空间引力波探测望远镜初步设计与分析

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。     

空间引力波探测计划-LISA系统设计要点

为了验证广义相对论,世界各国竞相开展了空间引力波探测方面的研究。本文以欧洲空间引力波探测LISA(Laser Interferometer Space Antenna)计划为例,根据基线设计,对LISA系统有效载荷及主要组件的设计进行了分析和阐述。LISA主要探测和研究低频引力波辐射,其工作频段为10^-3~1 Hz,工作距离为5×10⁶ km,预计能探测到双致密星系统以及星系合并引起的超大质量并合等波源,测距精度达到pm量级。以上研究希望能对我国未来的空间引力波探测计划有一定启示。     

基于ZEMAX和Python软件的空间引力波望远镜光程差算法研究与实现

利用光学设计软件ZEMAX和Python软件联合实现空间引力波望远镜光程差(optical path difference, OPD)精密求解;通过动态数据交换(dynamic data exchange, DDE)实现ZEMAX软件和Python软件数据交换:首先,Python软件对有限元分析后望远镜镜面数据进行处理,并将分析结果通过DDE传输给ZEMAX进行光线追迹;其次,ZEMAX软件对追迹后的光线坐标再通过DDE传回Python软件;最后,Python软件通过全局坐标系,计算刚体平移带来的光程差和波前的变化。模拟1 mK温度变化下引力波望远镜的受力变形,通过ZEMAX软件和Python软件求解空间引力波望远镜光程差和波前变化,结果表明光程差精度为1e-13米量级,完全可以满足望远镜皮米级稳定性精度要求。本研究可为后续引力波望远镜光机结构方案设计中光程差分析提供技术参考。     

地基引力波探测激光干涉仪的真空残余气体噪声分析

引力波是时空弯曲产生的涟漪波动.引力波探测对促进人类认识自然和科学技术进步均具有深远意义.由于引力波信号非常微弱,地基引力波探测器需要超高真空环境来保证激光干涉仪的稳定运行.本文阐述了残余气体噪声对地基引力波探测装置灵敏度的影响,并从第三代地基引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计出发,通过理论分析和模拟,给出真空系统压强、环境温度、残余气体质量和种类、测试质量的曲率半径等因素对引力波探测灵敏度的影响.这为引力波探测原型机和全尺寸装置的真空系统设计和建设提供了重要的理论依据.     

引力波望远镜的装调误差对TTL耦合噪声的影响

本文研究了引力波望远镜的装调误差对望远镜的TTL(tilt-to-length,角度抖动与光程读出之间的)耦合噪声的影响。保持其他参量不变,仅对引力波望远镜中的某项装调公差进行赋值,仿真分析引力波望远镜中的某项装调公差对出瞳位置变化的影响,进而计算出激光干涉信号经过全玻璃激光干涉仪最终在四象限光电探测器上进行干涉时,由于引力波望远镜的装调公差的存在导致的TTL耦合噪声的变化情况。通过对比发现,引力波望远镜的主镜与次镜的距离公差,对引力波望远镜的TTL耦合噪声的影响大于其他光学元件之间的距离公差对TTL耦合噪声的影响。主镜和次镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化与次镜和三镜之间的距离公差、三镜和四镜之间的距离公差导致的TTL耦合噪声的变化符号相反;光阑和主镜之间的距离装调公差对TTL耦合噪声的变化影响很小,可以忽略不计。各个光学元件的距离装调公差导致的TTL耦合噪声的变化量与抖动角度之间呈抛物线规律分布。在装调空间引力波望远镜时,应着重控制主镜与次镜之间的距离误差。并且可以使用次镜和三镜之间的距离装调误差、三镜和四镜之间的距离装调误差导致的TTL耦合噪声来抵消由装调主镜和次镜之间的...     

合成孔径激光成像雷达(Ⅱ):空间相位偏置发射望远镜

报道一种可以进行空间相位偏置的光学望远镜,用作合成孔径激光成像雷达中的光学发射天线.在望远镜内放置相位调制平板,控制望远镜的离焦量和位相调制平板的相位函数,能够在激光望远镜的照明区产生可控制的附加空间相位二次项,灵活改变激光照明波前,以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程,因此能够实现特定的方位向成像分辨率.     

