空間激光干涉測距系統(tǒng)是空間引力波探測的關(guān)鍵技術(shù)之一,是獲取引力波科學(xué)信號的技術(shù)源頭。地面引力波測量由于受到地球引力的影響和尺度大小的限制,探測的引力波范圍主要集中在高頻,其靈敏度很難延伸至1Hz頻率以內(nèi)。如要了解更廣范圍的引力波及波源的性質(zhì),空間引力波探測是不二選擇。對于空間干涉測量系統(tǒng),為了降低系統(tǒng)光程耦合噪聲,需要在方案設(shè)計階段考慮噪聲抑制方法,并且要求光束具有較為嚴苛的絕對位置精度。同時,為保證系統(tǒng)能夠在軌正常工作,干涉測量平臺還應(yīng)具有足夠的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性以抵抗發(fā)射沖擊的破壞以及空間環(huán)境擾動的影響。因此,通過集成仿真手段指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和構(gòu)建是全局尋優(yōu)的關(guān)鍵。為發(fā)展我國空間引力波探測計劃,中國科學(xué)院正式提出并啟動了我國空間引力波探測“太極計劃”。本文以空間太極計劃技術(shù)驗證衛(wèi)星“太極1號”為研究對象,對其空間干涉測量平臺構(gòu)建過程中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,保證干涉測量系統(tǒng)在10 mHz-1Hz的目標頻段實現(xiàn)百皮米量級的位置測量精度,本文的主要研究工作如下:對空間干涉測量平臺的光學(xué)方案進行了原理分析與仿真計算,討論了影響系統(tǒng)光程穩(wěn)定性的相關(guān)噪聲,并通過合理的光學(xué)方案設(shè)計,對系統(tǒng)... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所)吉林省

【文章頁數(shù)】：161 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

激光干涉引力波觀測站(LIGO)鳥瞰圖

第1章緒論3到了諸多科學(xué)任務(wù)中。近年來，基于激光干涉測量技術(shù)的引力波探測逐漸成為了熱點研究。當前已經(jīng)開始運行的引力波探測平臺以地面為主，最為著名的則是在2016年宣布探測到引力波信號的LIGO探測器[19,20]，所達到的探測靈敏度為-2310。如圖1.1所示，LIGO干涉臂長為4km，共有兩臺，分別位于美國華盛頓州的漢福德（圖左）和路易斯安納州的利文斯通（圖左）。圖1.1激光干涉引力波觀測站(LIGO)鳥瞰圖[20]Figure1.1AerialviewoftheLaserInterferometryGravitationalWaveObservatory[20]圖1.2LIGO干涉測量原理簡圖Figure1.2LiGOInterferometryPrinciplesLIGO干涉測量原理可以簡化為一臺單次往返的邁克爾遜干涉儀[21-23]，如圖1.2所示。激光器提供的穩(wěn)頻激光，在分光鏡的分束作用下分別進入相互垂直的干涉臂，經(jīng)過干涉臂末端的反射鏡后，被返回到分光鏡合束并產(chǎn)生干涉。通過對干涉臂長進行精密調(diào)節(jié)，使探測器在初始工作狀態(tài)下的輸出信號為零。由于引力波的特殊極化性質(zhì)，當其經(jīng)過產(chǎn)生擾動時，探測器干涉臂長發(fā)生變化，由此導(dǎo)致

空間干涉測量平臺的構(gòu)建與集成仿真技術(shù)研究4光學(xué)鏈路產(chǎn)生了額外的光程差，從而引起微弱的信號波動，該信號的強度與所探測引力波信號的無量綱振幅呈線性相關(guān)。在LIGO的帶動作用下，國際上掀起了引力波探測高潮，到本世紀初，幾個大型激光干涉引力波探測器相繼建成使用[24]。如圖1.3所示，包括美國的LIGO在內(nèi)，具有代表性的還有法國與意大利合作的VIRGO[25]、英德合作的GEO600[26-28]以及日本的TAMA300[29,30]等，但受靈敏度限制，除LIGO外暫未有探測器發(fā)現(xiàn)引力波信號。圖1.3地面激光干涉探測器分布[24]Figure1.3Distributionofgroundlaserinterferencedetectors[24]受探測頻段的限制，研究人員逐漸開始考慮將引力波探測器從地面搬上太空。在諸多空間探測方案中，最具代表性的當屬由美國航天宇航局（NASA）和歐空局(ESA)合作開展的LISA（LaserInterferometerSpaceAntenna）項目，該方案的提出最早始于20世紀90年代，是當前世界上最為成熟的空間引力波探測項目。其星間干涉測量原理[3]如圖1.4所示，建立激光鏈路的兩端航天器分別載有獨立的干涉系統(tǒng)，通過望遠鏡發(fā)射和接受激光光束，最后根據(jù)檢測到的干涉信號的相位波動完成兩測試質(zhì)量距離改變量的測量。系統(tǒng)通過慣性傳感器和衛(wèi)星微推進器陣列，完成測量和抑制非保守力，保證測試質(zhì)量在敏感軸方向保持自由狀態(tài)。當引力波來臨時，將會引起星間呈自由懸浮狀態(tài)的測試質(zhì)量間的距離發(fā)生改變，從而導(dǎo)致干涉信號相位發(fā)生移動，根據(jù)信號反演便可完成對引力波的探測。

【參考文獻】：
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本文編號：3602625