一种基于单检验质量的空间引力波探测装置

摘要

本发明公开了一种基于单检验质量的空间引力波探测装置，包括三颗航天器，各航天器中的航天器平台均包括惯性传感部件、驱动部件和两光学部件，惯性传感部件包括一多边形柱状的检验质量，检验质量包括两组法线方向夹角为60°的侧面及两两垂直或平行的用于检测位移传感和静电反馈控制的四个侧面；光学部件包括本地干涉测量单元和星间长臂干涉测量单元，本地干涉测量单元测量航天器平台相对于检验质量的相对位移变化，经无拖曳控制算法控制其内的驱动部件驱动航天器平台在轨道平面内跟随检验质量运动；星间长臂干涉仪测量两航天器中光学平台间的相对位移变化，从而实现对引力波信号的测量。本发明能有效简化传统空间引力波探测无拖曳控制策略。

说明书

技术领域

本发明属于空间引力波探测技术领域，更具体地，涉及一种基于单检验质量的空间引力波探测装置。

背景技术

引力波探测对广义相对论、天文物理学和宇宙学等领域具有重要意义。空间引力波探测是指在太空中利用航天器编队或星座构建大型激光干涉仪，进行引力波探测的方法。用于空间引力波探测的航天器主要由惯性传感器、光学测量系统和航天器平台等系统构成。空间引力波探测的基本原理是利用无拖曳控制技术保证检验质量在激光干涉仪方向遵循测地线运动，并利用激光干涉仪测量由引力波导致的空间两检验质量之间的光程变化。

目前，国际上空间引力波探测航天器编队主要为等边三角形构型，如LISA(LaserInterferometer Space Antenna)、天琴计划和太极计划等。在这些计划中，航天器编队由三个航天器构成，每个航天器内有两个检验质量，每个检验质量都提供一个面作为激光干涉仪的端镜。无拖曳控制需要保证两个检验质量分别在夹角为60°的敏感轴方向(干涉仪测量方向)沿测地线运动。当一检验质量在敏感轴方向上相对于航天器有一相对位移时，需要微牛级推进器沿另一检验质量的非敏感轴方向推动航天器，弥补这一相对位移，同时非敏感轴方向上还需要静电执行机将两检验质量拉回到中心位置。因此，该传统双检验质量方案的无拖曳控制策略非常复杂，需要微牛级推进器与静电反馈执行机配合实现无拖曳控制。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种基于单检验质量的空间引力波探测装置，包括主控系统和等边三角形构型的航天器编队，所述航天器编队包括三颗配置完全相同、工作模式不同的航天器，三颗航天器根据工作模式分为一主航天器和两个从航天器，各航天器中的航天器平台内均配置有惯性传感部件、控制部件、驱动部件和两个光学部件，其中，

所述惯性传感部件包括一多边形柱状的检验质量，所述检验质量包括两组法线方向夹角为60°的第一侧面以及两两垂直或平行的四个第二侧面，四个所述第二侧面的周围设有用于检测位移传感和静电反馈控制的极板；

所述光学部件包括激光器、本地干涉测量单元、星间长臂干涉测量单元和光学锁相单元，在同一航天器中，激光器用于发射激光；本地干涉测量单元用于利用该激光向检验质量中的其中一第一侧面和星间长臂干涉测量单元发射本地激光，并利用该第一侧面反射回来的本地激光和发射的本地激光产生的干涉测量得到该航天器的航天器平台相对于其内的检验质量的第一光程信息；各航天器中的控制部件用于根据其内的本地干涉测量单元测量得到的第一光程信息，通过无拖曳算法控制其内的驱动部件驱动该航天器的航天器平台在轨道平面内跟随其内的检验质量运动；

各航天器中的两个星间长臂干涉测量单元用于分别向其相邻两航天器中的一星间长臂干涉测量单元发射星间长臂激光；所述从航天器中的光学锁相单元用于将其发射的星间长臂激光与其接收到的主航天器发射的星间长臂激光的相位进行锁相，并将锁相后的星间长臂激光通过该航天器中的星间长臂干涉测量单元发射回主航天器中的星间长臂干涉测量单元，并于主航天器中本地干涉测量单元发射的本地激光产生的干涉测量得到主航天器中航天器平台与两从航天器中航天器平台的第二光程信息；

