（光学专业论文）等离子体羽流场的光学全息干涉度量技术研究.pdf

西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文等离子体羽流场的光学全息干涉度量技术研究摘要 电 推进中的微波等离子推进器 ( m i c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ，简称m p t )由 于具有比冲高、寿命长、体积小和污染轻等优点而广泛地引起航天器界的重视，针对其羽流场的检测成了至关重要的一部分。由于光学全息干涉计量术是一种可以对三维形变和位移过程进行可视化全场测量的光学检测方法，且具有全场、非接触、测量精度高以及不受测量物体 自 发光影响等优点， 在等离子体羽流场的检测中具有非常重要的意义。本文从理论和实验两部分探讨了全息干涉术及数字全息术对 mp t羽流场的检测，并利用计算机模拟了干涉条纹，验证了实验的结果。主要内容包括: ( 1 )概述了传统全息术及数字全息术的历史、发展、现状及优点，介绍了等离子体推进器的基本知识和等离子体诊断的各种方法。 针对等离子体羽流检测提出了利用光学检测的优势以及可行性。 ( 2 )介绍了全息干涉计量术的理论基础，通过公式推导了二次曝光干涉术的测量原 理， 并进一步介绍了 数字全息术的记录以 及再现原理。 接着介绍了数字全息术再现的数学基础一 离散傅里叶变换，详细阐述了数字全息图的记录与再现的基本原理。利用ma t l a b 编写了相应的程序 ，对记录的数字全息图进行分析处理。最后，给出了全息干涉术检测等离子体的理论基础。 ( 3 ) 分别利用马 赫一 曾 德干涉装置、 二次曝光干涉法及实时全息法等观察了等离子体羽流场对光程的影响， 都获得了基本相同的结果; 通过二次曝光实验记录了等离子体羽流场的全息干涉图。接着利用数字全息干涉术记录了数字全息干涉图，通过程序处理直接得到相位差，由此计算出羽流场的电子数密度:并通过相位倍增，增加了干涉条纹的密度，全场观察了条纹变化。在光学平台实验的基础上，针对真空箱中的特殊条件，设计了两套光路，可以在真空箱中进行全息干涉检测。 ( 4 )介绍了 ma t l a b语言的基础知识，ma t l a b实现光波波前以及实现光波的线性传输的方法， 并通过编写程序对各种不同的等离子体模型进行模拟， 得到了 柱状、球状及锥体时候的干涉图像， 并可以在干涉图像中加入参考干涉条纹， 可以直接得出相位差。并利用 ma t l a b编写了程序界面，可以方便的操作和运用。关键词: 全 息 干 涉 ， 数 字 全息 术， 相 位 倍增 ， 微 波 等离 子 体 推 进 器， 羽 流 场， 电 子 数密度，ma t l a b航空基础科学基金资助项日( 项日号: 0 2 1 5 3 0 7 5 )丝摘 要 d i a g n o s i n g mi c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r s p l u m e b y h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e t r y ab s t r a c t m i c r o w a v e p l a s m a t h rus t e r ( m p t ) o f e l e c t r o n t h ru s te r h a s s o m any a d v a n t a g e s , s u c h as h i g h s p e c if i ci m p u l s e , l o n g lo n g e v i t y , s m a l l c u b a g e and l i t t l e p o l l u t i o n , i t t h u s i s a t t a c h e d g r e a t i m p o rt a n c e b ya s tr o n a u t ic s t o d i a g n o s e t h e p l u m e . a s h o l o g r a p h y in t e r f e r o m e tr y h a s m o re o u ts t a n d i n g s t ro n g p o i n t s a n db e t t e r a d v a n t a g e s f o r p h a s i c f ie l d , s u c h a s a l l f ie ld , n o n c o n ta c t , a n d h i g h p r e c i s io n and n o n - d i s t u r b a n c e b yp l a s m a l u m i n e s c e n c e , it i s an e ff e c ti v e m e a n s i n t h e p l a s m a n u m b e r d e n s i t y o f e l e c tr o n i c d i a g n o s i s a n d i sv e r y m e a n i n g f u l i n d i a g n o s in g t h e m p t s p lu