基于triz的多功能空間引力波探測器的設計方法
【專利摘要】本發明公開一種基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設計方法，根據TRIZ推薦的7個發明原理作為技術進化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進化成一種多功能空間引力波探測器，其包括:航天器等器件，如圖所示，其特征在于，由3個航天器組成一個邊長為103-109千米的等邊三角形星座，星座的中心運行于地球軌道上，每個航天器上的光學臺都會和相鄰的航天器上的光學臺通過激光器產生的相干光束發生干涉，如果有引力波掃過時，通過光檢測器的光電二極管的光強發生變化，利用差分器和相關器計算光強與相位之間的關系，獲得待測引力波的值，其功能特征在于：探測中低頻引力波、研究雙星系統、大質量的黑洞和隨機背景引力波等。
【專利說明】基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及利用TRIZ和光學干涉原理實現的精密測量領域，尤其涉及一種基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設計方法。
【背景技術】
[0002]愛因斯坦在創立廣義相對論時，預言了引力波的存在。運用廣義相對論的引力輻射理論可以推導出關于引力波的三個結論:(I)引力波是存在的，以光速傳播；(2)引力波是橫波，有兩種偏振態；(3)不存在單極和偶極的引力輻射，只要系統質量四極矩的三階導數不為零，就有引力波被輻射。引力波帶有能量，因而可以被檢測。
[0003]天文學家已間接驗證了引力波的存在。1993諾貝爾物理獎得主是美國的泰勒(J.H.Taylor)和赫爾斯(R.A.Hulse)，得獎原因是他們對脈沖雙星PSR1913+16的發現和研究，這個雙脈沖星系統成為存在引力波的第一個間接觀測證據。進而人類更加渴望直接探測到引力波，引力波探測的主要目的是探測引力波動效
應，這不僅是直接檢驗愛因斯坦廣義相對論，提供引力波存在的直接證據，其更大目的是認識宇宙的結構和演化過程的新奧秘。目前所進行的引力波探測活動大部分集中在利用地面激光干涉引力波探測器探測高頻引力波，以及為預計能在2020年后實現的利用空間激光干涉引力波探測器探測中低頻引力波進行的開發和準備工作。
[0004]TRIZ是基于千百萬個高水平發明專利的統計而提煉出來的創新方法，是科學發現、技術研發和制造過程的精髓，是當今世界最先進的創新方法之一。在國家發改委、科學技術部、教育部和中國科協印發的《關于加強創新方法工作的若干意見》中，TRIZ作為重點推廣的創新方法。
[0005]人類研究引力波探測器已經五十年了，至今還沒有直接探測到引力波。在相對論中，可以計算出引力波傳到太陽系的應變約為h=3X10_21，當今地面激光干涉引力波探測器的靈敏度已達到如此的精度。在Virgo超星系集團范圍所發生的短脈沖或高頻引力波次數較少，是地面尚未探測到引力波的主要原因。1989年，美國和歐洲科學家規劃把引力波探測實驗從地面移至太空，希望探測到中低頻引力波。太空引力波探測計劃LISA (LaserInterferometer Space Antenna)是美國宇航局(NASA)和歐洲空間局(ESA)的合作項目。LISA于2020年以后發射3個空間探測器，組成一個邊長為5X IO6千米的等邊三角形的面積，它們之間相互進行激光干涉測距，以探測引力波。
[0006]我國引力波探測計劃已進行過多次策劃和研討，并組織了國外調研，提出了類似LISA結構的我國引力波探測方案，建議我國在2030年前后發射由位于等邊三角形頂端三個航天器組成的引力波探測編組，用激光干涉方法進行比LISA頻段稍高的中低頻波段(10_4-1.0Hz)引力波的直接探測，主要科學目標是觀測雙黑洞并合和極大質量比天體并合時產生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波過程。該方案提出與歐空局的LISA計劃進行合作。目前，空間引力波探測已被列入中國科學院制定的2050空間科學規劃中。
[0007]本發明專利運用TRIZ和光學干涉原理設計了一種多功能空間引力波探測器，希望探測到中低頻引力波等。
【發明內容】
