未考虑非理想角锥棱镜的光学模型，具有一定的建模误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种微重力测量装置和方法。
本发明的一种微重力测量装置的技术方案如下：
包括芯片和三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪，任一双频激光位移-角度干涉仪共用激光源发出的正交双频激光，获取该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第一光电探测数据，以及该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第二光电探测数据，并发送至所述芯片，所述芯片根据所述第一光电探测数据和所述第二光电探测数据分别计算该双频激光位移-角度干涉仪两个测量光臂与参考光臂之间的相位差，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差；
所述芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，对任一双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光程差分别进行累加，得到任意时刻的两个光路变化，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量；
所述芯片根据所述平移向量计算微重力加速度。
本发明的一种微重力测量装置的有益效果如下：
利用三组正交的双频激光位移-角度干涉仪能够解决空间中运动目标的三自由度微重力加速度测量的问题，且每个双频激光位移-角度干涉仪可以实现对空间中运动目标的2自由度的位姿测量，三组正交设置的双频激光位移-角度干涉仪的可以实现空间中运动目标的6自由度位姿的测量，计算过程简单，测量精度高。
本发明的一种微重力测量方法的技术方案如下：
任一双频激光位移-角度干涉仪共用激光源发出的正交双频激光，获取该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第一光电探测数据，以及该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第二光电探测数据，并发送至芯片，所述芯片根据所述第一光电探测数据和所述第二光电探测数据分别计算该双频激光位移-角度干涉仪两个测量光臂与参考光臂之间的相位差，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差，其中，共有三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪；
所述芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，对任一双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光程差分别进行累加，得到任意时刻的两个光路变化，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量；
所述芯片根据所述平移向量计算微重力加速度。
本发明的一种微重力测量方法的有益效果如下：
能够解决空间中运动目标的六自由度位姿测量和三自由度微重力加速度测量的问题，计算过程简单，测量精度高。
附图说明
图1为本发明实施例的一种微重力测量装置的结构示意图；
图2为双频激光位移-角度干涉仪的原理示意图；
图3为理想的角锥棱镜的光线传播示意图；
图4为角锥棱镜的主视图；
图5为角锥棱镜的左视图；
图6为角锥棱镜的俯视图。
图7为本发明实施例的一种微重力测量方法的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例的一种微重力测量装置，包括芯片和三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪，任一双频激光位移-角度干涉仪共用激光源发出的正交双频激光，获取该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第一光电探测数据，以及该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第二光电探测数据，并发送至芯片，芯片根据第一光电探测数据和第二光电探测数据分别计算该双频激光位移-角度干涉仪两个测量光臂与参考光臂之间的相位差，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差；
其中，三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪的结构如图1所示，三个正交平面上部署了六只型号相同的角锥棱镜，分别记为角锥棱镜-1、角锥棱镜-2、角锥棱镜-3、角锥棱镜-4、角锥棱镜-5和角锥棱镜-6，每对角锥棱镜所在轴线方向互相正交。即角锥棱镜-1和角锥棱镜-2关于面A1B1C1D1的中心对称，且所在轴线平行于边A1D1；角锥棱镜-3和角锥棱镜-4关于面C1D1D2C2的中心对称，且所在轴线平行于边C1D1；角锥棱镜-5和角锥棱镜-6关于面B1C1C2B2的中心对称，且所在轴线平行于边C1C2。对于理想的角锥棱镜而言，如图3所示，是一个侧面互相垂直的正三棱锥，入射光线Li1从底面EiFiGi射入后依次经过三个反射面，出射光线Li2由底面EiFiGi射出。实际工程中采用的角锥棱镜并非正三棱锥，而是由三个互相垂直的直角面和一个弧面组成，其底面为圆形。记第i个角锥棱镜的坐标系为Σri，坐标系定义如图4至图6所示，坐标原点
