王 智，馬 軍，李靜秋

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

20世紀(jì)90年代，歐洲空間局(European Space Agency，ESA)和美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautic and Space Administration，NASA)合作，開始發(fā)展空間激光干涉引力波探測(cè)項(xiàng)目—Laser Interferometer Space Antenna(LISA)計(jì)劃。LISA是為了測(cè)量由時(shí)空引力波引起的時(shí)變應(yīng)力而設(shè)計(jì)的，預(yù)計(jì)可探測(cè)到超致密雙星、超大質(zhì)量黑洞并合等引力波源。LISA的工作頻段為10－3～1Hz，是地基干涉系統(tǒng)的直接補(bǔ)充(LIGO，VIRGO，TAMA 300 以及 GEO 600)［1-2］。

LISA系統(tǒng)包括3顆相同的衛(wèi)星，它們組成一個(gè)等邊三角形，在地球同步軌道，航天器星座質(zhì)心落后地球20°。每個(gè)航天器包含2個(gè)自由懸浮的測(cè)試質(zhì)量，每個(gè)測(cè)試質(zhì)量作為干涉儀干涉臂末端的反射鏡。星座3條臂的任意2條形成一個(gè)邁克爾遜干涉儀，通過在航天器間發(fā)送和接收紅外激光輻射來(lái)實(shí)現(xiàn)。引力波通過測(cè)量干涉臂長(zhǎng)的變化進(jìn)行檢測(cè)。

2 科學(xué)技術(shù)要求

科學(xué)技術(shù)要求是科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)觀察到的感興趣的天體事件所需要的平均引力波探測(cè)靈敏度制定的。引力波探測(cè)靈敏度h與相關(guān)干涉儀臂長(zhǎng)變化成比例，即:

式中，L是干涉儀臂長(zhǎng)(m)，δL是臂長(zhǎng)變化(mHz－1/2)。需要注意的是，技術(shù)要求是按照引力測(cè)量線性譜線的密度給出的。

正如上面所提到的，空間引力波探測(cè)的基本原理是利用空間自由懸浮測(cè)試質(zhì)量的間距作為傳感器，將引力波信號(hào)轉(zhuǎn)化為測(cè)試質(zhì)量間距變化的信號(hào)。然后利用邁克爾遜形式的高精度激光干涉儀對(duì)這個(gè)距離變化進(jìn)行讀出。要達(dá)到引力波探測(cè)所需要的靈敏度，依靠3個(gè)主要因素:

(1)干涉儀臂長(zhǎng);

(2)精確測(cè)量?jī)蓽y(cè)試質(zhì)量間距變化的能力;

(3)測(cè)量和抑制除引力波外的其他非保守力的能力，保證激光干涉測(cè)距系統(tǒng)對(duì)引力波信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè)。

LISA的設(shè)計(jì)主要集中在這3個(gè)方面。首要考慮的是，盡管引力波探測(cè)靈敏度要求給定的是天體引力波源位置和偏振的平均，顯而易見，給定干涉儀臂長(zhǎng)L為5×106km，LISA單臂的干涉測(cè)距系統(tǒng)精度必須達(dá)到幾十個(gè)pm Hz－1/2。

3 測(cè)量原理及LISA有效載荷

為了實(shí)現(xiàn)天基邁克爾遜形式的干涉儀，母航天器上設(shè)計(jì)有兩套激光干涉系統(tǒng)，其中一套用于對(duì)接收到的弱光進(jìn)行鎖相放大，干涉臂末端子航天器上的激光系統(tǒng)采用應(yīng)答機(jī)模式。激光從母航天器發(fā)出，遠(yuǎn)端航天器將接收到的弱激光進(jìn)行鎖相放大后返回母航天器，并與母航天器本地激光發(fā)生干涉，產(chǎn)生外差頻率信號(hào)。為了更好地響應(yīng)引力波的偏振特性，LISA采用3個(gè)處于等邊三角形頂端的衛(wèi)星編隊(duì)。每個(gè)衛(wèi)星都裝有2個(gè)測(cè)試質(zhì)量，作為3個(gè)邁克爾遜干涉儀的端點(diǎn)，形成星間的兩套激光干涉儀。空間引力波探測(cè)利用自由懸浮的測(cè)試質(zhì)量作為傳感器，將引力波信號(hào)轉(zhuǎn)化為測(cè)試質(zhì)量間距變化的信號(hào)，也就是干涉儀臂長(zhǎng)的變化。