m e . t h i s d i s s e r t a t i o n h a s p r o b e d i n t o d i a g n o s i n g t h e m p t sp l u m e o f h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o m e tr y an d d ig i t a l h o l o g r a p h i c fr o m t w o p a r e o f t h e f u n d a m e n ta l t h e o r yand e x p e r i m e n t ， a n d t h e i n t e r v e n e d s t r i p e s i mu l a t e d b y ma t l ab p r o g r a m ; t w o s e t u p s a r e d e s i g n e d t od i a g n o s e t h e mp t s p l u me i n t h e v a c u u m b o x . t h e m a i n c o n t e n t i s a s f o l l o w s : ( 1 ) h is t o r y , e v o l u t i o n , s t a t u s q u o a n d a d v a n t a g e o f h o l o g r a p h ic a n d d i g i ta l h o l o g r a p h i c a r es u m ma r i z e d , t h e b a s i c i n f o r ma t i o n o f mp t a n d m e t h o d s o f d i a g n o s i n g p l a s m a i s p r e s e n t e d . i t i s s h o w n t h a tt h e o p ti c a l d i a g n o s i n g p l a s m a i s a n e f f e c ti v e m e t h o d f o r d i a g n o s i n g mp t p l a s ma s p l u m e . ( 2 ) f o u n d a t i o n t h e o ry o f h o l o g r a p h i c i n t e r f e r o me t ry i s p r e s e n t e d , t h e o r y o f d o u b le - e x p o s e dh o lo g r a p h i c i n t e r f e r o me t r y i s d e d u c e d b y f o r m u l a , a n d th e o r y o f r e c o r d i n g a n d r e a p p e a r a n c e d i g i t a lh o lo g r a p h y i s i n tr o d u c e d . a n a l y t i c a l f o u n d a ti o n s f o r n u m e r i c a l r e c o n s t r u c t i o n o f d i g i t a l h o l o g r a p h y ,n a m e l y d is c r e t e f o u r i e r tr a n s f o r m t h e o ry, i s a l s o s h o w e d i n t h i s d i s s e rt a t i o n . d i g it a l h o lo g r a p h y i s a n a ly z e db y m a t l a b p r o g r a m . l a s t l y , t h e f o u n d a t i o n t h e o r y o f in t e r f e r o m e t ry d i a g n o s i n g p l a s m a i s p r e s e n t e d . ( 3 ) o p t i c a l d i s t a n c e d i s t u r b e d b y t h e p l a s m a s p l u m e f ie l d is o b s e r v e d b y m a c h - z e h n d e r i n t e r f e r e n c e ,d o u b le - e x p o s e d h o lo g r a p h y , a n d r e a l t i m e h o l o g r a p h y - - - - a l l g e t t h e s i m i l a r r e s u l t . h o l o g r a p h i c o f t h ep l a s m a s p l u m e i s r e c o r d e d b y d o u b l e - e