所述主控系统用于根据所述第二光程信息和各航天器中本地干涉测量单元测量得到的第一光程信息，在地面通过数据处理得到空间引力波信号。

相比于传统采用双检验质量的引力波探测装置，本发明提供的基于单检验质量的空间引力波探测装置，每个航天器内均配置单颗易于加工的多边形柱状检验质量，且该多边形柱状检验质量存在两组法线方向夹角为60°的侧面，可将传统轨道平面内的复杂无拖曳控制策略简化为航天器平台通过驱动部件完全跟随检验质量运动，不再需要静电反馈执行机配合，可有效简化传统空间引力波探测无拖曳控制策略；同时该多边形柱状检测质量还存在四个侧面两两垂直或平行，极板设置在四个侧面四周，相较于球形检验质量，可有效提高极板位移测量的准确度；且相比于传统采用双检验质量，本实施例采用单颗检验质量，还可有效降低航天器整体质量。

在其中一个实施例中，所述驱动部件采用微牛级推进器。

在其中一个实施例中，所述本地干涉测量单元包括第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜、第五分束镜、第一快速偏转镜、第一反射镜、第一四象限光电探测器、第一声光调制器和第二声光调制器；

其中，在同一航天器中，所述激光器发出的激光经过所述第一分束镜分成两束激光C，其中一束激光C经过所述第二分束镜分成两束激光，两束激光分别通过所述第一声光调制器与所述第二声光调制器进行移频；所述第一声光调制器移频的激光依次经过所述第一反射镜、所述第一快速偏转镜发射至所述检验质量的第一侧面上，经过所述检验质量的第一侧面反射后的激光依次经过所述第一快速偏转镜、所述第三分束镜后照射在所述第一四象限光电探测器上；所述第二声光调制器移频的激光经过所述第五分束镜和所述第四分束镜后照射在第一四象限光电探测器上。

在其中一个实施例中，所述星间长臂干涉测量单元包括星载望远镜和星间长臂干涉仪，所述星间长臂干涉仪包括第六分束镜、第七分束镜、第八分束镜、第二反射镜和第二四象限光电探测器；

其中，在一航天器中的一光学平台内，经所述第二声光调制器移频的激光经过所述第六分束镜分成两束激光D后，其中一束激光D通过所述星载望远镜发射星间长臂激光，另一束激光D经过所述第八分束镜形成干涉激光，所述干涉激光照射在所述第二四象限光电探测器上；与该航天器相邻的航天器发射的星间长臂激光B，依次经过所述星载望远镜、所述第七分束镜、所述第二反射镜、所述第八分束镜后，照射在所述第二四象限光电探测器上与所述干涉激光形成干涉测量得到主航天器中航天器平台与两从航天器中航天器平台的第二光程信息。

在其中一个实施例中，所述星载望远镜包括星载望远镜主镜和第二快速偏转反射镜。

在其中一个实施例中，所述光学锁相单元包括第九分束镜、第十分束镜、第三四象限光电探测器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、相位计和光学锁相环；

其中，在所述主航天器中的一光学平台内，另一束所述激光C经过所述第九分束镜分成两束激光E，一束激光E经过所述第一光纤耦合器发射至所述主航天器的另一光学平台中，另一束激光E与通过所述第二光纤耦合器来自所述主航天器的另一光学平台中激光器发出的激光在所述第三四象限光电探测器上发生干涉，所述第三四象限光电探测器的探测信号经过所述相位计后得到所述主航天器中两激光器发射的激光的相位差；所述光学锁相环用于根据该相位差信息调节所述主航天器中一激光器发射激光的相位，使所述主航天器中两个激光器发射的激光相位保持一致；

