研究背景

       受限于地面引力波探測(cè)器的臂長及振動(dòng)噪聲，激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）等地面探測(cè)器主要關(guān)注kHz頻段的引力波信息。為探測(cè)更為豐富的mHz頻段引力波，如中等質(zhì)量黑洞并合及中等質(zhì)量黑洞雙星繞轉(zhuǎn)等，空間引力波探測(cè)計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生，主要任務(wù)包括歐美的LISA計(jì)劃及我國的太極計(jì)劃、天琴計(jì)劃等。

        空間引力波探測(cè)利用星間激光干涉技術(shù)測(cè)量引力波引起的星間pm級(jí)位移波動(dòng)，進(jìn)而反演引力波信息。受限于衛(wèi)星載荷重量及功耗，激光干涉測(cè)量系統(tǒng)高度集成多種功能。在完成干涉測(cè)距的前提下，需加入絕對(duì)距離測(cè)量與激光通信、時(shí)鐘噪聲傳遞等功能。為有利于主干涉信號(hào)的提取，保證干涉測(cè)量精度，系統(tǒng)僅采用約1%激光載波功率進(jìn)行激光通信。因此，需以激光干涉系統(tǒng)為依托，進(jìn)行激光通信系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，確定調(diào)制頻率、調(diào)制深度、偽隨機(jī)碼等相關(guān)參數(shù)，并完成方案原理驗(yàn)證。

創(chuàng)新工作

       中國科學(xué)院力學(xué)研究所引力波實(shí)驗(yàn)中心基于星間激光通信原理，詳細(xì)分析了通信系統(tǒng)中載波調(diào)制及擴(kuò)頻調(diào)制的常用方案，討論了各自的實(shí)現(xiàn)原理及優(yōu)缺點(diǎn)。最后，基于空間引力波探測(cè)的需求及方案，選取一種適合于太極計(jì)劃的激光通信調(diào)制方案，如圖1。

圖1太極計(jì)劃星間激光通信方案框圖

       基于目前的相位測(cè)量系統(tǒng)，本文對(duì)太極計(jì)劃星間激光通信系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要包括系統(tǒng)頻率、偽隨機(jī)碼及通信碼比特率等。根據(jù)通信系統(tǒng)針對(duì)不同側(cè)重點(diǎn)的需求，基于80 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘分別設(shè)計(jì)了3組較為適合的通信系統(tǒng)參數(shù)，通過深入討論3組參數(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇1組適合于太極計(jì)劃通信系統(tǒng)的參數(shù)方案。此外，基于直接序列擴(kuò)頻調(diào)制及BPSK調(diào)制方案，對(duì)其發(fā)射機(jī)、接收機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

       通過搭建地面電子學(xué)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對(duì)文中所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)參數(shù)以及系統(tǒng)方案進(jìn)行了評(píng)估與驗(yàn)證。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地討論，并分析了混合碼解調(diào)錯(cuò)誤率較高的原因。并在解調(diào)錯(cuò)誤率較高的條件下，提出了一種降低誤碼率的方法，對(duì)其系統(tǒng)性能進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試。

       為更進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)際性能，在實(shí)驗(yàn)室大氣條件下，搭建了地面光學(xué)驗(yàn)證系統(tǒng)，如圖2。文中對(duì)系統(tǒng)通信性能進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開了細(xì)致討論。此外，分別測(cè)試了電子學(xué)及光學(xué)系統(tǒng)的本底噪聲，討論了光學(xué)系統(tǒng)解調(diào)出錯(cuò)率高于電子學(xué)系統(tǒng)的根本原因。最終結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)誤碼率在10-6以內(nèi)，滿足太極計(jì)劃激光通信的需求，其通信方案及相關(guān)參數(shù)選擇可為未來太極計(jì)劃星間激光通信系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

圖2光學(xué)驗(yàn)證系統(tǒng)框圖

后續(xù)工作

       在真空環(huán)境下將電光相位調(diào)制器引入太極計(jì)劃超穩(wěn)干涉儀，進(jìn)一步抑制系統(tǒng)噪聲、減小通信所占激光功率。進(jìn)行激光通信、干涉測(cè)距等多功能實(shí)驗(yàn)，使干涉儀在完成pm級(jí)測(cè)距的前提下，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)空間光通信功能。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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