激光干涉儀是LISA最重要的有效載荷，系統(tǒng)包含激光器、相位計(jì)以及兩個(gè)可移動(dòng)光學(xué)子系統(tǒng)，均與遠(yuǎn)端航天器相應(yīng)部分建立激光鏈路。除了光學(xué)組件，每個(gè)移動(dòng)光學(xué)子系統(tǒng)，包含引力波參考傳感器，內(nèi)有自由懸浮的測(cè)試質(zhì)量。這些組件組成了LISA有效載荷的核心，會(huì)在下面的章節(jié)詳述。

光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基線實(shí)施的是捷聯(lián)結(jié)構(gòu);每個(gè)干涉臂測(cè)試質(zhì)量間距微小變化的光學(xué)測(cè)量分成3個(gè)測(cè)量部分，其概念圖見圖1。

(1)本地測(cè)試質(zhì)量到本地光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的測(cè)量;

(2)本地光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)到遠(yuǎn)端光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的測(cè)量;

(3)遠(yuǎn)端光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)到遠(yuǎn)端測(cè)試質(zhì)量之間的測(cè)量。

圖1 LISA系統(tǒng)5×106km臂長(zhǎng)測(cè)量概念圖Fig.1 Concept of LISA's five million kilometers arm measurement

兩個(gè)獨(dú)立航天器的主動(dòng)激光系統(tǒng)采用偏振外差干涉法實(shí)現(xiàn)相對(duì)位移的測(cè)量。每套激光器對(duì)應(yīng)一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及相應(yīng)的干涉臂。望遠(yuǎn)鏡既是激光接收裝置(接收由遠(yuǎn)處航天器發(fā)過來(lái)的激光)，又是激光發(fā)射裝置(將本地航天器的激光發(fā)射至遠(yuǎn)端航天器)。采用正交線性偏振技術(shù)實(shí)現(xiàn)收/發(fā)多路技術(shù)。每個(gè)航天器上的兩套激光器使用有輕微差別的光學(xué)頻率，激光由激光器發(fā)出后經(jīng)光纖耦合導(dǎo)入干涉儀，經(jīng)分束鏡分為一束強(qiáng)光與一束弱光，其中強(qiáng)光(1.2 W)作為出射光，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，發(fā)射至遠(yuǎn)端航天器，同時(shí)弱光作為本地激光與遠(yuǎn)端航天器發(fā)射來(lái)的入射激光進(jìn)行干涉，探測(cè)器將激光干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并由相位計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢相。相位計(jì)基于數(shù)字器件并由超穩(wěn)晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)。

精確確定干涉儀臂長(zhǎng)變化是很復(fù)雜的，航天器與航天器之間由于軌道游離的原因會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致航天器之間存在相對(duì)速度。直接受到影響的是干涉儀臂長(zhǎng)(名義長(zhǎng)度為5×106km)，既不相等也不是一個(gè)常數(shù)。因此，激光頻率噪聲是影響測(cè)量的最主要的噪聲源。此外，干涉儀間的差頻并不是固定的，主激光器頻率必須按照預(yù)置的頻率進(jìn)行調(diào)制，以維持在光電探測(cè)器約20 MHz的動(dòng)態(tài)頻率范圍。軌道游離還影響有效載荷的機(jī)械設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谕缓教炱魃蟽商坠鈱W(xué)系統(tǒng)的視軸名義夾角為60°，并不是一個(gè)常數(shù)，而是1年內(nèi)變化的峰值為1.5°(“呼吸角”)。這需要設(shè)計(jì)一個(gè)專門的機(jī)構(gòu)(光學(xué)組件跟蹤機(jī)構(gòu))來(lái)調(diào)整兩個(gè)光學(xué)組件的相對(duì)方位。同時(shí)，激光從一個(gè)航天器到另一個(gè)航天器傳播5×106km的距離大約需要16 s，傳播光束需要在到達(dá)接收航天器前調(diào)整指向，也就是說(shuō)對(duì)于同一個(gè)光學(xué)組件，望遠(yuǎn)鏡的出射光束和接收光速并不是平行的。這個(gè)偏移量的面外補(bǔ)償需要6 μrad的周期變化，近似等價(jià)于發(fā)射光束的發(fā)散角。因此，每個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)需要一個(gè)提前量角度調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)補(bǔ)償這個(gè)影響。

