空间引力波探测星载望远镜专题导读(二)

探测空间引力波有望揭开更多的宇宙奥秘。在国家重点研发计划项目的支持下,《光电工程》组织了“空间引力波探测星载望远镜专题(二)”。专题围绕空间引力波探测星载望远镜设计与分析、建造与装调、测试与评估等几个方面介绍了近期的主要研究进展,将为相关领域学者和专家提供技术研究的参考和合作交流的平台,并将积极推动我国空间引力波探测计划的研究进程。

月基激光干涉仪引力波天文台

引力波是广义相对论的重要预言,引力波探测是当代物理学最活跃的前沿领域之一。引力波的发现使引力波天文学完成了从寻找引力波到研究引力波这一历史性转折,开创了引力波天文学蓬勃发展的新时代。以地球为基地的激光干涉仪引力波天文台和空间引力波探测器在世界各地迅速地发展起来。随着探月工程的开展,以月球为基地的激光干涉仪引力波天文台的建造也越来越引起人们的关注。该文对月基激光干涉仪引力波天文台进行了简介:首先回顾其历史、陈述其有利条件及探测器基本参数和光学结构,展望其未来的发展前景。

高频引力波的应用前景、产生机制和探测方案

较为全面地论述了高频引力波的应用前景、产生机制和探测方案 .

基于强化学习的空间引力波探测望远镜系统外杂光抑制研究

引力波望远镜其收集的空间目标光信号能量远小于杂散光能量,为了保证引力波望远镜的正常工作,需要保证较好的杂光抑制效果。又由于散射光线的不确定性,光机系统本身的复杂性,杂光抑制方案的确定往往需要复杂的数学公式计算以及丰富的经验与充足时间进行仿真迭代。本文提出了一种基于强化学习的杂光抑制策略,针对空间引力波探测望远镜系统中的环境杂光问题,采用蒙特卡洛光线追迹方法进行分析和处理。通过制定有效的杂光抑制措施,实现了对该系统中杂光的有效控制。仿真结果验证了该方法在空间引力波探测望远镜系统中杂光抑制方面的优异性能,展示了其具有良好杂光抑制效果的潜力。这一研究为解决空间引力波探测和其他高精度光学系统中的杂光问题提供了一种高效、灵活的新方法,具有广泛的应用潜力。

空间引力波探测干涉仪探测模式比较研究

为了实现毫赫兹频段的引力波信号测量,基于激光干涉体制的空间引力波探测计划要求干涉系统硬件本底噪声低于星间散粒噪声极限,这对光机设计及相应干涉载荷提出了严苛的工程指标。本文从探测模式选择的角度出发,推导了在单探测器模式和平衡模式下读出噪声和杂散光噪声在干涉信号中的表达形式,并就科学干涉仪的弱光干涉过程进行了详细讨论。结果表明,平衡模式可以跨量级的抑制激光功率涨落和后向杂散光引起的干涉相位噪声,但其抑制能力受限于合束器的不等比分光性质。为此引入相对增益因子来补偿合束器的不等比分光特性,进一步的分析表明,电子学手段的增益补偿只能消除不等比分光对两者之一的影响,不能同时兼顾,需要在激光功率涨落噪声和杂散光噪声的抑制之间平衡选择增益补偿。即便如此,平衡模式下的跨量级的噪声抑制能力,仍然可望降低对激光功率涨落和望远镜杂散光的工程指标要求。

空间引力波星载望远镜测试与评估技术研究进展

在空间引力波探测任务中,星载望远镜承担太空超长干涉光路双向光束准直的重要作用。空间引力波探测对星载望远镜提出了pm级光程稳定性和低于10^(-10)级后向杂散光水平的极高要求。超高水平指标要求超过了当前测试技术的精度极限,因此,针对星载望远镜发展测试与评估技术并开展系统超高精度测试是空间引力波探测计划成功的重要前提。本文在概述国内外在研的空间引力波探测星载望远镜研制情况的基础上,重点围绕星载望远镜的核心技术指标——光程稳定性和后向杂散光,介绍了在研望远镜的测试技术发展现状和已经取得的部分测试成果,以及各研究单位进一步的测试计划,为我国的空间引力波探测的星载望远镜测试与评估技术发展提供参考。

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.

