空间干涉测量平台的构建与集成仿真技术研究
发布时间：2022-01-22 17:39
空间激光干涉测距系统是空间引力波探测的关键技术之一,是获取引力波科学信号的技术源头。地面引力波测量由于受到地球引力的影响和尺度大小的限制,探测的引力波范围主要集中在高频,其灵敏度很难延伸至1Hz频率以内。如要了解更广范围的引力波及波源的性质,空间引力波探测是不二选择。对于空间干涉测量系统,为了降低系统光程耦合噪声,需要在方案设计阶段考虑噪声抑制方法,并且要求光束具有较为严苛的绝对位置精度。同时,为保证系统能够在轨正常工作,干涉测量平台还应具有足够的结构强度和稳定性以抵抗发射冲击的破坏以及空间环境扰动的影响。因此,通过集成仿真手段指导系统优化设计和构建是全局寻优的关键。为发展我国空间引力波探测计划,中国科学院正式提出并启动了我国空间引力波探测“太极计划”。本文以空间太极计划技术验证卫星“太极1号”为研究对象,对其空间干涉测量平台构建过程中所涉及到的关键技术进行了研究,保证干涉测量系统在10 mHz-1Hz的目标频段实现百皮米量级的位置测量精度,本文的主要研究工作如下:对空间干涉测量平台的光学方案进行了原理分析与仿真计算,讨论了影响系统光程稳定性的相关噪声,并通过合理的光学方案设计,对系统...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光干涉引力波观测站(LIGO)鸟瞰图
第1章绪论3到了诸多科学任务中。近年来，基于激光干涉测量技术的引力波探测逐渐成为了热点研究。当前已经开始运行的引力波探测平台以地面为主，最为著名的则是在2016年宣布探测到引力波信号的LIGO探测器[19,20]，所达到的探测灵敏度为-2310。如图1.1所示，LIGO干涉臂长为4km，共有两台，分别位于美国华盛顿州的汉福德（图左）和路易斯安纳州的利文斯通（图左）。图1.1激光干涉引力波观测站(LIGO)鸟瞰图[20]Figure1.1AerialviewoftheLaserInterferometryGravitationalWaveObservatory[20]图1.2LIGO干涉测量原理简图Figure1.2LiGOInterferometryPrinciplesLIGO干涉测量原理可以简化为一台单次往返的迈克尔逊干涉仪[21-23]，如图1.2所示。激光器提供的稳频激光，在分光镜的分束作用下分别进入相互垂直的干涉臂，经过干涉臂末端的反射镜后，被返回到分光镜合束并产生干涉。通过对干涉臂长进行精密调节，使探测器在初始工作状态下的输出信号为零。由于引力波的特殊极化性质，当其经过产生扰动时，探测器干涉臂长发生变化，由此导致
空间干涉测量平台的构建与集成仿真技术研究4光学链路产生了额外的光程差，从而引起微弱的信号波动，该信号的强度与所探测引力波信号的无量纲振幅呈线性相关。在LIGO的带动作用下，国际上掀起了引力波探测高潮，到本世纪初，几个大型激光干涉引力波探测器相继建成使用[24]。如图1.3所示，包括美国的LIGO在内，具有代表性的还有法国与意大利合作的VIRGO[25]、英德合作的GEO600[26-28]以及日本的TAMA300[29,30]等，但受灵敏度限制，除LIGO外暂未有探测器发现引力波信号。图1.3地面激光干涉探测器分布[24]Figure1.3Distributionofgroundlaserinterferencedetectors[24]受探测频段的限制，研究人员逐渐开始考虑将引力波探测器从地面搬上太空。在诸多空间探测方案中，最具代表性的当属由美国航天宇航局（NASA）和欧空局(ESA)合作开展的LISA（LaserInterferometerSpaceAntenna）项目，该方案的提出最早始于20世纪90年代，是当前世界上最为成熟的空间引力波探测项目。其星间干涉测量原理[3]如图1.4所示，建立激光链路的两端航天器分别载有独立的干涉系统，通过望远镜发射和接受激光光束，最后根据检测到的干涉信号的相位波动完成两测试质量距离改变量的测量。系统通过惯性传感器和卫星微推进器阵列，完成测量和抑制非保守力，保证测试质量在敏感轴方向保持自由状态。当引力波来临时，将会引起星间呈自由悬浮状态的测试质量间的距离发生改变，从而导致干涉信号相位发生移动，根据信号反演便可完成对引力波的探测。
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向空间引力波探测的弱光探测器性能检测与分析[J]. 李玉琼,王璐钰,王晨昱. 光学精密工程. 2019(08)
