外差激光干涉儀中的高精度相位測量研究.pdf

1、空間引力波探測計(jì)劃(如LISA,LaserInterferometerSpaceAntenna)和下一代地球重力場反演計(jì)劃(如GRACEFollow-onmission)都將采用星間激光測距系統(tǒng)來測量衛(wèi)星間的微小位移變化。星間距的變化引起激光拍頻信號(hào)的相位變化,高精度的相位測量技術(shù)是星間激光測距系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一,也是本課題研究的重點(diǎn)。
　　在空間激光測距的地面演示實(shí)驗(yàn)中,我們逐步搭建了十米基線的激光外差測距平臺(tái)和基于零差鎖相環(huán)

2、的應(yīng)答式激光干涉儀,另外在基于silicatebonding粘接工藝的干涉儀上利用自研的鎖相環(huán)相位計(jì)實(shí)現(xiàn)了皮米量級的位移測量和定位控制。
　　針對地面的激光干涉測距系統(tǒng),我們發(fā)展了基于相關(guān)分析的相位測量技術(shù),其基本原理是正弦信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)零時(shí)刻值與其相位差的余弦值或正弦值成正比。我們比較了反正弦算法和反正切算法的優(yōu)缺點(diǎn);在選取了反正切算法之后,分析量化誤差與隨機(jī)誤差的影響,著重討論了非整周采樣相位誤差的影響,首次推導(dǎo)了非整周采樣

3、相位測量誤差的表達(dá)式,這也是本文的創(chuàng)新點(diǎn)之一;最后,通過雙路信號(hào)的差分測量實(shí)現(xiàn)了在1mHz~10Hz頻段相位測量噪聲本底達(dá)到1.2×10-6rad/Hz1/2,并驗(yàn)證了非整周采樣誤差的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,盡管該技術(shù)的測量噪聲本底小,但不能滿足未來星間激光測距中由于衛(wèi)星間的相對運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移高達(dá)1MHz以上的條件。
　　因此,我們研制了基于鎖相環(huán)原理的相位計(jì),實(shí)現(xiàn)了相位測量噪聲本底接近1×10-6rad/Hz1/2,主要受限于

4、采樣時(shí)間抖動(dòng)和相位讀取噪聲。由于在星間激光測距中,接收到的激光功率十分微弱,測量信號(hào)的信噪比以及溫度等環(huán)境變化將對相位測量電路產(chǎn)生影響。基于此,我們通過調(diào)制實(shí)驗(yàn)測量了相位與時(shí)鐘抖動(dòng)、溫度、測量信號(hào)信噪比之間的關(guān)系。我們首次討論了利用鎖相環(huán)相位計(jì)測量星間速度的問題,并比較了直接讀取法和相位差分法測速的噪聲和精度,兩種方法的測量精度分別受限于時(shí)鐘的頻率穩(wěn)定度和相位輸出的時(shí)間抖動(dòng),綜合結(jié)果表明直接讀取法更適合于星間測速。
　　我們將鎖相