空间望远镜分块式主镜共相位调整的优化算法研究

以应用主动控制系统进行分块镜共相位调整的大口径空间望远镜为研究对象,分析了分块式主镜致动器位移与相位误差之间的对应关系以及共相位调整的目标。研究采用一种求解非线性约束问题的序列二次规划法优化求解主镜致动器的位移控制指令,校正分块式主镜相位误差。数学仿真结果表明,应用序列二次规划法对分块式主镜进行共相位调整优化,控制精度得到了很大地提高。     

引力波的预言、探测和发现

引力波是爱因斯坦在广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一。以引力波探测为基础的引力波天文学是一门新兴的交叉科学,是对传统电磁辐射天文学的巨大拓展与补充。文中讨论了引力波的预言和特性,给出了引力波探测的主要方法,详细分析了激光干涉仪引力波探侧器的工作原理和基本结构,介绍了引力波事例GW150914的主要参数和探测、数据处理。     

激光的相位噪声特性以及抑制方法研究

回顾了到目前为止激光相位噪声的研究成果,阐述了由经典模型和弛豫振荡导致的在线宽展宽影响下的激光线宽。提出了自发辐射放大会对激光谱线产生进一步影响的问题。在噪声的抑制方面,分析了电子介入系统锁相方案的锁相效果。通过比较已锁相激光和未锁相激光与理想激光之间的互相关函数,结果表明,成功的锁相会使锁相激光的相干长度扩展到无限长。     

“空间引力波探测”简介

2016年2月12日,美国LIGO地面引力波探测实验组正式宣布人类历史上第一次直接观测到了宇宙中双黑洞并合产生的引力波信号,开启了迈向引力波天文学的新纪元。2017年10月3日,2017年诺贝尔物理学奖授予三位LIGO引力波实验组的科学家,以奖励他们在“LIGO探测器以及引力波探测方面的决定性贡献”。     

高倍率低波前畸变引力波探测望远镜的光学设计

基于离轴四反的方案设计,从同轴反射系统的理论出发,结合高倍率,低波前畸变,以及高杂散光抑制比等特点对天琴望远镜的原理系统进行了优化设计。实现了在捕获±200μrad视场内系统百倍的压缩倍率,其入瞳直径300 mm,波前误差优于λ/80。提高三四镜之间光线转折角度进行杂散光抑制,在保证高质量波前的条件下,其三镜的偏角优化结果为5.5°,且三镜为平面镜的引入,降低了后期加工装调的难度。为了对原理系统的加工装调以及杂散光抑制能力进行验证,建立了该系统下0.5倍的缩比系统,实现了缩比系统的波前误差优于λ/175。经公差分析,原理系统有90%的累积概率其波前误差优于λ/40,满足引力波望远镜的指标要求。     

一种基于远场图像的稀疏光学合成孔径系统共相探测新方法的仿真研究

稀疏光学合成孔径系统中,共相探测环节检测子孔径间的相位平移误差,为系统高分辨力的实现提供重要支持. 文章从基本的物理原理出发,分析了系统远场与相位平移误差的关系,并以此为基础,从数学上阐明了 相位平移误差对系统远场图像的影响机制.进一步,针对典型的两孔径系统,提出了一种新的基于远场相似度 的共相探测方法,并对其可行性、原理性偏差和动态范围进行了仿真分析.结果表明,该方法在原理上可实现 对两孔径系统相位平移误差的良好标定,且避免了一些既有方法可能存在的2π模糊性及无法判断符号的问题,具有一定的动态范围,为共相探测新技术的进一步研究提供了有效参考.     

南极红外巡天望远镜红外背景辐射抑制方法

南极Dome A被认为是地球上最为优秀的天文测光、观测台址,尤其在红外波段。为了充分利用Dome A的独特天文观测优势条件以及满足系外行星观测需求和为我国未来南极更大口径望远镜的研制提供经验,提出建造1m可见/红外巡天望远镜。通过掩星法探测系外行星,至少需要万分之五的测光精度,必须很好地抑制或降低系统光机结构的自身辐射。以南极1m可见/红外巡天望远镜为例,进行南极红外望远镜杂散光抑制方法方面的探讨。由于该望远镜采用一次直接成像光学系统,光学结构简单,但无法设置冷光阑,红外背景辐射抑制效率较低。在光学系统设计上把次镜设置为孔径光阑进行优化设计,再详细介绍主镜遮光罩,次镜遮光罩,以及杜瓦瓶内冷光栏的独特设计,通过模拟仿真,自身辐射在像面上的辐照度为6.8×10-10 W/m2,为天空背景辐射在像面上的照度五分之一以下,满足天文观测三分之一要求。     