在从航天器中，利用所述第二四象限光电探测器测量得到主航天器中航天器平台与两从航天器中航天器平台的第二光程信息，利用所述相位计后计算得到从航天器中星载望远镜接收到的星间长臂激光与其星间长臂干涉测量单元发射的星间长臂激光相位差；所述光学锁相环根据该相位差信息调节该从航天器中激光器发射的激光相位，使其与星载望远镜接收到的星间长臂激光相位保持一致。

在其中一个实施例中，所述检验质量采用直八棱柱形。

在其中一个实施例中，所述检验质量采用四个转角为圆弧状的长方体形。

在其中一个实施例中，所述检验质量采用一对侧面两端部分别切去特定结构的长方体形，所述特定结构为一个转角切去三棱柱的长方体形。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的基于单检验质量的空间引力波探测装置的结构框图；

图2是本发明一实施例提供的航天器编队的结构示意图；

图3是本发明一实施例提供的光学部件的结构示意图；

图4是本发明一实施例提供的检验质量的结构示意图；

图5是本发明另一实施例提供的检验质量的结构示意图；

图6是本发明又一实施例提供的检验质量的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本领域空间引力波探测的基本原理是利用引力波会导致两沿测地线运动的检验质量之间的光程发生变化，通过对该光程变化进行数据处理来实现对引力波信号的提取。

如图1和图2所示，本发明提供的基于单检验质量的空间引力波探测装置空间引力波探测装置包括主控系统和等边三角形构型的航天器编队，该航天器编队包括三颗配置完全相同、工作模式不同的航天器，具体可根据工作模式分为一主航天器和两个从航天器。每个航天器中的航天器平台50内均配置有控制部件、惯性传感部件、驱动部件和两个光学部件。

在本实施例中，惯性传感部件包括一检验质量10，检验质量用于为引力波探测提供沿地线运动的惯性基准的部件，空间引力波的存在会导致各航天器中的两个检验质量的相对距离发生变化，根据本领域空间引力波探测的基本原理，对应地，本发明提供的空间引力波探测则是通过分别测量主航天器中的检验质量10与两个从航天器中的检验质量10之间的光程变化。

需要说明的是，在对空间引力波测量时，为确保检验质量10沿测地线运动，需确保航天器平台50跟随检验质量10运动。因此，在利用各航天器中的检验质量10对空间引力波进行测量时，还需保持各航天器的航天器平台50与其内的检验质量10的相对位移，当某个航天器的航天器平台与其内的检验质量10发生位移变化时，需采用合适的控制策略控制该航天器平台跟随其内的检验质量10运动。具体地，检验质量10的运动状态包括3个平动自由度(轨道平面内2个平动自由度和垂直于轨道平面的1个平动自由度)以及3个转动自由度的运动状态。

结合本领域空间引力波探测的基本原理。对此，本发明提供的各航天器中的检验质量10和光学部件的结构具体如下：

本实施例提供的检验质量10采用多边形柱状结构，该多边形柱状结构包括两两垂直或平行的四个侧面10b，四个侧面10b的周围设有用于检测位移传感和静电反馈控制的极板11，该极板11用于实现检验质量10在垂直于轨道平面的1个平动自由度和3个转动自由度利用极板11的位移传感测量，通过控制部件60控制静电反馈控制使该检验质量10根据其所在的航天器平台运动。本实施例将极板11设置在多边形柱状检验质量10中两两垂直或平行的四个侧面上，相较于球形检验质量，可有效提高极板位移检测的线性度，并降低交叉耦合系数，保证测量精度。

对于检验质量10在轨道平面内2个平动自由度的位移检测，本实施例则利用检验质量10的另一组侧面配合光学平台来实现。具体地，本实施例提供的检验质量还包括两组法线方向夹角为60°的侧面10a(图中仅标示出其中一个侧面)，其中一组侧面10a用于充当前端光学部件中发射的本地激光A的端镜。

具体地，本实施例提供的光学部件包括激光器51、本地干涉测量单元20星间长臂干涉测量单元21和光学锁相单元。在同一航天器中，激光器51用于发射激光；本地干涉测量单元20用于利用该激光分别向检验质量10中的其中一侧面10a和星间长臂干涉测量单元21发射本地激光A，并利用侧面10a反射回来的本地激光和发射的本地激光产生的干涉测量得到该航天器的航天器平台50相对于其内的检验质量10的第一光程信息。

