用于空间引力波探测的高精度星间激光干涉测量技术

作者

明珉、骆颖欣、梁浴榕、张静怡、段会宗、颜浩、姜元泽、卢凌峰、肖青、周泽兵、叶贤基

Authors

单位

1 中山大学（珠海校区）

2 华中科技大学

Affiliation

Citation

Ming M, Luo Y X, Liang Y R, Zhang J Y, Duan Y Z et al. Ultraprecision intersatellite laser interferometry. Int. J. Extrem. Manuf. 2, 022003 (2020).

阅读全文

文章

01

导读

激光干涉技术在超精密加工制造，精密定位控制和基础科学测量等领域具有重要价值。目前国际上测量精度最高的干涉仪就是用于引力波探测的激光干涉仪。叶贤基教授围绕空间引力波探测技术，详细介绍了高精度星间激光干涉测量的基本原理、关键技术及其发展现状。星间激光干涉测量是一种长基线高精度的位移测量方法，当星间距达到十万公里之百万公里时就要求在接收光功率为皮瓦至纳瓦级弱光条件下，实现皮米级位移测量精度。为了实现高精度星间干涉测量，需要发展一系列关键技术，包括星载激光稳频技术、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光光束指向控制技术。预期这些技术将会逐步应用于超高精度测量、定位、加工与制造。中山大学天琴中心和华中科技大学引力中心的叶贤基教授、周泽兵教授、明珉、骆颖欣、梁浴榕、张静怡、段会宗、颜浩、姜元泽、卢凌峰、肖青等作者在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《高精度星间激光测距》综述，围绕空间引力波探测，系统介绍了高精度星间激光干涉测距技术研究背景、最新进展及未来展望。

研究

02

背景

自十九世纪以来，干涉测量技术一直是精密测量领域中的重要技术之一，在精密工业生产加工以及基础科学测量有着广泛应用。近几十年来，随着空间科学应用的发展需求，例如空间引力波探测，高精度星间激光测干涉测量技术得到广泛重视。高精度星间激光测距是利用两颗卫星之间的两束或者多束激光进行干涉，通过读取干涉信号的相位信息得到星间距离变化信息。基于高精度星载激光稳频、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光指向控制等技术，可实现皮米级星间位移测量，对空间科学与技术、基础物理实验等研究领域具有重要价值与应用前景。中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心携手合作，针对我国自主的空间引力波探测需求，积极开展高精度星间激光干涉测量关键技术研究，一方面为我国空间引力波探测任务提供技术支撑，另一方面推动我国在空间科学以及基础物理研究领域的进一步发展。

最新

03

激光干涉技术在超精密加工制造，精密定位控制和基础科学测量等领域具有重要价值。目前国际上测量精度最高的干涉仪就是用于引力波探测的激光干涉仪。叶贤基教授围绕空间引力波探测技术，详细介绍了高精度星间激光干涉测量的基本原理、关键技术及其发展现状。星间激光干涉测量是一种长基线高精度的位移测量方法，当星间距达到十万公里之百万公里时就要求在接收光功率为皮瓦至纳瓦级弱光条件下，实现皮米级位移测量精度。为了实现高精度星间干涉测量，需要发展一系列关键技术，包括星载激光稳频技术、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光光束指向控制技术。预期这些技术将会逐步应用于超高精度测量、定位、加工与制造。中山大学天琴中心和华中科技大学引力中心的叶贤基教授、周泽兵教授、明珉、骆颖欣、梁浴榕、张静怡、段会宗、颜浩、姜元泽、卢凌峰、肖青等作者在《极端制造》期刊（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《高精度星间激光测距》综述，围绕空间引力波探测，系统介绍了高精度星间激光干涉测距技术研究背景、最新进展及未来展望。

进展

中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心围绕高精度星间激光干涉测量，积极研发一系列相关的关键技术，包括星载激光稳频技术、精密相位测量以及弱光锁相技术、星间激光指向控制技术，取得了良好的进展，在同领域达到了国际同步水平。

星载激光稳频技术

PDH稳频基本原理是将星载激光器的载波中心频率锁定到FP腔的共振频率峰上的方法。由于FP腔采用超稳一体化粘接技术，共振频率非常稳定，通过锁定后可以实现激光中心频率的稳定，进一步降低星间激光干涉测量中的激光频率噪声，其方案原理如图1所示。

图1（a）PDH激光稳频系统的原理图（b）典型鉴相信号

精密相位测量与弱光锁相技术

弱光锁相和测量是一种基于数字锁相环进行交流信号相位测量以及锁定控制的技术，如图2所示。通过将待测交流信号与本地超稳晶振进行相关运算，结合低通滤波和数字锁相等手段，高精度读取待测激光的相位信息，并将本地激光相位与之锁定，形成稳定的星间激光链路。

图2 基于FPGA数字锁相环DPLL的系统原理框图

星间激光指向控制技术

星间激光指向控制是基于高精度差分波前传感以及差分功率测量的方法，利用本地参考激光与远端接收激光之间的差分波前或功率信息，读取本地卫星激光指向与远端卫星之间的偏差，如图3所示，然后利用精密转镜进行反馈控制。该技术可望用于长基线卫星信号捕获与高精度指向锁定。

图3（a）差分波前传感原理（b）差分功率测量原理

未来

04

展望

高精度星间激光干涉测量技术是发展空间科学应用、进行空间引力波探测的重要技术。中山大学天琴中心与华中科技大学引力中心针对我国自主的空间引力波探测计划—“天琴计划”的需求，积极开展高精度星间激光干涉测量关键技术的攻关，并取得了显著的进展，已初步建立起星间激光干涉系统方案，如图4所示。这些精密测量技术将逐步被应用于精密加工与制造、计量、前沿物理实验研究。

图4 用于空间引力波探测的激光干涉仪原理图

作者

05

简介

叶贤基

叶贤基教授长期从事空间激光干涉测量、空间引力波探测技术的研究，研发用于全球卫星重力场测量和空间引力波探测所需的高精度光学传感技术和星间激光干涉测量技术。他是中山大学天琴中心激光干涉测量组团队负责人，已完成天琴一号任务中星载激光干涉仪在轨验证。目前承担和参与多项国家自然科学基金和省部级项目。

周泽兵

周泽兵教授长期从事空间惯性传感技术、空间引力波探测和卫星重力测量等的核心载荷和关键技术的研究，建立了基于扭摆悬挂、高压悬浮、自由落体等的空间惯性传感器性能测试及其应用研究平台。项目组研制的静电加速度计分别于2013年、2017年和2019年（天琴一号）完成了三次飞行实验。他是华中科技大学引力中心空间惯性组团队负责人，目前承担和参与多项国家自然科学基金和科技部重点研发项目。