地基光电望远镜对空间碎片探测能力的评估模型

为了提高地基光电望远镜观测空间碎片的运行效率,建立了地基光电望远镜探测能力评估仿真模型.综合考虑碎片几何过境、碎片信号辐射量、背景源信号辐射量、光信号在传感器平面的投影等影响,获得碎片信号的探测信噪比,并作为过境碎片能否被探测到的依据.采用1m望远镜进行地球同步轨道碎片观测实验,并对模型进行验证.结果表明:仿真观测的第谷2星表中4颗背景亮星与观测实验结果一致;由于碎片形状等光学特性不同,碎片辐射量星等值的实验值与仿真值最大相差1.58倍,误差值在合理范围内.基于信噪比探测原理的地基光电望远镜探测能力评估仿真模型合理有效,可为观测设备建设、观测策略制定等提供参考.     

空间拼接主镜望远镜共相位检测方法

总结了常用的共相位检测方法,分析了各种方法的特点及其用于空间望远镜在轨检测的适用性.提出了一种新的基于色散瑞利干涉原理的共相位误差检测方法和相应的干涉条纹数据处理方法--二维色散条纹分析法.介绍了色散瑞利干涉法的基本原理,给出了其检测拼接主镜望远镜共相位误差的光路图.为验证所提出的方法,搭建了一套色散瑞利干涉仪检测共相位误差的实验验证装置.初步的实验结果表明所搭建的色散瑞利干涉实验装置的量程叮达到200μm,多次测量值的均方根误差(重复性)优于2 nm,共相位误差δ≤1 μm时,测量精度为6.56 nm,可以满足空基分块主镜望远镜在轨共相f{7=检测的要求.     

分块式空间望远镜波前传感及控制方法的仿真研究

分块式空间望远镜的波前传感及控制方法是实现高分辨率成像的关键.空间望远镜在轨展开后,由于空间环境及光学系统本身的特点,存在位置和面形误差,波前误差动态范围大、空间频率覆盖宽,需要采用分级校正的方法逐步减小误差.给出了波前校正流程及相应的波前传感及控制方法.利用Zemax软件建立了同轴偏场三反射镜系统仿真模型,并对主镜进行了分块设计.针对该系统模型,建立了分块式空间望远镜系统波前传感及控制集成仿真软件,通过分析分块主镜的波前误差校正过程验证了算法的可行性.     

一种空间超紫外望远镜在轨指向标定方法

介绍了一种不同波段的超紫外望远镜在轨指向的标定方法。此方法利用四个波段(13.0,17.1,19.5,30.4nm)的超紫外望远镜均有较高的光谱响应和能够对较强的太阳辐射光谱成像的特点,根据由不同的望远镜所获得的太阳的四个图像的变化,计算出了四个望远镜间的指向偏差。根据四个不同波段的超紫外望远镜的光学性能和太阳紫外辐射谱线的亮度优化出了具体的太阳辐射谱线,并对所选用的标定谱线的可行性进行了分析。该方法的在轨标定精度为0.1″。     

英国开发出一部引力波探测光学观测仪器

据国外媒体报道,近日英国牵头开发出了一部引力波探测光学观测仪器系统。据悉,该仪器系统在英国进行关键试验顺利,对于探测引力波至关重要的太空技术已经为搭乘火箭进行空天超重试验做好了准备。据介绍,这项新仪器技术指的是“激光干涉仪太空天线”（LISA）,LISA航天器旨在验证未来用于观测引力波的必要关键技术。该光学装置由位于格拉斯哥大学的引力研究所（IGR）建造和试验,现已被运送到德国阿斯特里姆公司,与其他科学模块集成。     

不同相位调制波形对背向散射噪声的抑制

谐振式光纤陀螺系统中,背向散射噪声成为制约其系统精度的重要因素之一.对陀螺双路系统其中一路光波信号进行研究,利用相位调制频谱展开及光场叠加的方法,对光纤环形谐振腔输出光场进行理论分析.理论上载波分量的出现会在系统中引入背向散射噪声,因此仿真分析引入载波分量的幅度,得到采用三角波调制比正弦波更有利于抑制载波分量.以抑制载波分量为目标,搭建自外差载波抑制测试平台,对相位调制器施加三角波与正弦波两种波形调制,得到采用三角波调制时载波抑制比最高可达64.3dB,比正弦波调制时高出6dB,与理论分析相符;在陀螺系统应用中,采用三角波调制时陀螺输出信号载波抑制程度更大,波动更小,更加稳定.