[0008]本發明專利公開了利用TRIZ和光學干涉原理研究光學干涉裝置的技術進化路線。基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設計方法，根據TRIZ推薦的7個發明原理作為技術進化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進化成一種多功能空間引力波探測器，其包括激光器(I)航天器1、( 2 )航天器2、( 3 )航天器3、( 4 )在每一個航天器上都有兩個完全相同的光學臺、包含有激光光源、光學分束器、光檢測器、光學鏡組等組成干涉儀的光學器件、以及一系列進行數字信號處理的電子器件、其中有差分器、相關器等，其技術特征在于，由3個航天器組成一個邊長為IO3-1O9千米的等邊三角形星座，星座的中心運行于地球軌道上，且落后地球20°，星座平面與黃道面成60°夾角。每個航天器上的每一個光學臺都會和相鄰的航天器上的光學臺通過激光器產生的相干光束發生干涉，如果有引力波掃過時，作用于激光上，改變了激光的頻率，使干涉條紋發生移動，通過光檢測器的光電二極管的光強發生變化，利用差分器和相關器計算光強與相位之間的關系，得到相位的變化，獲得待測引力波的值，最后將信息傳遞給地面接收站。其功能特征在于:探測中低頻引力波、研究雙星系統、大質量的黑洞、極大質量比雙星的繞行和隨機背景引力波。
[0009]本發明專利的技術效果:原理簡單實用，操作方便，便于科研。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]下面結合附圖對本發明專利進一步說明。
[0011]圖1是地面激光干涉引力波探測器光路圖。
[0012]圖2是空間激光干涉引力波探測器光路圖。
[0013]圖1中1.激光器；2.循環鏡；3.半透明半反射玻璃；4.相位調節器；5.反射鏡；
6.相位調節器；7.反射鏡；8.光電二極管；9.差分器；10.相關器。
[0014]圖2中1.航天器I ;2.航天器2 ；3.航天器3 ；4.地球；5.太陽。
【具體實施方式】
[0015]本發明專利公開了利用TRIZ和光學干涉原理研究光學干涉儀的技術進化路線。根據高頻帶(IOHz-1OkHz)是地面上探測引力波的激光干涉儀最敏感的頻帶；中頻帶(0.1Hz-1OHz)是短臂長( 103-105km)空間引力波探測激光干涉器最敏感的頻帶；低頻帶(KT4Hz-1(T1Hz)是深空探測引力波的激光干涉器臂長(106-109km)最敏感的頻帶。我們對地面激光干涉引力波探測器進行分析，如圖1所示，發現該儀器系統探測到中低頻引力波的適應性較差，根據2008TRIZ矛盾矩陣表，提高(改善)該裝置對中低頻引力波的“測量精度”，同時必須增大(惡化)該裝置的“運動物體的面積”。“測量精度”和“運動物體的面積”的工程參數序號分別為48及5，在2008矛盾矩陣表中，第48行與5列交叉處所對應的矩陣元素的數字10、24、28、3、5、26及35為推薦的發明原理序號。根據TRIZ推薦的7個發明原理作為技術進化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進化成一種多功能空間引力波探測器。
[0016]表12008矛盾矩陣表
【權利要求】
1.基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設計方法，包括激光器(I)航天器1、(2)航天器2、(3)航天器3、(4)在每一個航天器上都有兩個完全相同的光學臺、包含有激光光源、光學分束器、光檢測器、光學鏡組等組成干涉儀的光學器件、以及一系列進行數字信號處理的電子器件、其中有差分器、相關器等，其技術特征在于，由3個航天器組成一個邊長為IO3-1O9千米的等邊三角形星座，星座的中心運行于地球軌道上，且落后地球20°，星座平面與黃道面成60°夾角，每個航天器上的每一個光學臺都會和相鄰的航天器上的光學臺通過激光器產生的相干光束發生干涉，如果有引力波掃過時，作用于激光上，改變了激光的頻率，使干涉條紋發生移動，通過光檢測器的光電二極管的光強發生變化，利用差分器和相關器計算光強與相位之間的關系，得到相位的變化，獲得待測引力波的值，最后將信息傳遞給地面接收站。
2.如權利要求1所述的一種多功能空間激光干涉引力波測量裝置，其功能特征在于:探測中低頻引力波、研究雙星系統、大質量的黑洞、極大質量比雙星的繞行和隨機背景引力波。
3.一種使用如權利要求1所述裝置設計涉及TRIZ和光學干涉原理的設計方法，其特征在于包括如下步驟:對地面激光干涉引力波探測器進行分析發現該儀器系統探測到中低頻引力波的適應性較差，根據2008TRIZ矛盾矩陣表，提高(改善)該裝置對中低頻引力波的“測量精度”，同時必須增大(惡化)該裝置的“運動物體的面積”，“測量精度”和“運動物體的面積”的工程參數序號分別為48及5，在2008矛盾矩陣表中，第48行與5列交叉處所對應的矩陣元素的數字10、24、28、3、5、26及35為推薦的發明原理序號，根據TRIZ推薦的7個發明原理作為技術進化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進化成一種空間激光干涉引力波探測器；表1 2008矛盾矩陣表
【文檔編號】G01V7/00GK103675935SQ201310669322
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】吳壽煜, 張宇紅, 吳佳蓬 申請人:江南大學
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