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

一、背景介紹

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻引力波的探測(cè)，主導(dǎo)開(kāi)啟了空間引力波探測(cè)任務(wù)——太極計(jì)劃，該計(jì)劃基于激光外差干涉技術(shù)，目標(biāo)為在300萬(wàn)公里臂長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)0.1 mHz至1 Hz頻段引力波的高精度探測(cè)。為了消除由衛(wèi)星間的時(shí)鐘不同步帶來(lái)的時(shí)鐘噪聲，需要將衛(wèi)星間的時(shí)鐘頻率抖動(dòng)進(jìn)行星間傳遞測(cè)量，后采用時(shí)間延遲干涉的數(shù)據(jù)處理方法消除時(shí)鐘噪聲。同時(shí)，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(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性。由此，為了滿足太極計(jì)劃的要求，激光干涉系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)相對(duì)距離測(cè)量的主要功能外，還需實(shí)現(xiàn)相應(yīng)輔助功能，即時(shí)鐘噪聲傳遞和星間通信測(cè)距（測(cè)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(xiàng)功能均在獨(dú)立的系統(tǒng)下完成，未對(duì)輔助功能一體化進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(jì)。

二、創(chuàng)新工作

太極計(jì)劃對(duì)實(shí)現(xiàn)引力波探測(cè)的主要科學(xué)測(cè)量目標(biāo)之外還提出了時(shí)鐘噪聲傳遞以及星間通信測(cè)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(shí)現(xiàn)功能一體化的目標(biāo)。力學(xué)研究所引力波實(shí)驗(yàn)中心基于時(shí)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(shí)現(xiàn)時(shí)鐘噪聲傳遞與激光通信測(cè)距的方案可行性，設(shè)計(jì)整體方案架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 太極計(jì)劃星間激光干涉方案圖

基于目前的相位測(cè)量系統(tǒng)，分析了時(shí)鐘噪聲傳遞的原理、需求和方案，設(shè)計(jì)了通信系統(tǒng)參數(shù)架構(gòu)，依據(jù)太極計(jì)劃技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行耦合調(diào)制參數(shù)設(shè)計(jì)和分析。對(duì)于時(shí)鐘噪聲傳遞，本課題采用基于電光調(diào)制器的邊帶倍頻時(shí)鐘噪聲傳遞方案，而對(duì)于通信系統(tǒng)，則采用基于偽隨機(jī)碼的直接序列擴(kuò)頻，通過(guò)二進(jìn)制相移鍵控方式進(jìn)行調(diào)制傳遞通信信息。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)與偽隨機(jī)碼耦合調(diào)制下的頻譜分析，總結(jié)了主信號(hào)、邊帶信號(hào)、偽隨機(jī)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(shí)驗(yàn)提供指引。

本課題設(shè)計(jì)搭建了用于驗(yàn)證輔助功能一體化耦合性能的激光鏈路光學(xué)平臺(tái)，如圖2所示，在相位計(jì)測(cè)量結(jié)果中，分析了時(shí)鐘信號(hào)與偽隨機(jī)碼調(diào)制耦合作用下對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，通過(guò)調(diào)整偽隨機(jī)碼調(diào)制深度使得時(shí)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(duì)比了由于偽隨機(jī)碼調(diào)制深度改變對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響，通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析調(diào)整了延遲環(huán)系統(tǒng)，使偽隨機(jī)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(jì)劃指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了在同一激光鏈路下耦合時(shí)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(tái)設(shè)計(jì)

三、總結(jié)與展望

實(shí)驗(yàn)采取的時(shí)鐘管理方案為倍頻方式，倍頻時(shí)鐘噪聲傳遞相較于分頻時(shí)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(shí)鐘源進(jìn)行分頻方案下的時(shí)鐘噪聲消減實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。將激光鏈路設(shè)計(jì)置于空間光環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證空間探測(cè)性能。

課題組介紹

力學(xué)研究所引力波實(shí)驗(yàn)中心旨在面向國(guó)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(cè)控等關(guān)鍵核心問(wèn)題，推動(dòng)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(cè)太極計(jì)劃為牽引，發(fā)展空間激光干涉精密測(cè)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(lái)，承擔(dān)了引力波重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、空間科學(xué)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)A/B、國(guó)家自然科學(xué)基金（面上、青年）等多項(xiàng)和省部級(jí)科研項(xiàng)目。在Commun. Phys.、Phys. Rev. D、Opt. Express、Opt. Letter、Optics & Laser Technology、IEEE TIM 等國(guó)內(nèi)外重要刊物上發(fā)表累計(jì)發(fā)表文章100余篇，累計(jì)獲得國(guó)內(nèi)發(fā)明20余項(xiàng)。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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