為了抑制由于臂長(zhǎng)不等導(dǎo)致的激光器頻率噪聲，通過 Time Delay Interferometer(TDI)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)后期數(shù)據(jù)處理方法，將在軌單個(gè)干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行TDI處理后，重新組合生成等效的等臂長(zhǎng)干涉儀測(cè)量數(shù)據(jù)。這是一個(gè)算法，主要實(shí)現(xiàn)在不同時(shí)間不同航天器上由不同探測(cè)器測(cè)量的相位信息的時(shí)間延遲疊加。實(shí)際上，事件延遲干涉法從所有的航天器星座測(cè)量數(shù)據(jù)中，形成了一個(gè)等效的等臂長(zhǎng)邁克爾遜干涉儀。為了使算法有效，何時(shí)準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)(約30 ns)是至關(guān)重要的，轉(zhuǎn)換成苛刻的技術(shù)要求為:

(1)每個(gè)航天器數(shù)據(jù)的時(shí)間標(biāo)記;

(2)不同航天器的時(shí)間相關(guān)性程度;

(3)從航天器下傳地面的數(shù)據(jù)抽樣，過濾和插補(bǔ)的質(zhì)量。

許多光學(xué)外差探測(cè)器使用微分波前傳感來(lái)檢測(cè)測(cè)量光束與參考光速之間的波前傾斜。傾斜信息與光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試質(zhì)量間的位移測(cè)量，用于航天器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航天器以及測(cè)試質(zhì)量的姿態(tài)調(diào)整。

4 頂層系統(tǒng)技術(shù)要求

一旦干涉儀的臂長(zhǎng)確定，工程上的技術(shù)要求可以從應(yīng)力靈敏度得出。頂層系統(tǒng)的工程技術(shù)要求是按照“單鏈路測(cè)量誤差”定義的，同時(shí)定義了任一干涉臂兩測(cè)試質(zhì)量間距離測(cè)量的最大誤差。通過計(jì)算“探測(cè)器噪聲”到“引力波噪聲”的轉(zhuǎn)換公式，建立單鏈路測(cè)量誤差和應(yīng)力靈敏度之間的關(guān)系，其體現(xiàn)了測(cè)量?jī)x器噪聲與引力波靈敏度的比率。

單鏈路測(cè)量誤差用pm Hz－/2來(lái)表示，不但包括干涉測(cè)量系統(tǒng)誤差，而且包括非保守力導(dǎo)致的測(cè)試質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)引力波的有效探測(cè)，必須抑制非保守力導(dǎo)致的測(cè)試質(zhì)量的擾動(dòng)，如太陽(yáng)輻射壓力、電磁場(chǎng)力以及航天器間的引力等。

頂層技術(shù)要求主要有:(1)實(shí)現(xiàn)臂長(zhǎng)的精確測(cè)量;(2)減小測(cè)試質(zhì)量由于非保守力產(chǎn)生的加速度。這是兩種完全不同種類的誤差，為此必須規(guī)定兩種不同的誤差估計(jì):干涉測(cè)量系統(tǒng)(Interferometer Measurement System，IMS)和擾動(dòng)抑制系統(tǒng)(Disturbance Reduction System，DRS)。

IMS和DRS誤差頻率相關(guān)，IMS誤差主要在高頻(也就是～5 mHz)，最大的誤差分配為12 pm Hz－1/2，而 DRS 誤差頻率低于5 mHz，最大的誤差分配為 3 ×10－15ms－2Hz－1/2。

