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目前，中科院力學(xué)所承擔(dān)了激光干涉測(cè)距系統(tǒng)方法學(xué)篩選和地面模擬系統(tǒng)的研制，并于近期取得進(jìn)展。科研人員突破國(guó)際技術(shù)封鎖和關(guān)鍵器件禁運(yùn)，成功設(shè)計(jì)出集消除噪聲與精密測(cè)距等多功能的激光干涉儀光路。 空間引力波探測(cè)和地球重力場(chǎng)空間測(cè)量?jī)纱罂茖W(xué)計(jì)劃具有重大科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。空間引力波探測(cè)不僅可以檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論，還可開啟一個(gè)觀測(cè)宇宙早期的新窗口；而先進(jìn)重力場(chǎng)測(cè)量將為人們研究陸地水循環(huán)、冰川變化、海洋環(huán)流及大氣循環(huán)等地球大質(zhì)量時(shí)空分布、變化與遷移現(xiàn)象提供有效的分析依據(jù)。 這兩大科學(xué)計(jì)劃的核心技術(shù)即是激光干涉測(cè)距系統(tǒng)，用以獲得由空間引力波擾動(dòng)或重力場(chǎng)異常所引起的星間距變化。空間引力波探測(cè)要求在百萬(wàn)公里量級(jí)的衛(wèi)星間，獲得皮米量級(jí)的位移測(cè)量精度；而對(duì)于地球重力場(chǎng)空間測(cè)量，也要在百公里量級(jí)的衛(wèi)星間獲得納米級(jí)的測(cè)距精度。 單頻激光干涉儀從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來(lái)會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式[356-11]式中λ為激光波長(zhǎng)(N為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。 雙頻激光干涉儀在氦氖激光器上，加上一個(gè)約0.03特斯拉的軸向磁場(chǎng)。由于塞曼分裂效應(yīng)和頻率牽引效應(yīng),激光器產(chǎn)生1和2兩個(gè)不同頻率的左旋和右旋圓偏振光。經(jīng)1/4波片后成為兩個(gè)互相垂直的線偏振光,再經(jīng)分光鏡分為兩路。一路經(jīng)偏振片1后成為含有頻率為f1-f2的參考光束。另一路經(jīng)偏振分光鏡后又分為兩路：一路成為僅含有f1的光束,另一路成為僅含有f2的光束。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí),含有f2的光束經(jīng)可動(dòng)反射鏡反射后成為含有f2±Δf的光束，Δf是可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)因多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的附加頻率,正負(fù)號(hào)表示移動(dòng)方向(多普勒效應(yīng)是奧地利人C.J.多普勒提出的，即波的頻率在波源或接受器運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變化)。這路光束和由固定反射鏡反射回來(lái)僅含有f1的光的光束經(jīng)偏振片2后會(huì)合成為f1-(f2±Δf）的測(cè)量光束。 測(cè)量光束和上述參考光束經(jīng)各自的光電轉(zhuǎn)換元件、放大器、整形器后進(jìn)入減法器相減,輸出成為僅含有±Δf的電脈沖信號(hào)。經(jīng)可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后，由電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行當(dāng)量換算（乘1/2激光波長(zhǎng)）后即可得出可動(dòng)反射鏡的位移量。雙頻激光干涉儀是應(yīng)用頻率變化來(lái)測(cè)量位移的，這種位移信息載于f1和f2的頻差上，對(duì)由光強(qiáng)變化引起的直流電平變化不敏感，所以抗干擾能力強(qiáng)。它常用于檢定測(cè)長(zhǎng)機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、光刻機(jī)和加工中心等的坐標(biāo)精度，也可用作測(cè)長(zhǎng)機(jī)、高精度三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等的測(cè)量系統(tǒng)。利用相應(yīng)附件，還可進(jìn)行高精度直線度測(cè)量、平面度測(cè)量和小角度測(cè)量。 空間引力波探測(cè)和地球重力場(chǎng)空間測(cè)量?jī)纱罂茖W(xué)計(jì)劃具有重大科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。空間引力波探測(cè)不僅可以檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論，還可開啟一個(gè)觀測(cè)宇宙早期的新窗口；而先進(jìn)重力場(chǎng)測(cè)量將為人們研究陸地水循環(huán)、冰川變化、海洋環(huán)流及大氣循環(huán)等地球大質(zhì)量時(shí)空分布、變化與遷移現(xiàn)象提供有效的分析依據(jù)。