基于差动式激光自混合干涉的磁悬浮加速度计质量块姿态测量技术

The magnetic levitation accelerometer has important application value in the fields of space gravitational wave detection, high-precision global gravity field measurement, geological resources exploration and other fields. The mass block is the core component of the magnetic levitation accelerometer, and its attitude measurement accuracy is one of the key issues that determine the performance of the accelerometer. This project focuses on the attitude measurement of magnetic levitation mass based on differential laser self-mixing interference. (1) Considering factors such as dielectric gain, cavity mirror reflection loss and crystal thermal effect, a more accurate theoretical model of microchip laser is established to explore the operating mechanism and optimal design method of the microchip laser. (2) The optical fiber self-mixing interference displacement measurement system based on the differential structure is constructed, and the all-phase spectrum analysis method is used to realize the high-precision measurement of displacement. The comprehensive measurement method of angle and displacement is proposed to improve the efficiency of attitude measurement. (3) The complex optical system calibration method based on vision measurement is proposed. The sources of the measurement error are analyzed and the corresponding error models are established. This topic aims to achieve the high-precision, high-efficiency measurement of the mass attitude, thereby laying a certain theoretical and technical foundation for the performance improvement of the magnetic levitation accelerometer.

磁悬浮加速度计在空间引力波探测、高精度全球重力场测量、地质资源勘探等领域具有重要的应用价值。质量块是磁悬浮加速度计的核心部件，其姿态测量精度是决定加速度计性能的关键问题之一。本课题重点研究基于差动式激光自混合干涉的磁悬浮质量块姿态测量，研究内容包括：（1）综合考虑介质增益、腔镜反射损耗、晶体热效应等因素，建立更加准确的微片激光器理论模型，探究微片激光器的运行机理与优化设计方法。（2）构建基于差动结构的光纤自混合干涉位移测量系统，利用全相位谱分析法，实现位移的高精度测量。研究角度与位移的综合测量方法，提高姿态测量的效率。（3）设计基于视觉测量的复杂光学系统标定方法，分析测量误差来源，并建立相应的误差模型进行补偿。本课题旨在实现质量块姿态的高精度、高效率测量，从而为磁悬浮加速度计性能的提高奠定一定的理论与技术基础。

高精度加速度计可以应用于空间引力波探测、地球重力场或重力梯度测量、空间大气密度及微尘埃测量等，对空间科学及深空探测、地质资源勘探、全球气候变化以及海洋环境监测等领域，具有重要经济价值与战略意义。针对磁悬浮加速度计质量块姿态测量问题，本项目研究基于激光自混合干涉的多参数测量方法与技术。主要研究内容及结果如下：.（1）提出了基于激光自混合干涉的综合参数测量方法。该方法可以同时测量位移、光反馈因子和线宽展宽因子。提出了一种基于相位展开原理的位移测量方法；利用对称折叠法测量光反馈因子和线宽展宽因子，并给出了其适用范围。搭建了激光自混合干涉综合参数测量实验系统，验证理论分析的正确性，并给出了误差可能来源。.（2）提出了基于激光自混合干涉的位移与角度测量方法。首先，研究散斑效应对激光自混合干涉信号的影响，并利用VMD方法对实验信号进行滤波；再利用Hilbert变换提取信号的包络并进行信号的归一化；最后，同时测量物体的位移与角度。实验结果表明，位移测量精度为500nm，角度测量在±1度范围内测量精度可达10-3度。该测量系统具有测量精度高、装置结构简单、操作便捷等优点，满足高精度位移与角度测量的需求。.（3）设计了基于标准器与视觉测量的位置标定技术。设计高精度的标准器，对不同的位置关系进行约束，利用视觉测量的方法，实现激光光束之间平行位置、垂直位置、对准位置的高精度、快速标定。.该测量系统不但具有传统干涉测量的分辨率，而且，体积小、结构简单、紧凑、易准直，非常适合集成在磁悬浮加速度计整个系统中，此外，它还非常适合非合作目标的测量。