5 光學(xué)組件

光學(xué)組件包含激光干涉儀的光機(jī)結(jié)構(gòu)，引力參考傳感器(Gravitational Reference Sensor，GRS)包含每個(gè)干涉臂測(cè)試質(zhì)量末端。光學(xué)組件設(shè)計(jì)須經(jīng)過多次迭代［3］，從而對(duì)不同的構(gòu)型進(jìn)行研究和比較。

圖2 光學(xué)組件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design diagram of optical assembly

除了權(quán)衡具體的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工業(yè)研究還需要權(quán)衡主要的設(shè)計(jì)理念、視場(chǎng)內(nèi)指向［4］。這涉及一個(gè)單一固定的光學(xué)子系統(tǒng)，其擁有兩個(gè)大視場(chǎng)角的望遠(yuǎn)鏡，在單一的光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上有一個(gè)GRS(或者兩個(gè)，一個(gè)為備份)和一個(gè)移動(dòng)的小反射鏡，用來(lái)處理“呼吸角”。與之截然相反的是設(shè)計(jì)有兩套可移動(dòng)的光學(xué)組件，每套光學(xué)組件由一個(gè)小視場(chǎng)角望遠(yuǎn)鏡，一套光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及一套GRS組成，光學(xué)組件由跟蹤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。即使視場(chǎng)內(nèi)指向可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)上合理的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)規(guī)劃作為其他構(gòu)型的設(shè)計(jì)基線，并且，最后的設(shè)計(jì)方案由Astrium于2008年6月在任務(wù)設(shè)計(jì)評(píng)審中提出。

最新的LISA設(shè)計(jì)在每一個(gè)航天器上由兩套可移動(dòng)光學(xué)子系統(tǒng)(Moving Optical SubAssemblies，MOSA)組成，為了處理“呼吸角”，保持衛(wèi)星軌道的穩(wěn)定性，航天器組成的星座平面與赤道面夾角約為60°。每套MOSA都可以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)端航天器組成光學(xué)鏈路以實(shí)現(xiàn)激光的發(fā)射和接收，主要包括MOSA結(jié)構(gòu)、望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及引力參考傳感器。光學(xué)組件通過兩套獨(dú)立的激光系統(tǒng)反饋，兩套激光系統(tǒng)由背部的光纖連接，相位相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)外差干涉測(cè)量，接收到的皮瓦量級(jí)的激光與本地激光發(fā)生干涉，獲得相位差信息。有效載荷的電子學(xué)和激光器系統(tǒng)分布在航天器的周圍。圖2是光學(xué)組件的設(shè)計(jì)結(jié)果。

在每個(gè)MOSA中，400 mm口徑的離軸望遠(yuǎn)鏡將入射光聚焦在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的一個(gè)可折疊反射鏡上，該反射鏡與望遠(yuǎn)鏡的光軸垂直且反射面朝向望遠(yuǎn)鏡的一側(cè)。光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)固定在一個(gè)碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)上，引力參考傳感器也固定在上面。為了保證熱彈性穩(wěn)定所有的組件均采用熱絕緣技術(shù)安裝。光機(jī)結(jié)構(gòu)的布局如圖3所示。

圖3 可移動(dòng)組件圖Fig.3 Diagram of movable assembly

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)也承載著望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)組件(焦面調(diào)整機(jī)構(gòu)，F(xiàn)OC)、發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)、相關(guān)的光纖發(fā)射器、激光鏈路初始獲取CCD傳感器、提前量角度補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、每個(gè)航天器上與兩套激光器相位相關(guān)的參考干涉儀以及用于測(cè)試質(zhì)量軸向位置和側(cè)向姿態(tài)精確測(cè)量的專用激光干涉儀。

增加的輔助干涉儀包含在MOSA中，主要是為了測(cè)量提前量角度有效指向以及發(fā)射光束的波前相位變化。光通過光纖傳輸至MOSA，光機(jī)轉(zhuǎn)換器作為光信號(hào)的冗余開關(guān)。綜上，每個(gè)MOSA提供29路不同的探測(cè)器信號(hào)，這些信號(hào)攜帶有外差干涉儀的頻率信息。其中，20路信號(hào)同時(shí)有效，9路提供冷備份。

