摘要：低噪声激光器是空间激光干涉仪引力波探测器的核心组件之一,激光器的输出功率、强度噪声、频率噪声等性能直接影响空间引力波探测器的灵敏度。空间引力波探测器对激光器的结构设计、噪声水平等提出了严格的要求。本文介绍了空间引力波探测器的目标和对激光器的要求,分析了激光器噪声性能对探测器灵敏度的影响,梳理了国内外典型探测任务中低噪声激光器研究进展,比较了不同激光器的噪声性能。最后,阐述了强度噪声抑制和频率噪声抑制的原理和进展,并对国内空间引力波探测用的低噪声激光器的研究进行了展望。

摘要：空间引力波探测频段位于0.1 mHz~1 Hz范围内,在该频段内包含了更大特征质量和尺度的引力波波源信息。目前,基于不同尺寸及空间轨道的大型激光干涉空间引力波探测计划已经逐步实施,其中在干涉仪的激光光源系统中,需要抑制激光强度噪声及频率噪声等,光电探测作为激光噪声表征及抑制的第一级器件,其性能将直接影响激光噪声抑制效果。通过选定低噪声芯片、高稳定偏压系统的基础上,采用自减电路及跨阻放大电路进行整体电路设计;在电磁屏蔽、低温漂系数元件、低噪声供电以及主动温控等技术手段实现了高增益低噪声平衡零拍探测系统的研制;结合快速傅里叶变换法以及对数轴功率谱密度算法对其增益、带宽等性能进行评估测试,并进一步对激光的强度噪声在0.05 mHz~1 Hz频段进行探测表征。实验结果表明:所研发平衡零拍探测电子学噪声谱密度在1 mHz~1 Hz的频率范围内在3.6×10^(-5)V/Hz^(1/2)以下,小于空间引力波探测对激光光源噪声要求;进一步当入射光功率为400μW时,测量得到平衡零拍探测系统在0.1 mHz~1 Hz的频率范围内增益在20 dB以上;激光强度噪声谱密度在1 mHz处为3.6×10^(-2)V/Hz^(1/2),实现低噪声光电探测及激光强度噪声表征,为空间引力波探测中激光强度噪声表征及抑制等方面提供关键器件支撑。

摘要：由于激光外差干涉测量系统光机平台无法模拟多普勒频移,并且商用信号发生器无法实现多种类、高复杂度的星间外差干涉信号模拟,不能对空间引力波探测的相位计进行全面测试。通过分析外差干涉信号的特性,研究信号模拟系统的实现原理及方法,设计了空间引力波探测激光外差干涉信号模拟系统。首先,应用直接数字合成器(DDS)模拟外差干涉信号。其次,通过频率偏移方式模拟多普勒效应,应用混合同余算法生成散粒噪声并调制到外差干涉信号中。最后,基于FPGA搭建系统硬件平台,通过示波器及频谱分析仪分析生成信号的时频特性。实验结果表明,信号模拟系统在2~20 MHz的频率范围内杂波抑制度为-53 dBc,谐波(二次)抑制达到-47 dBc,生成信号的时频特性符合理论预期,满足空间引力波探测相位计的地面测试需求。

摘要：用于空间引力波探测的星载望远镜在航天器间进行激光的传输以支持精密干涉测量系统,因此望远镜的光程稳定性已经成为一项关键的技术指标。在此系统中,光瞳像差与传统的像平面像差相比在了解系统光程稳定性需求、评价望远镜成像质量以及抑制抖动光程耦合噪声等方面可提供更深刻的见解。本文基于传统像平面像差理论和光瞳像差理论,建立了望远镜的初始结构,然后利用光学软件Zemax的宏编程实现了光瞳像差和像平面像差的自动校正,从而实现了高性能星载望远镜的设计,仿真结果显示满足天琴任务的需求。

摘要：引力波的直接观测已开启引力波天文学的新篇章,爱因斯坦的百年预言终获证实。空间引力波探测器使得探测0.1 m Hz^1 Hz频段丰富的引力波源成为可能,与地面引力波探测器互为补充,才可实现更加宽广波段的引力波探测,揭开宇宙早期的更多秘密。空间激光干涉引力波探测采用外差干涉测量技术,测量间距百万公里的两自由悬浮测试质量间10 pm量级的变化量。望远镜是激光干涉测量系统的重要组成部分,1 pm的光程稳定性及苛刻的杂散光要求,不同于传统的几何成像望远镜。本文根据空间太极计划任务需求,对望远镜的功能及技术要求进行了分析,并完成了原理样机的初步方案设计,针对百万公里远场波前分布,分析了望远镜系统的敏感性,同时完成了在轨光机热集成仿真,为后面原理样机的研制奠定了技术基础。

摘要：引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一,与引力波的地面探测相比,引力波的空间探测能够探测更丰富的波源和更遥远的目标,具有重大的科学价值。空间引力波探测带来了空前的技术挑战,对航天器系统和平台提出了极高的技术指标要求,传统的卫星平台难以满足任务需求,必须设计开发新的平台,并突破诸多关键技术。本文对空间引力波探测航天器总体和平台设计面临的挑战、主要的设计约束条件进行了分析,提出了天琴引力波探测航天器的总体方案设想和初步的构型布局方案,对航天器平台所涉及的关键技术进行了梳理,并对后续解决途径提出了建议。

摘要：航天器编队构形设计是航天器编队飞行与控制首先要解决的问题。本文总结了空间引力波探测任务的正三角形编队设计方案,对3种典型的三角形编队构形生成机理进行了归类和比较分析。随后根据引力波探测原理,将三角形编队方案拓展到任意多边形编队方案,并给出了实现引力波探测器激光链路中转的多边形编队光路设计方法。在此基础上,给出了基于Clohessy-Wiltshire方程与周期匹配原理相结合的多边形编队设计方法,包括多边形框架编队与多边形网格编队两种全新编队类型。研究结果将为包括空间引力波探测在内的多种航天任务的编队构形设计提供理论基础。仿真结果表明,航天器编队构形设计方法设计出的编队臂长足够稳定,具有潜在的工程应用前景。

摘要：无拖曳控制技术通过控制微推力器产生的推力来抵消航天器受到的非保守力,其是获得超静超稳空间实验平台的关键技术之一。首先总结了无拖曳控制技术的研究现状与发展趋势,系统地总结了国外历次无拖曳航天器控制系统的详细设计方案以及国内的研究进展,随后分析了无拖曳控制技术的特点以及所面临的挑战,并概括了无拖曳控制所涉及到的关键技术。最后针对我国空间引力波探测对无拖曳控制技术的需求做了详细的分析与展望。

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。

摘要：空间引力波探测要求航天器以正三角形编队稳定运行,其形成方式与维持方法面临诸多挑战.对国内外已提出的三类正三角形编队方案进行了对比分析,总结和梳理了各类正三角形构形的内在形成机理,深入探讨了不同构形的摄动演化规律和稳定性条件,在此基础上提出了空间正三角形编队的初始化、保持与重构控制原理.研究结果将为空间引力波探测编队构形的设计与控制提供理论基础.