位于底面中心，
轴指向角锥棱镜顶点，
轴指向Ei点在底面的投影，
轴沿GiFi方向。记检测质量坐标系为Σf，坐标原点Of位于检测质量的中心，xf轴沿边D1A1方向，yf轴沿边B1A1方向，zf轴沿边A1A2方向。初始时刻，各个入射光都垂直入射角锥棱镜，并将初始位置定义为固定参考坐标系Σo和检测质量坐标系Σf重合。系统设置了三套CMOS成像光路，通过任意两个CMOS的组合，判断相应参考光斑和测量光斑的位置，可以确定检测质量与设备壳体之间的位置关系，便于电磁悬浮闭环控制算法将检测质量恢复到初始位置。以角锥棱镜-1和角锥棱镜-2所对应的双频激光位移-角度干涉仪为例进行说明：
如图2所示，在测量光路中，双频激光源发射的两束正交偏振光到达消偏振分光镜NPBS后被分为参考光束B1和目标光束B2。目标光束B2被偏振分光镜PBS-1分成B5和B6两束光，分别透过电控可变光阑-2和电控可变光阑-3到达检测质量上的角锥棱镜-1和角锥棱镜-2。由于多普勒效应，回射光束B7和B8分别携带了角锥棱镜-1和角锥棱镜-2的运动信息，并到达NPBS后被投射和反射了一部分。其中透射光经过检偏器后仅包含偏振方向水平的激光B9，频率分别为f2和f1±Δf1，形成干涉拍频，两束光通过光强衰减器-3进入CMOS成像，用于角锥棱镜-1的定位。参考光束依次经过λ/4波片、电控可变光阑-1、角锥棱镜-a，一部分光透过消偏振分光镜NPBS。目标光束与参考光束重叠后经过PBS-2的分光分别经过两个凸透镜聚焦、两个光强衰减器进行光信号的衰减，被两个光电探测器检测到，其中凸透镜可以通过对测量光和参考光进行聚焦，改善因测量光和参考光距离较远而造成光束重合范围较小、拍频光信号功率较小的问题；光强衰减器可以减小因凸透镜聚焦造成的光信号功率过大的问题，保证经光电探测器的输出值在相位计电压输入值的额定范围之内。通过相位计检测光电探测器输出的拍频信号可以得到携带角锥棱镜运动信息的相位。也就是说，光电探测器可以检测到对应的角锥棱镜的多普勒频差，经过相位计解算可以得出采样时间内测量光臂和参考光臂发生干涉时产生的相位差，具体地：
第一个光电探测器：根据B10，两个频率：f1、f2±Δf2；多普勒频差为±Δf2；
第二个光电探测器：根据B11，两个频率：f2、f1±Δf1；多普勒频差为±Δf1；
基于多普勒频差±Δf1经过相位计解算，可以得出采样时间内测量光臂(B2、B6、B8、B4、B11)和参考光臂(B1、B3、B11)发生干涉时产生的相位差；
基于多普勒频差±Δf2，经过相位计解算，可以得出采样时间内测量光臂(B2、B5、B7、B4、B10)和参考光臂(B1、B3、B10)发生干涉时产生的相位差；
芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，对任一双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光程差分别进行累加，得到任意时刻的两个光路变化，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量；
通过波动光学可以根据采样时间内每个测量光路的相位差得到采样时间内的光程差，对光程差进行累加可以得到任意时刻相对于初始时刻的光程变化(Optical PathChange,OPC)，对于第i个角锥棱镜所对应的测量臂的光程变化记为OPCi。该光程变化可分为角锥棱镜外部的光程变化OPCout和角锥棱镜内部的光程变化OPCin。具体地：
角锥棱镜外部的光程变化OPCout可以根据空间几何向量关系推导得到，其中光线在NPBS、PBS-1、PBS-2中的光程之和不随检测质量的运动而改变，由于凸透镜的作用使光线在PBS-2和两个光电探测器之间的光程也不随检测质量的运动而改变，因此OPCout仅与光线在真空中的光程变化有关。由于检测质量在空间中自由悬浮时位姿发生了变化，光线在检测质量上角锥棱镜内部的光程也随之变化。针对实际采用的角锥棱镜不是理想正三棱锥的情况，还需要考虑光线在棱镜底面与其三个顶点所构成平面之间的间隙传播时所带来的光程差，如图4至图6所示。根据光线在角锥棱镜内部的传播路线，可以利用光学的矢量表达求出以θi角入射的光线在角锥棱镜内部的总光程，从而获得角锥棱镜内部的光程变化OPCin。
在真空条件下，对于第i个角锥棱镜的测量光路的光程变化模型为：
其中，OPCi可根据单位采样时间内的相位差
带入
后累加计算得到，
为第i个角锥棱镜测量轴的方向矢量(i＝1,2,...,6)，
I3为三阶单位矩阵，
和
分别为Σf坐标系相对于Σo坐标系的旋转矩阵和平移向量；
为Σf坐标系相对于Σri坐标系的旋转矩阵；
为Σri坐标系相对于Σf坐标系的平移向量；D为角锥棱镜底面直径，d为间隙宽度(即弧面高度)，n为角锥棱镜的折射率。
其中，对OPCi的理解可为：
提到的光程差是省略了时间的表示，如相位计得到1秒内的相位差是1s末相对于1s初的相位差，带入计算得到的是1秒内的光程差，即1s末相对于1s初的光程差；如果单位采样时间是1ms，则
是1ms内的相位差，带入
得到的是1ms内的光程差。光程变化是任意时刻相对于初始时刻的光程差之和。假设在5s时，光程变化指的是5s末相对于初始时刻的总光程差，即500个1ms(单位采样时间)的光程差之和。
得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角的过程如下：
在图1定义的坐标系下，采用泰特-布莱恩角z-y-x内旋的方式进行变换，检测质量的姿态角可以分解为绕xo,yo,zo轴分别旋转θx,θy,θz，即