6 望遠(yuǎn)鏡

為了減小雜散光，避免波前變形，采用離軸兩反系統(tǒng)和一個(gè)兩鏡目鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡［7-8］。其設(shè)計(jì)主要包括在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的一離軸目鏡、主鏡(M1，拋物面，口徑為405 mm)和次鏡(M2，雙曲面，口徑為30 mm)的裝配體，主次鏡材料均采用微晶玻璃，支撐結(jié)構(gòu)采用CFRP，主次鏡間隔為596 mm。入瞳直徑為400 mm，位于測(cè)試質(zhì)量的位置。出瞳(直徑為5 mm，在最后一個(gè)元件203 mm處)的對(duì)準(zhǔn)通過在最后裝配時(shí)調(diào)整折疊鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且由熔石英目鏡系統(tǒng)對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。此設(shè)計(jì)提供的有效口徑為400 mm，足夠用于進(jìn)行提前量角度調(diào)整的±0.02°的視場(chǎng)角，并且波前誤差超過了設(shè)計(jì)要求。

望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦機(jī)構(gòu)用于補(bǔ)償在軌和地面不同狀態(tài)下望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)尺寸的變化，修正主次鏡支撐結(jié)構(gòu)由于真空放氣導(dǎo)致的主次鏡間距變化，同時(shí)修正隨時(shí)間產(chǎn)生的不可知因素導(dǎo)致的像面移動(dòng)。調(diào)焦機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的主要要求是在工作狀態(tài)下，可以實(shí)時(shí)地獲得入射/輸出波前質(zhì)量。實(shí)際上，對(duì)于LISA來(lái)說(shuō)，光學(xué)系統(tǒng)像差的對(duì)準(zhǔn)誤差是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@些誤差使遠(yuǎn)場(chǎng)偏離理想球面波。偏離會(huì)使發(fā)射信號(hào)的航天器產(chǎn)生姿態(tài)指向抖動(dòng)，導(dǎo)致位相測(cè)量時(shí)接收航天器在測(cè)量?jī)蓽y(cè)試質(zhì)量間距離時(shí)產(chǎn)生譯相錯(cuò)誤。

作為一個(gè)可選項(xiàng)，為了直接測(cè)量望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，提出了一個(gè)“光學(xué)桁架”(optical truss)的概念。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)桁架［8］的測(cè)量，激光束中的一小部分被截取，并離開望遠(yuǎn)鏡分布在次鏡支撐環(huán)均布的3個(gè)位置上。這束光與當(dāng)?shù)毓鈱W(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上發(fā)出的準(zhǔn)直振蕩器激光混合，產(chǎn)生一個(gè)外差信號(hào)。與光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上產(chǎn)生的參考信號(hào)一起，可以檢測(cè)出從光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)到望遠(yuǎn)鏡出瞳之間皮米量級(jí)的光程變化。為了不影響遠(yuǎn)場(chǎng)波前質(zhì)量，光學(xué)桁架截取的光束產(chǎn)生的光暈一定要盡可能的小，因此，截取的光束盡量在光束邊緣選取，既便如此，在高斯強(qiáng)度分布圖上已經(jīng)顯示出顯著的下降。

7 光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)

與上面描述的捷聯(lián)測(cè)量原理相一致，光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含3個(gè)干涉儀:主要的科學(xué)干涉儀、測(cè)試質(zhì)量光學(xué)讀取干涉儀以及參考干涉儀。其他組件也安裝在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，這些組件主要是為了完成一些輔助功能，尤其是:輔助干涉儀用來(lái)測(cè)量提前量補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的機(jī)械位移，監(jiān)視二極管用來(lái)對(duì)發(fā)射激光束進(jìn)行功率監(jiān)視，以及CCD用來(lái)建立星座間的激光鏈路，特別是遠(yuǎn)端航天器激光束的獲取。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)基板采用輕質(zhì)微晶結(jié)構(gòu)，為整個(gè)科學(xué)鏈路中所有相關(guān)的光程提供足夠的尺寸穩(wěn)定性基礎(chǔ)。在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的拋光表面上，使用氫氧化催化粘結(jié)劑來(lái)固定熔石英光學(xué)元件。實(shí)驗(yàn)臺(tái)以120°間隔均勻安裝在CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)結(jié)構(gòu)上，實(shí)驗(yàn)臺(tái)與CFRP結(jié)構(gòu)連接部分鑲嵌有連接環(huán)。

