摘要：在太极计划中,三颗卫星将构成边长为300万km的三角形星座。为完成卫星间的信息交互,需要在星间干涉链路中加入激光通信。笔者从太极计划星间通信的需求出发,基于目前的相位计系统,提出了太极计划星间激光通信方案及系统参数的设计。为验证所设计参数的合理性以及通信系统的性能,基于自研板卡,搭建了电子学模拟系统及光学验证系统。在发送端将通信码与伪随机码以直接序列扩频的方式调制至激光相位,通过激光链路将信息发送至接收端,并采用锁相环及延迟环对其进行解析,完成通信功能。测试结果表明,所设计的通信系统参数较为合理,能够与相位计系统有效融合,在通信速率为19.5 kb/s的条件下,通信系统的误码率优于10^(-6),可为太极计划的相关参数设计提供参考。

摘要：太极计划是中国科学院提出的空间引力波探测任务,其利用激光差分干涉的方法探测卫星间由引力波引起的pm级位移波动。为消除卫星间因时钟不同步而产生的测量误差,拟采用边带倍频时钟噪声传递方法进行星间时钟噪声测量与消除。本文讨论太极计划星间时钟噪声传递的需求、原理、方法,并设计实验进行原理验证。通过搭建电子学实验测试两个系统时钟噪声的极限值,确定实验相关参数,进一步通过光学实验验证边带倍频传递方案的原理。实验结果表明,本文提出的时钟噪声消除方案及相关参数合理可行,满足太极计划的应用需求。在0.05 Hz~1 Hz频段,星间时钟噪声的抑制效果优于2π×10^(−5)rad/Hz^(1/2),满足太极探路者的噪声需求。本文研究为未来太极计划的时钟噪声传递方案与参数设计奠定实验和理论基础。

摘要：空间引力波探测中为实现引力波信号科学测量,卫星发射到预定轨道后需首先完成百万公里级激光链路的构建。同时为保证引力波信号不会被激光指向噪声淹没,激光指向稳定性需达到nrad/√Hz量级。为此需设计一套复杂而精密的激光指向调控方案。本文以太极计划为背景,详细阐述了可采用的指向调控方案。拟将整个过程将分为两个阶段,首先进行激光捕获过程,在该过程中,使用星敏感器(STR)与电荷耦合器件(CCD)作为辅助捕获探测器,将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程,利用差分波前敏感测角(DWS)技术对激光指向稳定性进行控制。根据太极计划要求,对各阶段捕获探测器提出了视场及精度要求,并论述了采用DWS技术实现精密指向的可行性。相关结论可为未来的验证实验奠定理论基础,对太极计划指向系统构建提供参考。

摘要：空间引力波探测激光干涉系统由多路干涉仪组成,涉及到多组干涉信号的相位采集和读出,多通道相位测量系统是空间激光干涉的关键核心技术之一。本文从太极计划及其地基激光干涉实验需求入手,设计、搭建并测试了多通道相位测量系统。首先,给出多通道相位测量系统的软硬件设计,包括硬件架构设计、数字锁相环测相算法、软件架构设计等。其次,对多通道相位计进行时域功能测试,包括相位准确度和线性度。测试结果表明多通道相位测量系统在不同工况下的动静态相位线性度和准确度良好。最终,对多通道相位计进行不同通道、不同频率、不同幅值下的频域噪声测试。测试结果还表明本文设计的多通道相位计,在0.1 mHz~1 Hz频段内,相位噪声水平均优于2πurad/√Hz;不同通道之间具有很好的一致性,由通道差异或ADC芯片差异引入的相位噪声在目标频段内可以忽略不计;对于频率在5-25 MHz之间的任意干涉信号,相位计在目标频段内均满足需求。因此,该多通道相位测量系统满足空间引力波探测及地基干涉实验的需求。

摘要：针对引力波探测仪器灵敏度问题,首先明确了“太极计划”航天器光程测量噪声与检验质量残余加速度噪声的顶层指标;逐级分解了系统噪声,分解出的噪声包含光程测量噪声共26项,残余加速度噪声共21项;以电磁力噪声为例完成了详细的建模工作,设计仿真系统并进行计算,验证了航天器设计方案的工程可行性。仿真表明:采用现有工程技术水平可以实现的参数指标、或者按照关键技术路线图发展后的参数指标,计算得到的电磁力总噪声可以满足引力波探测任务要求。研究成果为后续其它噪声项的仿真计算提供了框架,并且为航天器系统指标体系优化奠定了基础。

摘要：在"太极计划"中由卫星抖动引起的光程倾斜(tilt-to-length,TTL)耦合噪声是影响激光干涉测量精度的第二大噪声源,为保证测量精度,该噪声要≤±25μm/rad@±300μrad。基于费马原理设计了由双凸透镜组成的成像系统,仿真分析了该成像系统对于TTL耦合噪声的抑制效果,搭建物理实验平台验证了该成像系统抑制TTL耦合噪声的有效性。仿真结果表明:加入双凸透镜成像系统后,TTL耦合噪声≤±10μm/rad@±300μrad;实验结果表明:加入双凸透镜成像系统后,TTL耦合噪声≤±15μm/rad@±300μrad,均满足"太极计划"对光程倾斜耦合噪声抑制水平的要求,且整个干涉光路易于调控、测量精度高。通过搭建物理实验平台验证了TTL耦合噪声的抑制效果,为"太极计划"激光干涉测量奠定了物理实验基础。

摘要：为了研制出满足未来空间引力波探测需求的弱光探测器,初步进行了弱光探测器性能检测,分析了探测器的响应度、响应带宽、本底噪声等性能指标,以筛选出能满足未来空间引力波探测要求的探测器研制途径和解决方案。首先,根据空间引力波探测太极计划的激光器功率、轨道、星间距等设计方案,推算出太极计划所需探测器的性能指标;然后,与中国电子科技集团公司第四十四研究所、西南技术物理研究所和中国科学院上海技术物理研究所等单位合作研制了3款弱光探测器;最后,利用本课题组研制的低噪外差激光干涉系统对其响应度、响应带宽及本底噪声等指标进行检测,并分析了影响探测器性能指标的因素。实验结果表明:其中两款探测器的响应度优于1.8×10 5 V/W,响应带宽大于10 MHz;3款探测器的本底噪声均低于10 pm/Hz@10 mHz(0.1 mHz^1 Hz),信噪比高于20 dB。这3款探测器在响应度、响应带宽和信噪比等方面具有满足未来太极计划实验星要求的潜力。