Σf坐标系相对于Σo坐标系的旋转矩阵为
将
带入式光程变化模型，角锥棱镜-1和角锥棱镜-2对应的光程变化相减得到式1：OPC1-OPC2＝-2Lsinθy，从而直接获得旋转角θy。角锥棱镜-3和角锥棱镜-4对应的光程变化相减得到式2：OPC3-OPC4＝2L(sinθxsinθycosθz-cosθxsinθz)，角锥棱镜-5和角锥棱镜-6对应的光程变化相减得到式3：OPC5-OPC6＝2L(cosθxsinθysinθz-sinθxcosθz)。将式1带入上述式2和式3并进行化简，可以得到式4：
将上式求得的结果带入式2和式3可以得到一个仅含有θx的非线性方程式5：
利用牛顿迭代法对式5进行求解，可以得到旋转角θx，再带入式4得到旋转角θz。
在得到了三个旋转角度后，由于沿Σo坐标系xo,yo,zo轴的平移向量
与三个轴对应的光路变化
成正比，可以建立平移向量
和光程变化OPCi之间的关系，即
其中
然后，芯片对平移向量进行二阶差分，得到重力加速度，至此，检测质量的六自由度位姿信息和三自由度微重力加速度都可以实时得到。其中，芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差的过程，包括：
对于第i个角锥棱镜对应的测量臂的相位差
利用光程差计算公式计算第i个角锥棱镜对应的测量臂的光程差ΔLi，光程差计算公式为：
i＝1,2,3…,6，λ表示正交双频激光的激光波长。
下面通过另外一个实施例对本发明的一种微重力测量装置进行说明，具体地：
使用波长为780nm的双频激光源，采用大恒光电公司口径为1英寸的角锥棱镜，型号为GCL-030503，设计的检测质量边长为90mm，共面的一组角锥棱镜中心距为35mm，也就是说：
λ＝780nm,D＝25.4mm,h＝18.1mm,d＝9.1197mm,n＝1.5168,H＝90mm,L＝35mm。根据角锥棱镜的位置可得到平移向量
那么：
1)光电探测器实时输出采样时间Ts内的六组干涉拍频信号，由相位计解算出采样时间内的相位差
带入
得到第n个采样周期内的光程差，并对其进行累加得到第i个测量臂在tn时刻相对于初始时刻的光程变化
2)将每个测量轴的光程变化依次带入OPC1(nTs)-OPC2(nTs)＝-2Lsinθy(tn)，
进行求解，得到tn时刻绕移动坐标轴的旋转角θx(tn),θy(tn),θz(tn)；
3)求出B1、B3、B5并带入
即可得到tn时刻的平移向量
4)对平移向量进行二阶差分，得到微重力加速度。
利用三组正交的双频激光位移-角度干涉仪能够解决空间中运动目标的三自由度微重力加速度测量的问题，且每个双频激光位移-角度干涉仪可以实现对空间中运动目标的2自由度的位姿测量，三组正交设置的双频激光位移-角度干涉仪的可以实现空间中运动目标的6自由度位姿的测量，6自由度位姿的测量具体体现在三个旋转角度θx,θy,θz，以及平移向量
本发明计算过程简单，测量精度高。
目前基于空间多自由度的微重力测量设备主要是静电悬浮加速度计，而利用激光干涉进行多自由度测量的技术主要应用在高精密多自由度工作台中。激光干涉测量角度和位移的方法在高精度、高动态条件下能同时进行多个参数的测量，具有速度快、无接触误差等优点。双频激光干涉测量可以克服单频激光测量中存在的直流幅度噪声耦合的问题。本专利依托于三组双频激光干涉测量光路，提出了一种应用于自由漂移型激光干涉微重力测量仪的六自由度位姿解算方法和三自由度微重力加速度测量方法，为空间微重力测量提供了新的算法。整个测量系统由部署了三组轴线互相垂直角锥棱镜的检测质量和三路等效的双频外差干涉测量光路组成。
本发明应用于一种自由漂移型双频激光干涉微重力测量仪中实现三自由度微重力加速度测量。微重力测量旨在研究如何更好地检测微重力环境，在空间科学与基础物理研究、精密导航与定轨以及基于重力卫星的地球重力场测量等方面都具有重要的科学意义。本专利采用六轴运动测量的双频激光干涉光路，采用三组完全对称的光路布局，结合角锥棱镜模型和外差干涉测量技术，通过光路矢量分析了各轴光路的光程变化与检测质量六自由度的位姿关系，并建立了检测质量的位姿与光电探测器输出结果的函数关系，通过解耦计算，实现了检测质量三自由度微重力加速度的测量，且利用本发明能够实时进行微重力加速度的测量，实用性强。
本发明的一种微重力测量装置的有益效果如下：
1)解决了重力仪的单轴测量和静电悬浮加速度计应用场景受限等问题，首次采用三组互为正交的双频激光干涉光路，结合六轴光路的光程矢量展开六自由度位姿解算，给出了激光干涉测量三自由度微重力加速度的方法。
2)本发明首次考虑到实际角锥棱镜(非理想正三棱锥)的光学模型，利用检测质量运动时各测量光轴的光程差作为系统输入，为激光干涉多自由度测量领域提供新的解决方法。
如图7所示，本发明实施例的一种微重力测量方法，包括如下步骤：
S1、得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差，具体地：
任一双频激光位移-角度干涉仪共用激光源发出的正交双频激光，获取该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第一光电探测数据，以及该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第二光电探测数据，并发送至芯片，芯片根据第一光电探测数据和第二光电探测数据分别计算该双频激光位移-角度干涉仪两个测量光臂与参考光臂之间的相位差，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差，其中，共有三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪；