x p o s e d h o l o g r a p h i c e x p e r i m e n t a ti o n . p i c t u r e o f d i g i t a l h o l o g r a p h yi s r e c o r d e d b y d i g i t a l h o l o g r a p h ic i n t e r f e r o m e tr y , a n d p h a s i c d iff e r e n c e i s d i r e c t l y g a i n e d b y n u m e r i c a l l yr e c o n s t r u c t in g , f r o m w h i c h t h e e l e c t r o n d e n s i t y i s a l s o c a lc u la t e d . b y e mp l o y i n g th e p h a s e m u l t ip l i c a t i o nm e t h o d , t h e f r i n g e d e n s it y o f t h e i n t e r f e r e n c e p a t t e r n o b t a i n e d b y d i g i t a l h o l o g r a m w a s m u l t i p l i e d t o r e v e a lt h e r e f r a c t i v e i n d e x d i s t r i b u t i o n o f t h e p l u m e f i e l d m o r e i n t u i ti v e l y . b a s e o n t h e e x p e r i m e n t o n t h e o p t i c a lt a b l e , t w o s e t u p s a r e d e s i g n e d t o d i a g n o s e p l u m e in v a c u u m b o x . ( 4 ) f o u n d a t i o n i n f o r m a t io n o f ma t l a b p r o g r a m i s p r e s e n t e d . l i g h t w a v e fr o n t a n d l i g h t w a v el i n e a r i t y t r a n s f e r a r e s i m u l a t e d b y u s i n g m a t l a b . a n d t h e p o le , g l o b o s i t y a n d c o n e p la s m a f i e l di n t e r f e r e n c e f i g u re s a r e s i m u l a t e d b y m a t l a b , a n d re f e r e n c e f r i n g e i s a d d e d to t h e i n t e r f e r e n c e . g r a p hu s e r in t e r f a c e i s p r o g r a m me d f o r t h e s i m u l a t i o n o f t h e o p ti c a l e x p e r i m e n t .k e y w o r d s : h o l o g r a p h y i n t e r f e r o m e tr y ; d i g it a l h o l o g r a p h y ; p h a s e m u l t i p l ic a t i o n ; m i c r o w a v e p l a s m at h s t e r ; p lu m e s f i e l d ; e l e c t r o n d e n s i t y ; ma t l a bs u p p o r te d b y t h e s c i e n c e f o u n d a t i o n o f c h i n a u n d e r g r a n tno . 0 2 1 5 3 0 7 5西 北 工业 大 学硕 士 学位 论 文第一章绪论全息术的基本知识1 . 1 . 1全息术及 其发展 全息术是利用光的干涉和衍射原理， 将物体发射的 特定光波以干涉条纹的 形式 记录下来， 并在一定条件下使其再现， 形成原物体逼真的立体像。由 于记录了 物体的全部 信息 ( 振幅和相位) ，因此称为全息术或全息照相。 全息术是由英国科学家丹尼斯功 口 伯 ( d e n n i s g a b o r ) 1 2 1 在 1 9 4 8 年为提高电子显微镜的 分辨率， 在布喇格 ( b r a g g ) 和泽尼克 ( z e r n i k e )工作基础上提出的。他指出 ，可将相干参考光波叠 加到 物光波上形成干涉图样。 此干涉图 样可以记录在底片上， 对底片显影并适当照明， 则光波经其衍射后， 获得与原物光波相同的信息， 从 而获得包含物体全部信息的三维像。 