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。

基于MBSE的空间引力波探测系统指标管理及其探测灵敏度分析

为了将空间引力波探测系统论证过程中顶层指标分解与系统级性能分析过程动态关联,提供对空间科学任务全生命周期信息的管理与应用分析能力,提出了基于模型的系统工程(MBSE)的空间引力波探测系统指标管理及其探测灵敏度分析方法。通过系统建模语言(SysML)构建空间引力波探测系统指标参数模型,并解析模型内容,筛选和记录指标参数,最后,通过探测灵敏度这一评价空间引力波探测系统探测能力的主要标准,实现空间引力波探测系统对不同科学目标的探测性能分析。结果表明,该方法可统一管理和追溯所有指标内容,为空间引力波探测系统顶层指标论证和系统级性能评价提供了支持。

引力波探测中惯性传感器的残余气体动力学特性机理研究

作为空间引力波探测的核心系统,惯性传感器在轨运行时的噪声干扰诱发机制解析是迫切需要解决的关键科学问题。惯性传感器中检验质量(TM)的残余加速度噪声是限制探测器灵敏度的最大噪声源。作为残余气体噪声的直接表征手段,惯性传感器复杂拓扑构型下气体分子逃逸时间动态特性解析亟待解决。文章首先考虑了狭小空间下检验质量块与周围壁面间的材料属性、放气特性等差异性,建立了异质空间复杂拓扑结构下的惯性传感器数理模型;其次解析出残余气体噪声与气体分子逃逸时间之间的定量约束关系,提取了逃逸时间核心影响因素;随后以蒙特卡洛模拟技术为切入点,得到约束条件下气体分子从板间扩散出去所需的逃逸时间及碰撞次数的模拟解。文章研究发现:不同气体成分、壁面性质对残余气体噪声有较大影响;考虑气体分子在壁面的滞留时间会大幅增加逃逸时间、降低碰撞频率。

引力、引力波和引力波的探测

简要地回顾了引力和引力波概念的由来,以及人们为探测引力波所作的各种努力.

引力波与引力波探测:一个全新的空间信息通道

简述了引力波探测的历史,介绍了对质量谐振探测器、地面激光干涉引力波探测器、空间激光干涉引力波探测器,以及引力波在宇宙微波背景上极化效应的相关探测方案,评述了微波频带的高频引力波探测方案.

空间引力波探测望远镜多自由度形变测量方法解耦研究与噪声分析

空间引力波探测望远镜是引力波探测卫星的核心载荷之一,它同时对传输光束进行扩束和缩束。光程稳定性是望远镜的核心指标之一,其与望远镜结构稳定性密切相关。为了满足引力波探测任务对望远镜提出的超高光程稳定性和结构稳定性要求,必须对望远镜结构形变测量进行研究。本文开展了对空间引力波探测望远镜多自由度形变测量的研究,重点解决多自由度测量的耦合问题,并对误差来源进行详细分析。在空间引力波探测望远镜的研制阶段,该测量方法的研究有望满足望远镜多自由度形变测量的需求,为望远镜设计提供多自由度形变的数据反馈,为望远镜光程稳定性研究提供指导。

空间引力波望远镜主镜组件结构设计及热稳定性分析

针对空间引力波探测对望远镜系统提出的皮米级稳定性和λ/30波前误差的应用需求,提出了一种光机集成分析与优化方法。首先开展了主镜侧支撑点位置分析和支撑结构拓扑优化;然后基于并联Bipod连杆支撑的柔度矩阵,建立了各结构参数的评价函数,并通过Matlab分析初步确定柔性支撑尺寸参数取值范围;最后,搭建了光机集成仿真平台对结构进一步优化。结果表明,系统一阶频率为392.43 Hz,重力和温度载荷下主镜面形变化优于λ/60;在10μK/Hz^(1/2)的空间热扰动下,主镜组件尺寸稳定性在10 pm/Hz^(1/2)水平。

用于引力波探测的星间激光干涉测量模拟系统

星间激光干涉仪具有比地面干涉仪更长的干涉臂(10^(6)km),能够探测更低频段0.1 mHz~1 Hz的引力波。星间激光干涉仪具有典型的应答式外差干涉仪结构,其本质是一个光学锁相环。在地面环境下搭建模拟的星间激光干涉仪,成功将从激光器的频率锁定到稳频的主激光器频率上。结果显示:锁相环的锁定时间超过2×10^(4)s,满足了低频信号的探测条件;在较短位移和较长位移的不同条件下,干涉仪无粗大误差。经过分析得出:温度、气压等环境扰动带来的噪声是制约干涉仪精度的关键因素。