S2、得到平移向量，具体地：
芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，对任一双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光程差分别进行累加，得到任意时刻的两个光路变化，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量；
S3、芯片根据平移向量计算微重力加速度。
可选地，在上述技术方案中，芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差的过程，包括：
对于第i个角锥棱镜对应的相位差
利用光程差计算公式计算第i个角锥棱镜对应的光程差ΔLi，光程差计算公式为：
i＝1,2,3…,6，λ表示正交双频激光的激光波长。
可选地，在上述技术方案中，芯片计算微重力加速度的过程，包括：
对平移向量进行二阶差分，得到微重力加速度。
在上述各实施例中，虽然对步骤进行了编号S1、S2等，但只是本申请给出的具体实施例，本领域的技术人员可根据实际情况调整S1、S2等的执行顺序，此也在本发明的保护范围内，可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施方式中的部分或全部。
上述关于本发明的一种微重力测量方法采用上述实施例的一种微重力测量装置，且上述关于本发明的一种微重力测量方法中的各步骤的实现，可参考上文中关于一种微重力测量装置的实施例中内容，在此不做赘述。
在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种微重力测量装置，其特征在于，包括芯片和三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪，每组双频激光位移-角度干涉仪共用激光源发出的正交双频激光，获取该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第一光电探测数据，以及该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第二光电探测数据，并发送至所述芯片，所述芯片根据所述第一光电探测数据和所述第二光电探测数据分别计算该双频激光位移-角度干涉仪两个测量光臂与参考光臂之间的相位差，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差；
所述芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，对任一双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光程差分别进行累加，得到任意时刻的两个光路变化，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量；
所述芯片根据所述平移向量计算微重力加速度。
2.根据权利要求1所述的一种微重力测量装置，其特征在于，所述芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差的过程，包括：
对于第i个角锥棱镜对应的相位差
利用光程差计算公式计算第i个角锥棱镜对应的光程差ΔLi，所述光程差计算公式为：
λ表示所述正交双频激光的激光波长。
3.根据权利要求1或2所述的一种微重力测量装置，其特征在于，所述芯片计算所述微重力加速度的过程，包括：
对所述平移向量进行二阶差分，得到微重力加速度。
4.一种微重力测量方法，其特征在于，包括：
任一双频激光位移-角度干涉仪发射相同的正交双频激光，获取该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第一光电探测数据，以及该双频激光位移-角度干涉仪所对应的第二光电探测数据，并发送至芯片，所述芯片根据所述第一光电探测数据和所述第二光电探测数据分别计算该双频激光位移-角度干涉仪两个测量光臂与参考光臂之间的相位差，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个相位差，其中，共有三组互相垂直设置的双频激光位移-角度干涉仪；
所述芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差，对任一双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光程差分别进行累加，得到任意时刻的两个光路变化，直至得到每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，并根据每个双频激光位移-角度干涉仪对应的两个光路变化，得到检测质量绕固定坐标轴的旋转角，并根据所有旋转角和所有光路变化，得到平移向量；
所述芯片根据所述平移向量计算微重力加速度。
5.根据权利要求4所述的一种微重力测量方法，其特征在于，所述芯片计算单位采样时间内每个相位差对应的光程差的过程，包括：
对于第i个角锥棱镜对应的相位差
利用光程差计算公式计算第i个角锥棱镜对应的光程差ΔLi，所述光程差计算公式为：
λ表示所述正交双频激光的激光波长。
6.根据权利要求4或5所述的一种微重力测量方法，其特征在于，所述芯片计算微重力加速度的过程，包括：
对所述平移向量进行二阶差分，得到微重力加速度。
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