其实验思想符合同轴全息的相关原理。但是由于没有足够强的相干光源， 无 法消除同 轴全息图的“ 孪生像” ， 这使得全息术的发展一度停滞不前。 直到 1 9 6 0年 高 度 相 干 性 和 大 强 度 的 激 光 光 源出 现， 以 及 1 9 6 2 年 利思 ( l e it h ) 和 乌 帕 特 尼 克 斯 ( u p a tn ie k s ) 14 1提出 离 轴全 息 图以 后， 全 息 术的 研 究 才进 入 一 个 新阶 段 。 相 继出 现了 多种全息方 法，开 辟了全息应用的新领域，成为光学的一个重要分支。 全息术的发展到现在可以分成四代，第一代是用水银灯记录同轴全息图，这是全息图的萌芽时期。其主要问题是再现原始像和共扼像不能分离，以及没有好的相干光源。第二代是用激光记录，激光再现;以及利思和乌帕特尼克斯提出离轴全息图，把原始像和共扼像分离。第三代是激光记录白光再现的全息图，主要有反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息，使全息图在显示方面展现出其优越性。第四代是用白光记录。2全息干涉计量术的发展 应用离轴全息可以产生漫反射物体的三维像，其上可能出现一些覆盖着的干涉条纹。这些条纹表征着物体的形变、位移或转动。同样，对透明物体也可以形成表征折射率或物体厚度变化的条纹图。这种干涉度量的类型是可能的。因为，物体散射的光波能用全息摄影法记录和再现， 而精度可达到它与同一个物体在另一个时间所散射的光进行干 涉比较。 换句话说， 它能与该物体散射光的第二次再现波进行干涉比 较。因 此， 全息干涉度量定义为两个或两个以上波的干涉度量比较， 而这些波中至少有一个是全息再现波。这种两个或两个以上波的合成叫做全息干涉图。 将全息术用于干涉 度量a 先是由 m. h . 霍尔曼 ( m . h . h o r m a n ) i s 提出的，他描述了用一个全息图元件代替马赫曾德干涉仪中的测试环节。1 9 6 5年 r . l . 鲍威尔和 k . a . 斯特西 北 工业 大 学硕 士 学位 论 文第一章绪论全息术的基本知识1 . 1 . 1全息术及 其发展 全息术是利用光的干涉和衍射原理， 将物体发射的 特定光波以干涉条纹的 形式 记录下来， 并在一定条件下使其再现， 形成原物体逼真的立体像。由 于记录了 物体的全部 信息 ( 振幅和相位) ，因此称为全息术或全息照相。 全息术是由英国科学家丹尼斯功 口 伯 ( d e n n i s g a b o r ) 1 2 1 在 1 9 4 8 年为提高电子显微镜的 分辨率， 在布喇格 ( b r a g g ) 和泽尼克 ( z e r n i k e )工作基础上提出的。他指出 ，可将相干参考光波叠 加到 物光波上形成干涉图样。 此干涉图 样可以记录在底片上， 对底片显影并适当照明， 则光波经其衍射后， 获得与原物光波相同的信息， 从 而获得包含物体全部信息的三维像。 其实验思想符合同轴全息的相关原理。但是由于没有足够强的相干光源， 无 法消除同 轴全息图的“ 孪生像” ， 这使得全息术的发展一度停滞不前。 直到 1 9 6 0年 高 度 相 干 性 和 大 强 度 的 激 光 光 源出 现， 以 及 1 9 6 2 年 利思 ( l e it h ) 和 乌 帕 特 尼 克 斯 ( u p a tn ie k s ) 14 1提出 离 轴全 息 图以 后， 全 息 术的 研 究 才进 入 一 个 新阶 段 。 相 继出 现了 多种全息方 法，开 辟了全息应用的新领域，成为光学的一个重要分支。 全息术的发展到现在可以分成四代，第一代是用水银灯记录同轴全息图，这是全息图的萌芽时期。其主要问题是再现原始像和共扼像不能分离，以及没有好的相干光源。第二代是用激光记录，激光再现;以及利思和乌帕特尼克斯提出离轴全息图，把原始像和共扼像分离。第三代是激光记录白光再现的全息图，主要有反射全息、像全息、彩虹全息及合成全息，使全息图在显示方面展现出其优越性。第四代是用白光记录。2全息干涉计量术的发展 应用离轴全息可以产生漫反射物体的三维像，其上可能出现一些覆盖着的干涉条纹。这些条纹表征着物体的形变、位移或转动。同样，对透明物体也可以形成表征折射率或物体厚度变化的条纹图。这种干涉度量的类型是可能的。因为，物体散射的光波能用全息摄影法记录和再现， 而精度可达到它与同一个物体在另一个时间所散射的光进行干 涉比较。 换句话说， 它能与该物体散射光的第二次再现波进行干涉比 较。因 此， 全息干涉度量定义为两个或两个以上波的干涉度量比较， 而这些波中至少有一个是全息再现波。这种两个或两个以上波的合成叫做全息干涉图。 将全息术用于干涉 度量a 先是由 m. h . 霍尔曼 ( m . h . h o r m a n ) i s 提出的，他描述了用一个全息图元件代替马赫曾德干涉仪中的测试环节。1 9 6 5年 r . l . 鲍威尔和 k . a . 斯特第 一 章绪 论森于 1 9 6 5 年3月发表的论文中， 在有关振动分析部分提出了 漫射物体的全息干涉度量术。随后有对其进行了详细的说明。继而，二次曝光和实时全息干涉度量术的工作彼此独立地在几个实验室中间进行，并发表在 1 9 6 5年夏季和秋季的口头上宣读的或交付的论文中。其中包括r . j . 科利尔、 e . t . 