北美纳赫兹引力波天文台

北美纳赫兹引力波天文台(NANOGrav)是基于美国和加拿大的脉冲星计时阵合作组织,致力于搜索纳赫兹引力波,并且是国际脉冲星计时阵联盟的一部分。文章主要介绍该合作组织的历史和取得的重要进展。自2007年以来,北美纳赫兹引力波天文台已经完成了数据集、分析方法及其解释工作,促成了2023年6月多个脉冲星计时阵合作组织宣布有引力波背景的证据。利用为期15年的数据集,北美纳赫兹引力波天文台报告了一个振幅约为2.4×10^(-15)的共性红信号,以及约3.5σ的引力波背景的特征空间相关性。预计通过数据集的组合,例如即将推出的IPTA DR3和未来的数据集,信号灵敏度将增加,从而确认信号的引力波来源,并限制引力波源的性质以及各种引力理论。

空间引力波探测器自引力分析与建模方法

航天器质量分布和检验质量间的自引力效应是影响空间引力波探测的一项重要噪声来源。针对该噪声,研究空间引力波探测器自引力分析与动态模型构建方法,以实现引力波探测系统全链路噪声动态仿真。首先,分析空间引力波探测中自引力的主要影响因素,推导空间内任一质点对立方体检验质量的引力解析公式,构建航天器有限元模型,并基于该模型分析主要因素对自引力的影响。然后,提出一种基于有限元分析和多项式回归的自引力数学模型构建方法,并与反向传播神经网络、支持向量回归等方法进行比较与仿真验证。仿真结果表明,所提方法精度优于10^(-16) m·s^(-2),且计算简单,可被有效应用于后续引力波科学探测任务。

地心轨道引力波探测无拖曳系统平动控制策略

探讨了一种针对空间引力波探测任务的在轨无拖曳控制技术,基于未来可行的地心轨道探测任务背景进行分析设计,并对搭载两颗检验质量的在轨无拖曳系统进行航天器与质量块间相对运动动力学及耦合特性建模。同时,初步分析了任务中无拖曳系统指标和摄动,并设计了基于频域H_(∞)最优控制理论的系统相对平动控制律。数值仿真结果表明,当双检验质量在轨无拖曳系统各检验质量按激光测距呼吸角排列时,采用无固定追踪点策略且在非敏感轴无悬浮控制输入的情况下,可以实现航天器对基准点的追踪,并满足系统频域性能指标的要求。同时,每颗检验质量的时域偏移量可以控制在微米级别,从而获得任务所需的纯引力基准。

源于宇宙弦的引力波暴及其电磁共振效应

引力波为宇宙学模型的检验提供了新方法,宇宙弦环震荡会激发较强的尖端引力辐射,甚高频波段的引力波可以通过电磁共振效应来探测.文章基于修正的宇宙弦模型,以p和?为自由参数,主要研究了宇宙弦环震荡产生的甚高频引力波特性h,以及在电磁共振方案中产生的物理效应.通过数值计算保守估计引力波暴的量纲为1的振幅强度可以达到10^(-28)~10^(-25).在电磁共振效应下产生的信号光子流强度N_(x)^(1)达到10^(4)~10^(8)s^(-1),信噪比强度S为10^(-20)~10^(-14).与其它类型的此频段引力波相比较,此类引力波更可能在未来被探测器探测到.

空间引力波探测无拖曳技术现状与趋势

航天器无拖曳控制是实现引力波空间探测科学平台超静超稳运行的核心关键技术之一。目前,国内外各研究机构对航天器系统的动力学与控制进行了深入研究,并针对不同的探测频段需求提出了不同的探测任务。根据探测任务进行了航天器编队设计与控制的详细介绍和分析,对涉及的无拖曳与姿态控制、高精度惯性传感器与执行机构等原理和理论方法进行了深入的剖析。针对现已开展的空间引力波探测无拖曳航天器在轨飞行的演示验证整体情况进行详述和分析。在此基础上,提出后续开展相关研究中亟待解决的关键问题,指出未来无拖曳航天器系统动力学与控制的研究热点和趋势。