圖4 光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Diagram of optical bench

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)目前的設(shè)計(jì)布局如圖4所示。發(fā)射端激光(LO1)由激光器系統(tǒng)經(jīng)過光纖傳輸?shù)酵h(yuǎn)鏡，然后發(fā)射到遠(yuǎn)端航天器。通過偏振分光器來(lái)實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)射光束的分離，接收到的光束與其他光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)激光器發(fā)出的激光(LO2)進(jìn)行干涉，由四象限光電探測(cè)器檢測(cè)。偏振分光器立方鏡的直角邊用來(lái)將光束耦合進(jìn)望遠(yuǎn)鏡背部光學(xué)系統(tǒng)。同樣地，LO1可用到其他光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過路徑選擇，一小部分的光通過光纖連接兩個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。為了減少共有模式錯(cuò)誤，光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以在相反方向同時(shí)傳輸LO1和LO2。

測(cè)試質(zhì)量相對(duì)于光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)位置和姿態(tài)的讀取是通過偏振外差干涉測(cè)量法結(jié)合微分波前傳感來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LO1從測(cè)試質(zhì)量的前表面反射并與LO2干涉以提供外差信號(hào)。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含一個(gè)LO1-LO2參考干涉儀，主要為了相位消除。它為光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上所有的干涉儀定義了相位參考點(diǎn)，它的溫度穩(wěn)定性可以保證獨(dú)立通道間的相位相關(guān)。LO1-LO2差拍信號(hào)可被其他外差信號(hào)直接用于抵償共有模式誤差。

整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)成像設(shè)計(jì)是將提前量驅(qū)動(dòng)器、測(cè)試質(zhì)量以及所有光電二極管都位于光瞳面內(nèi)，避免了成像在光電二級(jí)管上的光束波前傾斜轉(zhuǎn)換誤差。這是高質(zhì)量微分波前傳感的首要條件，波前傳感用來(lái)對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、入射波前和測(cè)試質(zhì)量的傾斜量以納弧度分辨率進(jìn)行測(cè)量。

進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射光束能量約為2 W，然而接收光束的總能量為200 pW。因此，這與雜光的影響直接相關(guān)，必須嚴(yán)格控制，尤其是高功率的入射光束。在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中，采用直接線性偏振技術(shù)來(lái)抑制入射光和接收光之間的雜光。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)同時(shí)也容納望遠(yuǎn)鏡的部分光學(xué)系統(tǒng)，稱之為“望遠(yuǎn)鏡后光學(xué)”。包括望遠(yuǎn)鏡目鏡、調(diào)焦機(jī)構(gòu)以及光束路徑選擇。因此，光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的一個(gè)特定區(qū)域不能被其他設(shè)備占據(jù)。

8 引力參考傳感器

引力參考傳感器［9］包括一個(gè)GRS頭部以及相關(guān)的電子學(xué)。GRS頭部包含一個(gè)真空罩，罩內(nèi)由圍繞測(cè)試質(zhì)量的電極房和閉鎖機(jī)構(gòu)組成。為了創(chuàng)造一個(gè)接近于測(cè)試質(zhì)量的對(duì)稱引力場(chǎng)，在真空罩的內(nèi)部設(shè)計(jì)有配重。一套極紫外光組件通過光纖連接光源和GRS頭部。

閉鎖機(jī)構(gòu)用來(lái)將測(cè)試質(zhì)量鎖定在一個(gè)安全的位置使之能承受發(fā)射過程的振動(dòng)以及移動(dòng)測(cè)試質(zhì)量到電極房的中心，并且能以盡量低的速度釋放測(cè)試質(zhì)量(＜5 μm/s)，移交給靜電控制系統(tǒng)。