多尔蒂、k . a . 埃特森6 1 , k . s 彭宁顿7 1 , j . m ， 伯奇 s 1r . l . 鲍威尔 9 1 , k . a . 海恩斯和 b . p . 希尔德布来德 10 1 。 他们研究过漫散射物体的 形变和位移。 l .o . 赫弗林格、 r .f .沃尔克和 r .e . 布鲁斯特 1 1, 1 2 1 ， 将这种方法应用于空气动力学的测量中。 1 9 6 5 年， d 加柏等人介绍了 全息 相加和 全息相 减技术， 它和全息干涉度量术是等效的。需要指出的是， j .m， 伯奇和d . a . 帕尔默 ( d . a .p a l m e r )早期关于用两个 摄像记录光 栅形成莫尔条纹的工作和全息千涉度量的概念非常接近。 传统的全息干涉计量术主要有静态二次曝光法、 动态时间平均法和实时法、全息剪切干涉术、双参考光全息干涉术等。其中，二次曝光法是将初始物光波面与变化以后的物光波面相比较。在记录过程中对一张全息干板作两次曝光，一次记录初始物光波的全息图;一次记录变化以后的物光波的全息图。这两张全息图记录在同一张千板上， 记录时顺序也可以颠倒。当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的， 可以观测到它们之间的干涉条纹。 通过干涉条纹的分布情况， 可以了解波面的变化。而实时法是对物体曝光一次， 经显影处理后在原来摄影装置中准确复位， 再现全息图时，再现像重叠在原来物体上， 若物体 稍有位移或变形，就可以 看到干涉条纹，由 于这 种干涉计量方法是即刻发生的，因 而称为实时全息干涉计量法。 可以 看出， 实时全息干涉计量中干板的准确复位非常重要， 这 给实际操作带来了一定的 难度。 为此， 科学家们先后提出了用热塑记录材料、光折变晶体材料和多量子阱记录材料等来代替化学千板，以改善 记 录 条 件， 达 到 快 速 反应 的 能 力 11 311 . 1 . 3数字全息干涉术的发展 计算机的诞生及相关技术的完善使得全息图 的数字记录和再 现过程成为可能。 1 9 6 7年， g o o d m a n 等人 1 4 , 1 5 1 提出了 利用电子技术、 计算机技术以实现光学全息图的记录与再现的 设 想 了 。 1 9 7 1 年， t . h u a n g 16 1在 一篇 介 绍 二 十 世纪6 0 年 代到7 0 年 代早 期 数 字 计算 机用于 波场分析所取得的 进展时，首先提出了 “ 数字全息术”( d i g i t a l h o l o g r a p h y )一 词。 7 0 年代初期， y a r o l a c s k 砂7 - 1 9 1 等人开始 进行数字全息图的数值重建工作。 8 0 年代，o n u r a l 和s c o t t 1 2 0 , 2 1 改进重建算法并用于粒子测量。 1 9 9 2 年h a d d a d 2 2 给出了 基于傅立叶变 换 全 息图 数 值重 建 的 全 息显 微技 术。 1 9 9 3 年s c h n a r s 和j u p t n e r 23 .24 !利 用电 荷 祸合 器 件( c h a r g e c o u p l i n g d e v i c e , 缩写为c c d ) 直 接记 录并 用计算 机数值再现菲涅耳全息图， 使得全息图的记录和再现完全数字化，从而大大的推进了数字全息术的发展。 数字全息术的发展是与计算机和电子图 像传感器件的发展密不可分， 由 于一直受到电子技术、计算机技术相对滞后的限制，数字全息重建的良好构想一直难以实现。 近年第 一 章绪 论森于 1 9 6 5 年3月发表的论文中， 在有关振动分析部分提出了 漫射物体的全息干涉度量术。随后有对其进行了详细的说明。继而，二次曝光和实时全息干涉度量术的工作彼此独立地在几个实验室中间进行，并发表在 1 9 6 5年夏季和秋季的口头上宣读的或交付的论文中。其中包括r . j . 科利尔、 e . t . 多尔蒂、k . a . 埃特森6 1 , k . s 彭宁顿7 1 , j . m ， 伯奇 s 1r . l . 鲍威尔 9 1 , k . a . 海恩斯和 b . p . 希尔德布来德 10 1 。 他们研究过漫散射物体的 形变和位移。 l .o . 赫弗林格、 r .f .沃尔克和 r .e . 布鲁斯特 1 1, 1 2 1 ， 将这种方法应用于空气动力学的测量中。 1 9 6 5 年， d 加柏等人介绍了 全息 相加和 全息相 减技术， 它和全息干涉度量术是等效的。需要指出的是， j .m， 伯奇和d . a . 帕尔默 ( d . a .p a l m e r )早期关于用两个 摄像记录光 栅形成莫尔条纹的工作和全息千涉度量的概念非常接近。 传统的全息干涉计量术主要有静态二次曝光法、 动态时间平均法和实时法、全息剪切干涉术、双参考光全息干涉术等。其中，二次曝光法是将初始物光波面与变化以后的物光波面相比较。在记录过程中对一张全息干板作两次曝光，一次记录初始物光波的全息图;一次记录变化以后的物光波的全息图。这两张全息图记录在同一张千板上， 记录时顺序也可以颠倒。当用照明光波再现时，可再现出两个物光波面，这两个波面是相干的， 可以观测到它们之间的干涉条纹。 通过干涉条纹的分布情况， 可以了解波面的变化。