這兩大科學(xué)計(jì)劃的核心技術(shù)即是激光干涉測(cè)距系統(tǒng)，用以獲得由空間引力波擾動(dòng)或重力場(chǎng)異常所引起的星間距變化。空間引力波探測(cè)要求在百萬(wàn)公里量級(jí)的衛(wèi)星間，獲得皮米量級(jí)的位移測(cè)量精度；而對(duì)于地球重力場(chǎng)空間測(cè)量，也要在百公里量級(jí)的衛(wèi)星間獲得納米級(jí)的測(cè)距精度。這無(wú)疑是目前測(cè)量學(xué)的重大挑戰(zhàn)。 2008年，由中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所國(guó)家微重力實(shí)驗(yàn)室牽頭，聯(lián)合中科院理論物理研究所、中科院物理研究所、中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、華中科技大學(xué)、中國(guó)東方紅衛(wèi)星股份有限公司等，組建了中科院空間引力波調(diào)研論證組；2009年，中科院將空間引力波探測(cè)列入中科院2050中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃；2011年，美國(guó)NASA退出“LISA”計(jì)劃，ESA尋求中國(guó)20%的合作，其中皮米精度的激光干涉儀列為中國(guó)可能貢獻(xiàn)的載荷之一；2012年，為響應(yīng)國(guó)際同行的合作倡議，由力學(xué)所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)牽頭成立了中科院空間引力波探測(cè)工作組。 為配合和推進(jìn)空間引力波探測(cè)等科學(xué)計(jì)劃的落實(shí)，力學(xué)所承擔(dān)了激光干涉測(cè)距系統(tǒng)方法學(xué)篩選(ChinesePhysicsLetters，2012，29(7)079501-3)和地面模擬系統(tǒng)的研制。在中科院空間中心戰(zhàn)略先導(dǎo)項(xiàng)目和中科院科研裝備研制項(xiàng)目的支持下，科研人員突破國(guó)際技術(shù)封鎖和關(guān)鍵器件禁運(yùn)，成功地設(shè)計(jì)出集消除噪聲與精密測(cè)距等多功能的激光干涉儀光路，以及多元抑噪的方案，研制出測(cè)距精度優(yōu)于100pm/Hz1/2的激光干涉儀；采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)（DPLL）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)等硬件平臺(tái)，研制出檢相精度優(yōu)于2π×10-5rad/Hz1/2的高精度相位計(jì)(Rev.Sci.Instrum.2014，85，024503)；采用差分波前檢測(cè)技術(shù)和相敏型指向敏感器，發(fā)展了指向控制精度達(dá)10nrand/Hz1/2的激光指向控制模擬系統(tǒng)(Rev.Sci.Instrum.2014,85,074501)；利用電光相位調(diào)制器、鎖相控制模塊等建立了鎖相精度優(yōu)于2π×10-4rad/Hz1/2的激光鎖相控制模擬系統(tǒng)；同時(shí)，申請(qǐng)了多項(xiàng)技術(shù)發(fā)明專利；成功構(gòu)建了空間激光干涉測(cè)距地面模擬裝置。這標(biāo)志著我國(guó)在空間精密測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，積累了寶貴的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 目前，中科院力學(xué)所承擔(dān)了激光干涉測(cè)距系統(tǒng)方法學(xué)篩選和地面模擬系統(tǒng)的研制，并于近期取得進(jìn)展。科研人員突破國(guó)際技術(shù)封鎖和關(guān)鍵器件禁運(yùn)，成功設(shè)計(jì)出集消除噪聲與精密測(cè)距等多功能的激光干涉儀光路，以及多元抑噪的方案，研制出測(cè)距精度優(yōu)秀的激光干涉儀；采用數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列等硬件平臺(tái)，研制出檢相精度優(yōu)秀的高精度相位計(jì)；采用差分波前檢測(cè)技術(shù)和相敏型指向敏感器，發(fā)展了高指向控制精度的激光指向控制模擬系統(tǒng)；利用電光相位調(diào)制器、鎖相控制模塊等建立了鎖相精度優(yōu)秀的激光鎖相控制模擬系統(tǒng)，同時(shí)，研究者還成功構(gòu)建了空間激光干涉測(cè)距地面模擬裝置。 以上取得的成績(jī)，標(biāo)志著我國(guó)在空間精密測(cè)距技術(shù)領(lǐng)域有了進(jìn)一步發(fā)展，并為之后的研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。該項(xiàng)目近日通過了由中科院組織的專家組驗(yàn)收。 |
中科院開發(fā)空間激光干涉測(cè)距地面模擬裝置
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械網(wǎng)
發(fā)布時(shí)間：2014-09-19
關(guān)鍵詞：中科院 空間激光干涉測(cè)距地面模擬裝置
責(zé)任編輯：朱振杰
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