電荷管理裝置在必要時(shí)給測(cè)試質(zhì)量放電，不允許與測(cè)試質(zhì)量有機(jī)械接觸。電荷系統(tǒng)對(duì)測(cè)試質(zhì)量的充(放)電操作主要是利用極紫外光照射在測(cè)試質(zhì)量以及電極房表面產(chǎn)生的光電效應(yīng)。

通過靜電方法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作以及測(cè)試質(zhì)量位置的讀取，其需要沿非敏感軸采用非科學(xué)操作，靜電讀取的原理是通過射入電極的方式在測(cè)試質(zhì)量上產(chǎn)生一個(gè)高頻率電壓信號(hào)。另外一套電極用于靜電促動(dòng)和傳感，測(cè)試質(zhì)量與電極房的相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的電極與測(cè)試質(zhì)量間距離的變化，以及由此產(chǎn)生的相關(guān)電容。通過一套基于參數(shù)的橋式微分電容測(cè)量?jī)x來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)測(cè)試質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)。GRS前端電子學(xué)負(fù)責(zé)電容傳感器的讀取以及測(cè)試質(zhì)量促動(dòng)所需要的電極房電極的電壓。

靜電傳感和促動(dòng)，以及測(cè)試質(zhì)量的光學(xué)讀取都是由本地光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)包含在無(wú)拖曳姿態(tài)控制系統(tǒng)［10］內(nèi)。航天器的微推進(jìn)系統(tǒng)可以使航天器跟隨測(cè)試質(zhì)量按它的測(cè)地線運(yùn)動(dòng)，保護(hù)其不受外部擾動(dòng)的影響。

9 相位測(cè)量系統(tǒng)

相位測(cè)量系統(tǒng)的主要功能是對(duì)2～20 MHz頻率帶的正弦信號(hào)進(jìn)行相位測(cè)量，它的主要組件有:頻率分類電子學(xué)系統(tǒng)(為測(cè)量提供參考頻率);相位計(jì)前端電子學(xué)以及相關(guān)的后端數(shù)字信號(hào)處理器。

相位測(cè)量系統(tǒng)的基線是高精度(約10－5rad Hz－1/2)測(cè)量與內(nèi)部超穩(wěn)定晶振器相關(guān)的正弦信號(hào)。相位測(cè)量原理基于數(shù)字鎖相環(huán)，鎖定信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，與鎖定的數(shù)字晶振器頻率共同實(shí)現(xiàn)基本的相位測(cè)量。原始相位測(cè)量數(shù)據(jù)在相位計(jì)內(nèi)進(jìn)行處理，有3個(gè)主要目的:

(1)從科學(xué)數(shù)據(jù)流中提供相位測(cè)量數(shù)據(jù)。為達(dá)到這個(gè)目的，原始測(cè)量數(shù)據(jù)被抽選過濾成1 Hz帶寬的低通濾波信號(hào)，在3.3 Hz處采樣、編碼，采用處理時(shí)間印記注釋并打包。

(2)為無(wú)拖曳姿態(tài)控制系統(tǒng)，提供測(cè)試質(zhì)量沿敏感軸的線性位移和兩個(gè)角度的測(cè)量。為了達(dá)到這個(gè)目的，選出的相位測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，體現(xiàn)在10Hz處的微分波前傳感信號(hào)。

(3)為激光頻率控制提供作為傳感器信號(hào)的頻率測(cè)量數(shù)據(jù)。為了達(dá)到這個(gè)目的，將選出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，體現(xiàn)在約50 kHz帶寬的頻率測(cè)量數(shù)據(jù)。

除上面說(shuō)明的主要功能外，相位測(cè)量系統(tǒng)還需履行一些必要輔助功能，以便地面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的處理。尤其是，為了測(cè)量超穩(wěn)定振蕩器頻率噪聲，將激光進(jìn)行調(diào)制。其它的正弦信號(hào)也被用于傳輸時(shí)間信號(hào)，使不同航天器的時(shí)間具有相關(guān)性。這些信號(hào)被嵌入旁頻帶，遠(yuǎn)離載波頻率幾個(gè)GHz。相位測(cè)量系統(tǒng)因此也測(cè)量旁頻帶的相位，這些頻率具有較低的20 dB信號(hào)功率。總之，相位測(cè)量系統(tǒng)需要的通道數(shù)是58，然而只有40個(gè)通道是有效的，其余均為冷備份。