而实时法是对物体曝光一次， 经显影处理后在原来摄影装置中准确复位， 再现全息图时，再现像重叠在原来物体上， 若物体 稍有位移或变形，就可以 看到干涉条纹，由 于这 种干涉计量方法是即刻发生的，因 而称为实时全息干涉计量法。 可以 看出， 实时全息干涉计量中干板的准确复位非常重要， 这 给实际操作带来了一定的 难度。 为此， 科学家们先后提出了用热塑记录材料、光折变晶体材料和多量子阱记录材料等来代替化学千板，以改善 记 录 条 件， 达 到 快 速 反应 的 能 力 11 311 . 1 . 3数字全息干涉术的发展 计算机的诞生及相关技术的完善使得全息图 的数字记录和再 现过程成为可能。 1 9 6 7年， g o o d m a n 等人 1 4 , 1 5 1 提出了 利用电子技术、 计算机技术以实现光学全息图的记录与再现的 设 想 了 。 1 9 7 1 年， t . h u a n g 16 1在 一篇 介 绍 二 十 世纪6 0 年 代到7 0 年 代早 期 数 字 计算 机用于 波场分析所取得的 进展时，首先提出了 “ 数字全息术”( d i g i t a l h o l o g r a p h y )一 词。 7 0 年代初期， y a r o l a c s k 砂7 - 1 9 1 等人开始 进行数字全息图的数值重建工作。 8 0 年代，o n u r a l 和s c o t t 1 2 0 , 2 1 改进重建算法并用于粒子测量。 1 9 9 2 年h a d d a d 2 2 给出了 基于傅立叶变 换 全 息图 数 值重 建 的 全 息显 微技 术。 1 9 9 3 年s c h n a r s 和j u p t n e r 23 .24 !利 用电 荷 祸合 器 件( c h a r g e c o u p l i n g d e v i c e , 缩写为c c d ) 直 接记 录并 用计算 机数值再现菲涅耳全息图， 使得全息图的记录和再现完全数字化，从而大大的推进了数字全息术的发展。 数字全息术的发展是与计算机和电子图 像传感器件的发展密不可分， 由 于一直受到电子技术、计算机技术相对滞后的限制，数字全息重建的良好构想一直难以实现。 近年西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文来，高分辨率 c c d、高速计算机及数字图像处理技术的发展，极大的解决了全息图的高速及高分辨率数字化处理中的难题， 从而大大促进了数字全息术的迅猛发展和实际应用1 2 5 1 总的 来说， 传统全息干涉术的思路是， 通过获取物场不同状态下的 干涉强度图 样数据，然后分析干涉强度图样数据得到物场的变化情况，其缺点是不能分别给出物场的两种状态， 无法直接给出 干涉相 位差。 数字全息干涉术可以利用电 子数据采集系统的 序列采集功能，分别获取反映物场不同状态下的全息图，然后数值再现， 直接给出不同状态下物光分布以及干涉相位差和全息干涉图。 数字全息干涉术实时地将全息图数据传送到计算机中， 配合计算机图像处理系统进行快速数据处理，是一种真正意义上的实时测量方法。随着 c c d等光电探测器以及计算机技术的不断改进，数字全息干涉技术将毫无争议地成为全息 干涉技术的 主要发展方向 。 数字全息 干涉术一般具有全场、灵敏、 非接触、非 破坏、 精度高等特点， 可用于非破坏检测与评估、流场分析、燃烧分析、等离子诊断、固体的应力应变等分析、振动分析等。随 着工业技术的长足进步，用全息干涉的 方法分 析微电子元件材料的各种力学热学参数 ( 如泊 松系数、 杨氏 模量、 热膨胀系数)己 成为人们尤其关注的方向 2 6 - 2 8 11 . 2微波等离子体推进器的基本介绍 微波等离子体推进器 ( m i c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ， 简称mp t ) 属于电 推进的一种，主要是利用微波在谐振腔中击穿惰性气体 ( 如氢气、氦气等) ，形成等离子体，然后以一定的初速度由喷口喷出，形成相反的推力，由于其推力很小，所以也称之为微推进，其主要用途为调节航天器的飞行姿态以及飞行轨道。1 . 2 . 1电 推进的发展现状 国 外几乎所有大的推进系统供应厂家都在进行电推进系统的 研究2 9 ,3 0 1 ， 几乎所有卫星制造l a l 都在准备将电推进系统应用到他们的 卫星上， 因为电 推进系统具有比 冲高、 寿命长 、 脉冲冲量小等优点。 近几年来， 国内也有人一直从事这方面的理论探索和试验技术 研究，先后进行了me t可行性论证1 3 1 1 、 试验技术设计 3 2 1 、谐振腔内 流场理论计算和等离子体 特性分析等。目 前正在进行地面试验系 统的组建和内、 外流场的模拟计算。 根据能量转换的方式，电推力器可基本分为三类:电热型、静电型和电磁型。