[2]空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术[J]. 刘河山,高瑞弘,罗子人,靳刚. 中国光学. 2019(03)
[3]用于引力波关键技术验证的近地低成本商业卫星设计[J]. 陈琨,蔡志鸣,侍行剑,邓剑峰,余金培,李华旺. 中国光学. 2019(03)
[4]石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究[J]. 王伟. 机械工程学报. 2019(05)
[5]星间激光干涉仪测距技术发展现状与趋势[J]. 马磊,钟兴旺,刘玄,任帅. 空间电子技术. 2018(06)
[6]空间引力波探测望远镜初步设计与分析[J]. 王智,沙巍,陈哲,王永宪,康玉思,罗子人,黎明,李钰鹏. 中国光学. 2018(01)
[7]空间相机温度-离焦特性分析与试验[J]. 孔林,杨林. 光学精密工程. 2017(07)
[8]形貌与微变形全场光学同时测量方法[J]. 蒋艳鹏,吴思进,杨连祥. 应用光学. 2017(01)
[9]多波段引力波宇宙研究和空间太极计划[J]. 刘志国,朴云松,乔从丰. 现代物理知识. 2016(05)
[10]采用激光PSD技术的载荷指向角度测量系统[J]. 方无迪,杨勇,范凡,张历涛,彭海阔. 光电工程. 2016(09)
博士论文
[1]基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究[D]. 刘光.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]提高光机热集成分析精度的关键技术研究[D]. 王成彬.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[3]大中型SiC非球面反射镜确定性高效加工工艺的研究[D]. 殷龙海.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]基于空间分离的高速外差激光干涉测量若干关键技术研究[D]. 刁晓飞.哈尔滨工业大学 2014
[5]引力波天文学及数据处理相关问题[D]. 王龑.南京大学 2013
[6]外差激光干涉仪中的高精度相位测量研究[D]. 梁浴榕.华中科技大学 2013
[7]精密工程中免形状测量的关键技术研究[D]. 张斌.北京工业大学 2012
硕士论文
[1]基于光电自准直技术的航天器微变形监测[D]. 杨占立.解放军信息工程大学 2017
[2]基于Optistruct拓扑优化的应用研究[D]. 苏胜伟.哈尔滨工程大学 2008
[3]中频差双频激光干涉测量系统的初步研究[D]. 范志军.清华大学 2004
本文编号：3602625
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)吉林省
【文章页数】：161 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光干涉引力波观测站(LIGO)鸟瞰图
第1章绪论3到了诸多科学任务中。近年来，基于激光干涉测量技术的引力波探测逐渐成为了热点研究。当前已经开始运行的引力波探测平台以地面为主，最为著名的则是在2016年宣布探测到引力波信号的LIGO探测器[19,20]，所达到的探测灵敏度为-2310。如图1.1所示，LIGO干涉臂长为4km，共有两台，分别位于美国华盛顿州的汉福德（图左）和路易斯安纳州的利文斯通（图左）。图1.1激光干涉引力波观测站(LIGO)鸟瞰图[20]Figure1.1AerialviewoftheLaserInterferometryGravitationalWaveObservatory[20]图1.2LIGO干涉测量原理简图Figure1.2LiGOInterferometryPrinciplesLIGO干涉测量原理可以简化为一台单次往返的迈克尔逊干涉仪[21-23]，如图1.2所示。激光器提供的稳频激光，在分光镜的分束作用下分别进入相互垂直的干涉臂，经过干涉臂末端的反射镜后，被返回到分光镜合束并产生干涉。通过对干涉臂长进行精密调节，使探测器在初始工作状态下的输出信号为零。由于引力波的特殊极化性质，当其经过产生扰动时，探测器干涉臂长发生变化，由此导致