10 激光器系統(tǒng)

LISA的干涉測(cè)量方案需要在每一個(gè)航天器上配置兩套獨(dú)立的Nd∶YAG(波長(zhǎng)為1 064 nm)激光光源，分別表示為L(zhǎng)O1和LO2。整個(gè)LISA星座工作在4～20 MHz的頻率范圍，為確保每一個(gè)光電探測(cè)器采集到外差頻率信號(hào)，激光器以約幾個(gè)MHz不同的頻率工作。在安裝到各自的航天器光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上時(shí)，每個(gè)獨(dú)立的激光振蕩器均包含偏振保持的單模光纖。

Nd∶YAG采用非平面環(huán)振蕩器作為主振動(dòng)器。部分輸出光輸入可調(diào)的參考頻率進(jìn)行預(yù)穩(wěn)定處理。參考頻率無(wú)法精確確定，主要的因素:光學(xué)參考腔具有可調(diào)的長(zhǎng)度，旁頻帶鎖定在一個(gè)固定長(zhǎng)度腔體且頻率可調(diào);LISA相位測(cè)量系統(tǒng)中不相等臂長(zhǎng)的干涉儀產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

通過頻率控制器調(diào)整參考頻率到指定的點(diǎn)。誤差信號(hào)反饋到非平面環(huán)振蕩器(NPRO)，積分器通過調(diào)整晶體溫度移除任何直流成分。頻率控制環(huán)不但利用可調(diào)的參考頻率信息，而且也利用干涉臂作為延遲線:激光噪聲的測(cè)量是通過比較實(shí)際的激光信號(hào)和通過星座往返而延遲的該信號(hào)的復(fù)制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這通常被稱為鎖臂。

非平面環(huán)振蕩器輸出的主要部分耦合進(jìn)光纖耦合光電調(diào)制器，在一個(gè)單一帶寬設(shè)備中產(chǎn)生旁頻帶調(diào)制信號(hào)。為了滿足最后放大到2 W能量的需求，振蕩器的輸出光能量必須達(dá)到30 mW。放大是在雙包層活性光纖里，通過備份的光纖耦合泵浦二極管實(shí)現(xiàn)。這些泵浦二極管通過調(diào)整二極管電流控制能量輸出。放大系統(tǒng)由光學(xué)隔離器保護(hù)，以防后面反射的影響。

11 結(jié)論

引力波是愛因斯坦提出的關(guān)于廣義相對(duì)論的四大預(yù)言之一，未來(lái)在引力波探測(cè)的研究中所獲得的突破，將可能比其它預(yù)言產(chǎn)生更為巨大而深遠(yuǎn)的影響，甚至將大大促進(jìn)人類文明的進(jìn)程。到目前為止，引力波是廣義相對(duì)論中最后一個(gè)未被直接觀測(cè)到的預(yù)言?？臻g引力波探測(cè)的發(fā)展，不僅是為了檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，而且可能為天文學(xué)和宇宙學(xué)開拓一個(gè)新的觀測(cè)窗口。天體引力波源十分遙遠(yuǎn)，信號(hào)微弱，導(dǎo)致直接測(cè)量非常困難，LISA計(jì)劃是最早開始發(fā)展的空間引力波探測(cè)項(xiàng)目，也是目前國(guó)際上發(fā)展最成熟的空間引力波探測(cè)計(jì)劃。隨著人們對(duì)引力波波源認(rèn)識(shí)的進(jìn)步，相關(guān)精密測(cè)量和空間技術(shù)的發(fā)展，特別是激光干涉技術(shù)、慣性傳感技術(shù)、無(wú)拖曳控制技術(shù)以及超精密加工與制造技術(shù)的發(fā)展，使得空間引力波探測(cè)成為可能。

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