各航天器中的控制部件60用于根据其内的本地干涉测量单元20测量得到第一光程信息，通过光程-位移转换公式计算得到该航天器的航天器平台50相对于其内的检验质量10的相对位移变化，然后再通过控制部件60根据无拖曳控制算法控制其内的驱动部件驱动该航天器的航天器平台50在轨道平面内跟随其内的检验质量10运动，无需配合静电反馈执行机，可有效简化传统引力波探测装置在轨道平面内的无拖曳控制策略。具体地，该驱动部件可采用微牛级推进器。

本实施例提供的各航天器中的两个星间长臂干涉测量单元21则用于分别向其相邻两航天器中的一星间长臂干涉测量单元21发射星间长臂激光B。从航天器中的光学锁相单元用于将其发射的星间长臂激光与其接收到的主航天器发射的星间长臂激光的相位进行锁相，并将锁相后的星间长臂激光通过该航天器中的星间长臂干涉测量单元发射回主航天器中的星间长臂干涉测量单元，并于主航天器中本地干涉测量单元发射的本地激光产生的干涉测量得到主航天器中航天器平台50与两从航天器中航天器平台50的第二光程信息。

在地面，主控系统将主航天器中的星间长臂干涉测量单元21测量得到主航天器中航天器平台50与两从航天器中航天器平台50的第二光程信息，通过光程-位移转换公式计算得到主航天器的航天器平台50与从航天器的航天器平台50的相对位移变化，然后结合主航天器和从航天器的本地干涉测量单元20测量得到的两段各自航天器的航天器平台50相对于其内的检验质量10的相对位移变化，将这三段测量数据进行相加通过数据处理即可提取出引力波信号，具体地，该数据处理方式为可采用本领域常用的处理方式，比如匹配滤波处理方式，本实施例不作限制。

相比于传统采用双检验质量的引力波探测装置，本实施例提供的基于单检验质量的空间引力波探测装置，每个航天器内均配置单颗易于加工的多边形柱状检验质量10，且该多边形柱状检验质量10存在两组法线方向夹角为60°的侧面10a，可将传统轨道平面内的复杂无拖曳控制策略简化为航天器平台通过驱动部件完全跟随检验质量运动，不再需要静电反馈执行机配合，可有效简化传统空间引力波探测无拖曳控制策略；同时该多边形柱状检测质量10还存在四个侧面10b两两垂直或平行，极板11设置在四个侧面四周，可有效提高极板位移测量的准确度；且相比于传统采用双检验质量，本实施例采用单颗检验质量，还可有效降低航天器整体质量。

在一个实施例中，如图3所示，本地干涉测量单元20包括激光器51、第一分束镜531、第二分束镜532、第三分束镜533、第四分束镜534、第五分束镜535、第一快速偏转镜55、第一反射镜542、第一四象限光电探测器522、第一声光调制器561和第一声光调制器562。

本实施例提供的本地干涉测量单元20的工作原理为：在一航天器中的一光学平台20内，激光器51发出的激光经过第一分束镜531分成两束激光C，其中一束激光C经过第二分束镜532分成两束，两束分别通过第一声光调制器561与第二声光调制器562进行移频。其中，第一声光调制器561移频的激光为测量激光，第二声光调制器562移频的激光为参考激光。测量激光经过第一反射镜542、第一快速偏转镜55后发射至检验质量10，检验质量10的一组侧面10a反射后的激光经过第一快速偏转镜55、第三分束镜533后照射在第一四象限光电探测器522上。参考激光经过第五分束镜535和第四分束镜534后照射在第一四象限光电探测器522上。最终，测量激光与参考激光在第一四象限光电探测器522形成干涉，测量得到该航天器的航天器平台相对于其内的检验质量的第一光程信息。

在一个实施例中，如图3所示，星间长臂干涉测量单元21包括星载望远镜和星间长臂干涉仪，其中，星载望远镜包括第二快速偏转镜42和主镜41。星间长臂干涉仪包括第六分束镜536、第七分束镜537、第八分束镜538、第二反射镜543和第二四象限光电探测器521。

