空間引力波探測計(jì)劃-LISA系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王 智，馬 軍，李靜秋

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

1 引言

20世紀(jì)90年代，歐洲空間局(European Space Agency，ESA)和美國國家航空航天局(National Aeronautic and Space Administration，NASA)合作，開始發(fā)展空間激光干涉引力波探測項(xiàng)目—Laser Interferometer Space Antenna(LISA)計(jì)劃。LISA是為了測量由時(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)自由懸浮的測試質(zhì)量，每個(gè)測試質(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實(shí)現(xiàn)。引力波通過測量干涉臂長的變化進(jìn)行檢測。

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靈敏度制定的。引力波探測靈敏度h與相關(guān)干涉儀臂長變化成比例，即:

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

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

(1)干涉儀臂長;

(2)精確測量兩測試質(zhì)量間距變化的能力;

(3)測量和抑制除引力波外的其他非保守力的能力，保證激光干涉測距系統(tǒng)對引力波信號進(jìn)行有效檢測。

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L為5×106km，LISA單臂的干涉測距系統(tǒng)精度必須達(dá)到幾十個(gè)pm Hz－1/2。

3 測量原理及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。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?？臻g引力波探測利用自由懸浮的測試質(zhì)量作為傳感器，將引力波信號轉(zhuǎn)化為測試質(zhì)量間距變化的信號，也就是干涉儀臂長的變化。

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)有自由懸浮的測試質(zhì)量。這些組件組成了LISA有效載荷的核心，會在下面的章節(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)干涉臂測試質(zhì)量間距微小變化的光學(xué)測量分成3個(gè)測量部分，其概念圖見圖1。

(1)本地測試質(zhì)量到本地光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺之間的測量;

(2)本地光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺到遠(yuǎn)端光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺之間的測量;

(3)遠(yuǎn)端光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺到遠(yuǎn)端測試質(zhì)量之間的測量。

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

兩個(gè)獨(dú)立航天器的主動激光系統(tǒng)采用偏振外差干涉法實(shí)現(xiàn)相對位移的測量。每套激光器對應(yīng)一個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺以及相應(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)射來的入射激光進(jìn)行干涉，探測器將激光干涉信號轉(zhuǎn)化成電信號，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。

精確確定干涉儀臂長變化是很復(fù)雜的，航天器與航天器之間由于軌道游離的原因會產(chǎn)生相對運(yùn)動，從而導(dǎo)致航天器之間存在相對速度。直接受到影響的是干涉儀臂長(名義長度為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，以維持在光電探測器約20 MHz的動態(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))來調(diào)整兩個(gè)光學(xué)組件的相對方位。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，也就是說對于同一個(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)臺需要一個(gè)提前量角度調(diào)整機(jī)構(gòu)來補(bǔ)償這個(gè)影響。

為了抑制由于臂長不等導(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)干涉儀測量數(shù)據(jù)進(jìn)行TDI處理后，重新組合生成等效的等臂長干涉儀測量數(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器測量的相位信息的時(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量數(shù)據(jù)中，形成了一個(gè)等效的等臂長邁克爾遜干涉儀。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)外差探測器使用微分波前傳感來檢測測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)臺測試質(zhì)量間的位移測量，用于航天器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)航天器以及測試質(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“單鏈路測量誤差”定義的，同時(shí)定義了任一干涉臂兩測試質(zhì)量間距離測量的最大誤差。通過計(jì)算“探測器噪聲”到“引力波噪聲”的轉(zhuǎn)換公式，建立單鏈路測量誤差和應(yīng)力靈敏度之間的關(guān)系，其體現(xiàn)了測量儀器噪聲與引力波靈敏度的比率。

單鏈路測量誤差用pm Hz－/2來表示，不但包括干涉測量系統(tǒng)誤差，而且包括非保守力導(dǎo)致的測試質(zhì)量的運(yùn)動。因此，為了實(shí)現(xiàn)對引力波的有效探測，必須抑制非保守力導(dǎo)致的測試質(zhì)量的擾動，如太陽輻射壓力、電磁場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)臂長的精確測量;(2)減小測試質(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):干涉測量系統(tǒng)(Interferometer Measurement System，IMS)和擾動抑制系統(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)大視場角的望遠(yuǎn)鏡，在單一的光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上有一個(gè)GRS(或者兩個(gè)，一個(gè)為備份)和一個(gè)移動的小反射鏡，用來處理“呼吸角”。與之截然相反的是設(shè)計(jì)有兩套可移動的光學(xué)組件，每套光學(xué)組件由一個(gè)小視場角望遠(yuǎn)鏡，一套光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺以及一套GRS組成，光學(xué)組件由跟蹤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動。即使視場內(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)外差干涉測量，接收到的皮瓦量級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 可移動組件圖Fig.3 Diagram of movable assembly

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺也承載著望遠(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試質(zhì)量軸向位置和側(cè)向姿態(tài)精確測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)換器作為光信號的冗余開關(guān)。綜上，每個(gè)MOSA提供29路不同的探測器信號，這些信號攜帶有外差干涉儀的頻率信息。其中，20路信號同時(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)的對準(zhǔn)通過在最后裝配時(shí)調(diào)整折疊鏡來實(shí)現(xiàn)，并且由熔石英目鏡系統(tǒng)對光束進(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。調(diào)焦機(jī)構(gòu)驅(qū)動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，對于LISA來說，光學(xué)系統(tǒng)像差的對準(zhǔn)誤差是至關(guān)重要的，因?yàn)檫@些誤差使遠(yuǎn)場偏離理想球面波。偏離會使發(fā)射信號的航天器產(chǎn)生姿態(tài)指向抖動，導(dǎo)致位相測量時(shí)接收航天器在測量兩測試質(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。與光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上產(chǎn)生的參考信號一起，可以檢測出從光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺到望遠(yuǎn)鏡出瞳之間皮米量級的光程變化。為了不影響遠(yuǎn)場波前質(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