空间干涉测量平台的构建与集成仿真技术研究4光学链路产生了额外的光程差，从而引起微弱的信号波动，该信号的强度与所探测引力波信号的无量纲振幅呈线性相关。在LIGO的带动作用下，国际上掀起了引力波探测高潮，到本世纪初，几个大型激光干涉引力波探测器相继建成使用[24]。如图1.3所示，包括美国的LIGO在内，具有代表性的还有法国与意大利合作的VIRGO[25]、英德合作的GEO600[26-28]以及日本的TAMA300[29,30]等，但受灵敏度限制，除LIGO外暂未有探测器发现引力波信号。图1.3地面激光干涉探测器分布[24]Figure1.3Distributionofgroundlaserinterferencedetectors[24]受探测频段的限制，研究人员逐渐开始考虑将引力波探测器从地面搬上太空。在诸多空间探测方案中，最具代表性的当属由美国航天宇航局（NASA）和欧空局(ESA)合作开展的LISA（LaserInterferometerSpaceAntenna）项目，该方案的提出最早始于20世纪90年代，是当前世界上最为成熟的空间引力波探测项目。其星间干涉测量原理[3]如图1.4所示，建立激光链路的两端航天器分别载有独立的干涉系统，通过望远镜发射和接受激光光束，最后根据检测到的干涉信号的相位波动完成两测试质量距离改变量的测量。系统通过惯性传感器和卫星微推进器阵列，完成测量和抑制非保守力，保证测试质量在敏感轴方向保持自由状态。当引力波来临时，将会引起星间呈自由悬浮状态的测试质量间的距离发生改变，从而导致干涉信号相位发生移动，根据信号反演便可完成对引力波的探测。
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向空间引力波探测的弱光探测器性能检测与分析[J]. 李玉琼,王璐钰,王晨昱. 光学精密工程. 2019(08)
[2]空间引力波探测中的绝对距离测量及通信技术[J]. 刘河山,高瑞弘,罗子人,靳刚. 中国光学. 2019(03)
[3]用于引力波关键技术验证的近地低成本商业卫星设计[J]. 陈琨,蔡志鸣,侍行剑,邓剑峰,余金培,李华旺. 中国光学. 2019(03)
[4]石英玻璃的高效可控精密磨削机理研究[J]. 王伟. 机械工程学报. 2019(05)
[5]星间激光干涉仪测距技术发展现状与趋势[J]. 马磊,钟兴旺,刘玄,任帅. 空间电子技术. 2018(06)
[6]空间引力波探测望远镜初步设计与分析[J]. 王智,沙巍,陈哲,王永宪,康玉思,罗子人,黎明,李钰鹏. 中国光学. 2018(01)
[7]空间相机温度-离焦特性分析与试验[J]. 孔林,杨林. 光学精密工程. 2017(07)
[8]形貌与微变形全场光学同时测量方法[J]. 蒋艳鹏,吴思进,杨连祥. 应用光学. 2017(01)
[9]多波段引力波宇宙研究和空间太极计划[J]. 刘志国,朴云松,乔从丰. 现代物理知识. 2016(05)
[10]采用激光PSD技术的载荷指向角度测量系统[J]. 方无迪,杨勇,范凡,张历涛,彭海阔. 光电工程. 2016(09)
博士论文
[1]基于光机热集成的空间相机主动热光学关键技术研究[D]. 刘光.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]提高光机热集成分析精度的关键技术研究[D]. 王成彬.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2016
[3]大中型SiC非球面反射镜确定性高效加工工艺的研究[D]. 殷龙海.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2015
[4]基于空间分离的高速外差激光干涉测量若干关键技术研究[D]. 刁晓飞.哈尔滨工业大学 2014
[5]引力波天文学及数据处理相关问题[D]. 王龑.南京大学 2013
[6]外差激光干涉仪中的高精度相位测量研究[D]. 梁浴榕.华中科技大学 2013
[7]精密工程中免形状测量的关键技术研究[D]. 张斌.北京工业大学 2012
硕士论文
[1]基于光电自准直技术的航天器微变形监测[D]. 杨占立.解放军信息工程大学 2017
[2]基于Optistruct拓扑优化的应用研究[D]. 苏胜伟.哈尔滨工程大学 2008
[3]中频差双频激光干涉测量系统的初步研究[D]. 范志军.清华大学 2004
本文编号：3602625
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