属于电 热 型 的目 前 主 要 有: 电 阻 加 热 喷 气 推 力 器( r e s is t o j e t ) 、 电 弧 加 热 喷气 推 力 器( a r c j e t )和微波等离子推力器 ( mi c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ) ;属于静电型的主要有:霍尔效应推力 器 ( h a l l t h r u s t e r ) 、离子发动机 ( i o n e n g i n e ) 、 场效应静电推力器 ( f e e p ) 和胶质离子发动机: 属于电磁型的主要有:脉冲等离子推力器 ( p p t ) 、自身场磁等离子推力器和西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文来，高分辨率 c c d、高速计算机及数字图像处理技术的发展，极大的解决了全息图的高速及高分辨率数字化处理中的难题， 从而大大促进了数字全息术的迅猛发展和实际应用1 2 5 1 总的 来说， 传统全息干涉术的思路是， 通过获取物场不同状态下的 干涉强度图 样数据，然后分析干涉强度图样数据得到物场的变化情况，其缺点是不能分别给出物场的两种状态， 无法直接给出 干涉相 位差。 数字全息干涉术可以利用电 子数据采集系统的 序列采集功能，分别获取反映物场不同状态下的全息图，然后数值再现， 直接给出不同状态下物光分布以及干涉相位差和全息干涉图。 数字全息干涉术实时地将全息图数据传送到计算机中， 配合计算机图像处理系统进行快速数据处理，是一种真正意义上的实时测量方法。随着 c c d等光电探测器以及计算机技术的不断改进，数字全息干涉技术将毫无争议地成为全息 干涉技术的 主要发展方向 。 数字全息 干涉术一般具有全场、灵敏、 非接触、非 破坏、 精度高等特点， 可用于非破坏检测与评估、流场分析、燃烧分析、等离子诊断、固体的应力应变等分析、振动分析等。随 着工业技术的长足进步，用全息干涉的 方法分 析微电子元件材料的各种力学热学参数 ( 如泊 松系数、 杨氏 模量、 热膨胀系数)己 成为人们尤其关注的方向 2 6 - 2 8 11 . 2微波等离子体推进器的基本介绍 微波等离子体推进器 ( m i c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ， 简称mp t ) 属于电 推进的一种，主要是利用微波在谐振腔中击穿惰性气体 ( 如氢气、氦气等) ，形成等离子体，然后以一定的初速度由喷口喷出，形成相反的推力，由于其推力很小，所以也称之为微推进，其主要用途为调节航天器的飞行姿态以及飞行轨道。1 . 2 . 1电 推进的发展现状 国 外几乎所有大的推进系统供应厂家都在进行电推进系统的 研究2 9 ,3 0 1 ， 几乎所有卫星制造l a l 都在准备将电推进系统应用到他们的 卫星上， 因为电 推进系统具有比 冲高、 寿命长 、 脉冲冲量小等优点。 近几年来， 国内也有人一直从事这方面的理论探索和试验技术 研究，先后进行了me t可行性论证1 3 1 1 、 试验技术设计 3 2 1 、谐振腔内 流场理论计算和等离子体 特性分析等。目 前正在进行地面试验系 统的组建和内、 外流场的模拟计算。 根据能量转换的方式，电推力器可基本分为三类:电热型、静电型和电磁型。属于电 热 型 的目 前 主 要 有: 电 阻 加 热 喷 气 推 力 器( r e s is t o j e t ) 、 电 弧 加 热 喷气 推 力 器( a r c j e t )和微波等离子推力器 ( mi c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ) ;属于静电型的主要有:霍尔效应推力 器 ( h a l l t h r u s t e r ) 、离子发动机 ( i o n e n g i n e ) 、 场效应静电推力器 ( f e e p ) 和胶质离子发动机: 属于电磁型的主要有:脉冲等离子推力器 ( p p t ) 、自身场磁等离子推力器和西 北 工 业 大 学 硕 士 学 位 论 文来，高分辨率 c c d、高速计算机及数字图像处理技术的发展，极大的解决了全息图的高速及高分辨率数字化处理中的难题， 从而大大促进了数字全息术的迅猛发展和实际应用1 2 5 1 总的 来说， 传统全息干涉术的思路是， 通过获取物场不同状态下的 干涉强度图 样数据，然后分析干涉强度图样数据得到物场的变化情况，其缺点是不能分别给出物场的两种状态， 无法直接给出 干涉相 位差。 数字全息干涉术可以利用电 子数据采集系统的 序列采集功能，分别获取反映物场不同状态下的全息图，然后数值再现， 直接给出不同状态下物光分布以及干涉相位差和全息干涉图。 数字全息干涉术实时地将全息图数据传送到计算机中， 配合计算机图像处理系统进行快速数据处理，是一种真正意义上的实时测量方法。随着 c c d等光电探测器以及计算机技术的不断改进，数字全息干涉技术将毫无争议地成为全息 干涉技术的 主要发展方向 。 数字全息 干涉术一般具有全场、灵敏、 非接触、非 破坏、 精度高等特点， 可用于非破坏检测与评估、流场分析、燃烧分析、等离子诊断、固体的应力应变等分析、振动分析等。随 着工业技术的长足进步，用全息干涉的 方法分 析微电子元件材料的各种力学热学参数 ( 如泊 松系数、 杨氏 模量、 热膨胀系数)己 成为人们尤其关注的方向 2 6 - 2 8 11 . 2微波等离子体推进器的基本介绍 微波等离子体推进器 ( m i c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ， 简称mp t ) 属于电 推进的一种，主要是利用微波在谐振腔中击穿惰性气体 ( 如氢气、氦气等) ，形成等离子体，然后以一定的初速度由喷口喷出，形成相反的推力，由于其推力很小，所以也称之为微推进，其主要用途为调节航天器的飞行姿态以及飞行轨道。