空間激光干涉測(cè)距系統(tǒng)是空間引力波探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)之一,是獲取引力波科學(xué)信號(hào)的技術(shù)源頭。地面引力波測(cè)量由于受到地球引力的影響和尺度大小的限制,探測(cè)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(cè)是不二選擇。對(duì)于空間干涉測(cè)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(jì)階段考慮噪聲抑制方法,并且要求光束具有較為嚴(yán)苛的絕對(duì)位置精度。同時(shí),為保證系統(tǒng)能夠在軌正常工作,干涉測(cè)量平臺(tái)還應(yīng)具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(dòng)的影響。因此,通過(guò)集成仿真手段指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和構(gòu)建是全局尋優(yōu)的關(guān)鍵。為發(fā)展我國(guó)空間引力波探測(cè)計(jì)劃,中國(guó)科學(xué)院正式提出并啟動(dòng)了我國(guó)空間引力波探測(cè)“太極計(jì)劃”。本文以空間太極計(jì)劃技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星“太極1號(hào)”為研究對(duì)象,對(duì)其空間干涉測(cè)量平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程中所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,保證干涉測(cè)量系統(tǒng)在10 mHz-1Hz的目標(biāo)頻段實(shí)現(xiàn)百皮米量級(jí)的位置測(cè)量精度,本文的主要研究工作如下:對(duì)空間干涉測(cè)量平臺(tái)的光學(xué)方案進(jìn)行了原理分析與仿真計(jì)算,討論了影響系統(tǒng)光程穩(wěn)定性的相關(guān)噪聲,并通過(guò)合理的光學(xué)方案設(shè)計(jì),對(duì)系統(tǒng)... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)吉林省

【文章頁(yè)數(shù)】：161 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

激光干涉引力波觀測(cè)站(LIGO)鳥(niǎo)瞰圖

第1章緒論3到了諸多科學(xué)任務(wù)中。近年來(lái)，基于激光干涉測(cè)量技術(shù)的引力波探測(cè)逐漸成為了熱點(diǎn)研究。當(dāng)前已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行的引力波探測(cè)平臺(tái)以地面為主，最為著名的則是在2016年宣布探測(cè)到引力波信號(hào)的LIGO探測(cè)器[19,20]，所達(dá)到的探測(cè)靈敏度為-2310。如圖1.1所示，LIGO干涉臂長(zhǎng)為4km，共有兩臺(tái)，分別位于美國(guó)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(cè)站(LIGO)鳥(niǎo)瞰圖[20]Figure1.1AerialviewoftheLaserInterferometryGravitationalWaveObservatory[20]圖1.2LIGO干涉測(cè)量原理簡(jiǎn)圖Figure1.2LiGOInterferometryPrinciplesLIGO干涉測(cè)量原理可以簡(jiǎn)化為一臺(tái)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(jìn)入相互垂直的干涉臂，經(jīng)過(guò)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(guò)對(duì)干涉臂長(zhǎng)進(jìn)行精密調(diào)節(jié)，使探測(cè)器在初始工作狀態(tài)下的輸出信號(hào)為零。由于引力波的特殊極化性質(zhì)，當(dāng)其經(jīng)過(guò)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，探測(cè)器干涉臂長(zhǎng)發(fā)生變化，由此導(dǎo)致

空間干涉測(cè)量平臺(tái)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(hào)波動(dòng)，該信號(hào)的強(qiáng)度與所探測(cè)引力波信號(hào)的無(wú)量綱振幅呈線性相關(guān)。在LIGO的帶動(dòng)作用下，國(guó)際上掀起了引力波探測(cè)高潮，到本世紀(jì)初，幾個(gè)大型激光干涉引力波探測(cè)器相繼建成使用[24]。如圖1.3所示，包括美國(guó)的LIGO在內(nèi)，具有代表性的還有法國(guó)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(cè)器發(fā)現(xiàn)引力波信號(hào)。圖1.3地面激光干涉探測(cè)器分布[24]Figure1.3Distributionofgroundlaserinterferencedetectors[24]受探測(cè)頻段的限制，研究人員逐漸開(kāi)始考慮將引力波探測(cè)器從地面搬上太空。在諸多空間探測(cè)方案中，最具代表性的當(dāng)屬由美國(guó)航天宇航局（NASA）和歐空局(ESA)合作開(kāi)展的LISA（LaserInterferometerSpaceAntenna）項(xiàng)目，該方案的提出最早始于20世紀(jì)90年代，是當(dāng)前世界上最為成熟的空間引力波探測(cè)項(xiàng)目。其星間干涉測(cè)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(dú)立的干涉系統(tǒng)，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡發(fā)射和接受激光光束，最后根據(jù)檢測(cè)到的干涉信號(hào)的相位波動(dòng)完成兩測(cè)試質(zhì)量距離改變量的測(cè)量。系統(tǒng)通過(guò)慣性傳感器和衛(wèi)星微推進(jìn)器陣列，完成測(cè)量和抑制非保守力，保證測(cè)試質(zhì)量在敏感軸方向保持自由狀態(tài)。當(dāng)引力波來(lái)臨時(shí)，將會(huì)引起星間呈自由懸浮狀態(tài)的測(cè)試質(zhì)量間的距離發(fā)生改變，從而導(dǎo)致干涉信號(hào)相位發(fā)生移動(dòng)，根據(jù)信號(hào)反演便可完成對(duì)引力波的探測(cè)。

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本文編號(hào)：3602625