封面描繪了“太極計劃"三星編隊進(jìn)行空間引力波探測的場景，引力波信號由背景中的雙黑洞繞轉(zhuǎn)輻射產(chǎn)生并引起時空擾動，在衛(wèi)星的干涉儀測量系統(tǒng)中通過激光差分干涉技術(shù)進(jìn)行pm級位移波動測量。為進(jìn)行星間信息傳遞，在干涉鏈路基礎(chǔ)上，通過激光邊帶調(diào)制完成星間時鐘噪聲傳遞、距離測量與通信等功能，統(tǒng)稱為輔助功能。信號頻譜由主峰、兩個邊帶峰，及偽碼擴頻組成。

一、背景介紹

為了實現(xiàn)對低頻引力波的探測，主導(dǎo)開啟了空間引力波探測任務(wù)——太極計劃，該計劃基于激光外差干涉技術(shù)，目標(biāo)為在300萬公里臂長下實現(xiàn)0.1 mHz至1 Hz頻段引力波的高精度探測。為了消除由衛(wèi)星間的時鐘不同步帶來的時鐘噪聲，需要將衛(wèi)星間的時鐘頻率抖動進(jìn)行星間傳遞測量，后采用時間延遲干涉的數(shù)據(jù)處理方法消除時鐘噪聲。同時，為了滿足星間數(shù)據(jù)采集和信息交互，需要構(gòu)建高質(zhì)量的星間通信體系以確保引力波探測數(shù)據(jù)的時效性。由此，為了滿足太極計劃的要求，激光干涉系統(tǒng)除了實現(xiàn)相對距離測量的主要功能外，還需實現(xiàn)相應(yīng)輔助功能，即時鐘噪聲傳遞和星間通信測距（測距功能為通信系統(tǒng)參數(shù)結(jié)構(gòu)下的附屬功能）。目前的輔助功能體系研究較為分化，各項功能均在獨立的系統(tǒng)下完成，未對輔助功能一體化進(jìn)行設(shè)計和驗證，本文的研究旨在完成輔助功能耦合性分析與集成設(shè)計。

二、創(chuàng)新工作

太極計劃對實現(xiàn)引力波探測的主要科學(xué)測量目標(biāo)之外還提出了時鐘噪聲傳遞以及星間通信測距的輔助功能任務(wù)，需要構(gòu)建一套完整的干涉儀輔助功能體系以實現(xiàn)功能一體化的目標(biāo)。力學(xué)研究所引力波實驗中心基于時鐘噪聲傳遞和星間激光通信原理，分析了在同一激光鏈路中實現(xiàn)時鐘噪聲傳遞與激光通信測距的方案可行性，設(shè)計整體方案架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 太極計劃星間激光干涉方案圖

基于目前的相位測量系統(tǒng)，分析了時鐘噪聲傳遞的原理、需求和方案，設(shè)計了通信系統(tǒng)參數(shù)架構(gòu)，依據(jù)太極計劃技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行耦合調(diào)制參數(shù)設(shè)計和分析。對于時鐘噪聲傳遞，本課題采用基于電光調(diào)制器的邊帶倍頻時鐘噪聲傳遞方案，而對于通信系統(tǒng)，則采用基于偽隨機碼的直接序列擴頻，通過二進(jìn)制相移鍵控方式進(jìn)行調(diào)制傳遞通信信息。通過仿真實驗進(jìn)行時鐘信號與偽隨機碼耦合調(diào)制下的頻譜分析，總結(jié)了主信號、邊帶信號、偽隨機碼旁瓣信噪比與調(diào)制深度之間的耦合關(guān)系，為光學(xué)實驗提供指引。

本課題設(shè)計搭建了用于驗證輔助功能一體化耦合性能的激光鏈路光學(xué)平臺，如圖2所示，在相位計測量結(jié)果中，分析了時鐘信號與偽隨機碼調(diào)制耦合作用下對測量結(jié)果的影響，通過調(diào)整偽隨機碼調(diào)制深度使得時鐘噪聲抑制效果在0.1~1 Hz，0.1~0.5 mHz頻段達(dá)到優(yōu)于2π×10-5rad/Hz1/2。分析對比了由于偽隨機碼調(diào)制深度改變對通信系統(tǒng)性能的影響，通過數(shù)據(jù)采集分析調(diào)整了延遲環(huán)系統(tǒng)，使偽隨機碼解調(diào)積分能量值提升至可靠水平，最終達(dá)到通信誤碼率低于10-6，滿足太極計劃指標(biāo)，實現(xiàn)了在同一激光鏈路下耦合時鐘噪聲傳遞以及星間通信系統(tǒng)。

圖2 激光鏈路光學(xué)平臺設(shè)計

三、總結(jié)與展望

實驗采取的時鐘管理方案為倍頻方式，倍頻時鐘噪聲傳遞相較于分頻時鐘噪聲傳遞方案兩者的噪聲程度存在一定差異，可考慮引進(jìn)精度足夠的分頻器與時鐘源進(jìn)行分頻方案下的時鐘噪聲消減實驗進(jìn)行驗證。將激光鏈路設(shè)計置于空間光環(huán)境下進(jìn)行測試，進(jìn)一步驗證空間探測性能。

課題組介紹

力學(xué)研究所引力波實驗中心旨在面向國家及的重大戰(zhàn)略需求，圍繞空間基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域，聚焦空間精密測控等關(guān)鍵核心問題，推動力學(xué)和空間科學(xué)技術(shù)的深度交叉。中心以空間引力波探測太極計劃為牽引，發(fā)展空間激光干涉精密測量、慣性傳感與基準(zhǔn)構(gòu)建、引力波數(shù)據(jù)處理等技術(shù)。中心現(xiàn)有工作人員28人，學(xué)生30余人，其中正高2人，副高5人，博士后6人。近年來，承擔(dān)了引力波重點研發(fā)計劃項目、空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項A/B、國家自然科學(xué)基金（面上、青年）等多項和省部級科研項目。在Commun. Phys.、Phys. Rev. D、Opt. Express、Opt. Letter、Optics & Laser Technology、IEEE TIM 等國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表累計發(fā)表文章100余篇，累計獲得國內(nèi)發(fā)明20余項。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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