1 . 2 . 1电 推进的发展现状 国 外几乎所有大的推进系统供应厂家都在进行电推进系统的 研究2 9 ,3 0 1 ， 几乎所有卫星制造l a l 都在准备将电推进系统应用到他们的 卫星上， 因为电 推进系统具有比 冲高、 寿命长 、 脉冲冲量小等优点。 近几年来， 国内也有人一直从事这方面的理论探索和试验技术 研究，先后进行了me t可行性论证1 3 1 1 、 试验技术设计 3 2 1 、谐振腔内 流场理论计算和等离子体 特性分析等。目 前正在进行地面试验系 统的组建和内、 外流场的模拟计算。 根据能量转换的方式，电推力器可基本分为三类:电热型、静电型和电磁型。属于电 热 型 的目 前 主 要 有: 电 阻 加 热 喷 气 推 力 器( r e s is t o j e t ) 、 电 弧 加 热 喷气 推 力 器( a r c j e t )和微波等离子推力器 ( mi c r o w a v e p l a s m a t h r u s t e r ) ;属于静电型的主要有:霍尔效应推力 器 ( h a l l t h r u s t e r ) 、离子发动机 ( i o n e n g i n e ) 、 场效应静电推力器 ( f e e p ) 和胶质离子发动机: 属于电磁型的主要有:脉冲等离子推力器 ( p p t ) 、自身场磁等离子推力器和第 一 章绪 论附加场磁等离子推力器 ( mp d) o 美国是世界上电推进研究最积极的国家，在美国，除了 n a s a直属的研究中心外，海军和空军的实验室、 各大卫星制造商、大学及其所属研究所都在利用各 自的优势从事电 推 进的 研究3 3 ,3 4 1 ， 其研究范围几乎覆盖了 所有类型的电 推力器， n a s a是主 要的倡导者和协调者。在电磁推力器方面， n a s a主要集中于脉冲等离子推力器 ( p p t )的研究;在静电推力器方面， 离子发动机 ( i o n )是美国的重点，并于 1 9 9 8 年 1 0月 发射了 第一颗以离子发动机系统为主推进的卫星 “ 深空一号” ( d s - 1 ) ，标志着电推进的应用进入了一个新阶段;在电热推力器方面，以r e s i s t o j e t 和a r c j e t 为主， 仅 1 9 9 7 年一年里， 共发射了7 8 个使用电热型推力器系统的 航天器，由 此可见，美国电 热式r e s i s t o j e t 和a r c j e t推力器的研制已进入大规模实用阶段。 微波等离子推力器是电热式推力器的一种，是美国二十世纪 8 0年代初崭露头角的跨学科新概念、新技术，密西根州立大学、宾夕法尼亚州立大学和普林斯顿大学开展了有关微波等离子推力器方面的研究， 其中以宾夕法尼亚州立大学的研究最有成效，目前的研究状态为向空间应用过渡。 在俄罗斯，电推进的研究与开发计划开始于 4 0余年前，在这一阶段，实际上对所有类型的电推力器在很大功率范围内都进行了开发与研究，但在稳态等离子体推力器 ( s p t )的 开发中取得了 最大的成功。世界上第一个得到 实际应用的电 推力器是俄罗斯的s p t ( 1 9 7 2 年) ，到目前为止己有 1 0 0多台用在了俄罗斯的卫星上。s p t的空间飞行经历证明了它的可靠性、 地面实验结果与空间特征的良 好一致性以及与其它卫星系统的相容性。由于 s p t的巨大成功，该类推力器构成了俄罗斯宇航局电推进研究计划的基础，并引起了美国和欧空局的关注，促进了国际间的合作研究。今后俄罗斯的研究重点是将s p t推力器从0 .5 k w- 1 . 5 k w 向下扩展到 1 0 0 - 5 0 o w，向上扩展到 l o k w o 在欧洲各国，电推进的应用起步较晚，但现在他们 已经意识到了电推进对未来欧洲航天工业的重要性，欧空局 e s a )和一些欧洲国家的航天局决定支持电推进技术的研究，并将其列为尖端技术之一3 5 1 。 法国 根据俄罗斯s p t 1 0 0 研制的p p s - 1 3 5 0 霍尔 推力器用于2 0 0 0年发射的s t e n t o r 卫星上; e s a在2 0 0 0年发射的a r t e mi s 卫星上应用英国研制的u k - 1 0 , r i t - 1 0 氛离子推力器 3 6 1 。 同时欧 共体 还制定了一系列以电 推进为 基础的 空间科学观测与研究计划， 如: 与美国“ 新盛世” 竟 d s - 1 相似的新技术验证任务 s ma r t - 1任务、探测水星的 “ 水星奠基石”任务、测量银河系天体距离的g a i a任务、进行天文观测的高精度干涉仪 “ 达尔文”任务等。 日 本在 1 9 9 5年完成了以 脐为燃料的a r c j e t 推力 器的航天飞 机实 验。日 本宇宙 科学研究所 ( i s a s )在电推进技术方面进行了 3 0多年的研究，其研制的 mp d型电弧推力器己在 s f u上通过了空间在轨测试。 我国在二十世纪 6 0年代初就开始了电推进研究，并取得了一定的成果，但后来就西北 工 业 大 学硕 士 学位 论 文中断了。如今面对世界航天领域电推进如火如茶的局面，于 9 0年代初，又重新开始了我国电推力器系统及其相关关键技术的预研和攻关。 从事电推进研究的主要单位有:中国科学院空间科学与应用研究中心、中国空间技术