與上面描述的捷聯(lián)測量原理相一致，光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺包含3個(gè)干涉儀:主要的科學(xué)干涉儀、測試質(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:輔助干涉儀用來測量提前量補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的機(jī)械位移，監(jiān)視二極管用來對發(fā)射激光束進(jìn)行功率監(jiān)視，以及CCD用來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)臺的拋光表面上，使用氫氧化催化粘結(jié)劑來固定熔石英光學(xué)元件。實(shí)驗(yàn)臺以120°間隔均勻安裝在CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer)結(jié)構(gòu)上，實(shí)驗(yàn)臺與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Fig.4 Diagram of optical bench

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺目前的設(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)臺激光器發(fā)出的激光(LO2)進(jìn)行干涉，由四象限光電探測器檢測。偏振分光器立方鏡的直角邊用來將光束耦合進(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，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。為了減少共有模式錯(cuò)誤，光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺可以在相反方向同時(shí)傳輸LO1和LO2。

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

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺包含一個(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差拍信號可被其他外差信號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)動器、測試質(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，波前傳感用來對光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺、入射波前和測試質(zhì)量的傾斜量以納弧度分辨率進(jìn)行測量。

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)來抑制入射光和接收光之間的雜光。

光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺同時(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)接近于測試質(zhì)量的對稱引力場，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)用來將測試質(zhì)量鎖定在一個(gè)安全的位置使之能承受發(fā)射過程的振動以及移動測試質(zhì)量到電極房的中心，并且能以盡量低的速度釋放測試質(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)給測試質(zhì)量放電，不允許與測試質(zhì)量有機(jī)械接觸。電荷系統(tǒng)對測試質(zhì)量的充(放)電操作主要是利用極紫外光照射在測試質(zhì)量以及電極房表面產(chǎn)生的光電效應(yīng)。

通過靜電方法來實(shí)現(xiàn)動作以及測試質(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試質(zhì)量上產(chǎn)生一個(gè)高頻率電壓信號。另外一套電極用于靜電促動和傳感，測試質(zhì)量與電極房的相對運(yùn)動導(dǎo)致的電極與測試質(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)的橋式微分電容測量儀來實(shí)現(xiàn)檢測測試質(zhì)量的運(yùn)動。GRS前端電子學(xué)負(fù)責(zé)電容傳感器的讀取以及測試質(zhì)量促動所需要的電極房電極的電壓。

靜電傳感和促動，以及測試質(zhì)量的光學(xué)讀取都是由本地光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺上的干涉儀來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺包含在無拖曳姿態(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試質(zhì)量按它的測地線運(yùn)動，保護(hù)其不受外部擾動的影響。

9 相位測量系統(tǒng)

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

相位測量系統(tǒng)的基線是高精度(約10－5rad Hz－1/2)測量與內(nèi)部超穩(wěn)定晶振器相關(guān)的正弦信號。相位測量原理基于數(shù)字鎖相環(huán)，鎖定信號進(jìn)行測量，與鎖定的數(shù)字晶振器頻率共同實(shí)現(xiàn)基本的相位測量。原始相位測量數(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)流中提供相位測量數(shù)據(jù)。為達(dá)到這個(gè)目的，原始測量數(shù)據(jù)被抽選過濾成1 Hz帶寬的低通濾波信號，在3.3 Hz處采樣、編碼，采用處理時(shí)間印記注釋并打包。

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

(3)為激光頻率控制提供作為傳感器信號的頻率測量數(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帶寬的頻率測量數(shù)據(jù)。

除上面說明的主要功能外，相位測量系統(tǒng)還需履行一些必要輔助功能，以便地面對數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的處理。尤其是，為了測量超穩(wěn)定振蕩器頻率噪聲，將激光進(jìn)行調(diào)制。其它的正弦信號也被用于傳輸時(shí)間信號，使不同航天器的時(shí)間具有相關(guān)性。這些信號被嵌入旁頻帶，遠(yuǎn)離載波頻率幾個(gè)GHz。相位測量系統(tǒng)因此也測量旁頻帶的相位，這些頻率具有較低的20 dB信號功率?？傊辔粶y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(波長為1 064 nm)激光光源，分別表示為LO1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)光電探測器采集到外差頻率信號，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。參考頻率無法精確確定，主要的因素:光學(xué)參考腔具有可調(diào)的長度，旁頻帶鎖定在一個(gè)固定長度腔體且頻率可調(diào);LISA相位測量系統(tǒng)中不相等臂長的干涉儀產(chǎn)生錯(cuò)誤信號。

通過頻率控制器調(diào)整參考頻率到指定的點(diǎn)。誤差信號反饋到非平面環(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:激光噪聲的測量是通過比較實(shí)際的激光信號和通過星座往返而延遲的該信號的復(fù)制信號來實(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。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)于廣義相對論的四大預(yù)言之一，未來在引力波探測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，引力波是廣義相對論中最后一個(gè)未被直接觀測到的預(yù)言?？臻g引力波探測的發(fā)展，不僅是為了檢驗(yàn)愛因斯坦的廣義相對論，而且可能為天文學(xué)和宇宙學(xué)開拓一個(gè)新的觀測窗口。天體引力波源十分遙遠(yuǎn)，信號微弱，導(dǎo)致直接測量非常困難，LISA計(jì)劃是最早開始發(fā)展的空間引力波探測項(xiàng)目，也是目前國際上發(fā)展最成熟的空間引力波探測計(jì)劃。隨著人們對引力波波源認(rèn)識的進(jìn)步，相關(guān)精密測量和空間技術(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成為可能。

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