本实施例提供的星间长臂干涉测量单元21的工作原理为：在一航天器中的一光学平台20内，参考激光(经第二声光调制器562移频的激光)经过第六分束镜536分成两束激光D后，其中一束激光D通过星载望远镜(第二快速偏转镜42和主镜41)发射星间长臂激光B，另一束激光D经过第八分束镜538形成干涉激光，照射在第二四象限光电探测器521上。与该航天器相邻的航天器发射的星间长臂激光B，经过该航天器中的一光学平台20中的星载望远镜主镜41汇聚后，依次经第二快速偏转镜42、第七分束镜537、第二反射镜543、第八分束镜538后，照射在第二四象限光电探测器521上与前述干涉激光形成干涉，结合光学锁相单元测量得到该航天器的航天器平台相对于远端相邻航天器的航天器平台的第二光程信息。

在本实施例中，本发明中提供的星载望远镜是固定在各航天器的航天器平台上的，由于航天器编队构型的变化容易产生呼吸角，为实现对呼吸角的补偿，本实施例可通过转动星载望远镜粗调后，再通过星载望远镜内部的第二快速偏转镜42或本地干涉测量单元20中的第一快速偏转镜55进行细调。当星间长臂激光B指向偏离星载望远镜指向时，可通过第二四象限光电探测器521测量监测该变化，并通过转动星载望远镜和其内部的第二快速偏转镜42进行补偿。光学平台与星载望远镜固联，当星载望远镜发生转动时，本地激光A将会偏离检验质量10的法线方向，该变化通过第一四象限光电探测器522测量进行检测，并通过本地干涉测量单元20中的第一快速偏转镜55进行补偿。

在一个实施例中，如图3所示，光学锁相单元包括第九分束镜539、第十分束镜530、第三四象限光电探测器523、第一光纤耦合器571、第二光纤耦合器572、相位计58和光学锁相环59。

本实施例提供光学锁相单元的工作原理为：在主航天器一光学平台20中，激光器51发出的激光经过第一分束镜531分成两束激光C，另一束激光C经过第九分束镜539分成两束激光E，一束激光E经过第一光纤耦合器571发射至主航天器的另一光学平台20中，另一束激光E与通过第二光纤耦合器572来自主航天器的另一光学平台中激光器发出的激光在第三四象限光电探测器523上发生干涉。第三四象限光电探测器523的探测信号经过相位计58后得到两束激光的相位差。光学锁相环59根据该相位差信息，调节其中一光学平台中激光器发出激光的相位，使主航天器中的两个激光器发出的激光相位保持一致。

在从航天器中，利用第二四象限光电探测器521测量的从航天器的航天器平台相对于远端主航天器的航天器平台的光程信息，利用相位计58后计算得到该从航天器中星载望远镜接收到的星间长臂激光与其星间长臂干涉测量单元发射的星间长臂激光相位差。光学锁相环59根据该相位差信息，调节该从航天器中激光器51发出的激光相位，使其与星载望远镜接收到的星间长臂激光相位保持一致。

在一个实施例中，本发明提供的多边形柱状检验质量可采用直八棱柱形，如图4所示。也可采用四个转角为圆弧状的长方体形，如图5所示，其中，四个圆弧状的侧面可充当本地激光的反射镜，其余四个侧面周围可设置极板。

当然，还可采用一对侧面两端部分别切去特定结构的长方体形，该特定结构为一个转角切去三棱柱的长方体形，如图6所示。具体地，本发明提供的多边形柱状检验质量10的实际形状可根据实际空间引力波探测需求进行相应设计，只需要满足该多边形柱状检验质量10存在两组法线方向夹角为120°的侧面以及两两垂直或平行的四个侧面即可，本实施例不作限制。

在一个实施例中，本发明还通过质心调节技术调节航天器平台50质心与检验质量10质心重合，比如静电悬浮加速度计在轨质心位置的最小二乘估计，来降低由于质心不重合而导致的惯性力影响，从而有效提高空间引力波探测的准确度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。