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基于triz的空間激光干涉引力波探測器設(shè)計及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間激光干涉引力波探測器及技術(shù)進(jìn)化路線，其裝置的設(shè)計利用了TRIZ和光學(xué)干涉原理。該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理：由3個探測器組成一個邊長為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，且落后地球20°，星座平面與黃道面成60°夾角。在每一個航天器上都有兩個完全相同的光學(xué)臺，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件，以及一系列進(jìn)行數(shù)字信號處理的電子器件。每個航天器上的每一個光學(xué)臺都會和相鄰的航天器上的光學(xué)臺發(fā)生干涉，如果有引力波掃過測試質(zhì)量，其位置的微小改變會引起干涉信號，即激光相位的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出觀測到的引力波的存在。
【專利說明】基于TRIZ的空間激光干涉引力波探測器設(shè)計及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及利用TRIZ和光學(xué)干涉原理實現(xiàn)的精密測量領(lǐng)域，尤其涉及一種 空間激光干涉引力波探測器設(shè)計及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 愛因斯坦在創(chuàng)立廣義相對論時，預(yù)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(dǎo)出關(guān)于引力波的三個結(jié)論：（1)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(tài)；（3)不存在單極和偶極的引力輻射，只要系統(tǒng)質(zhì)量四極矩的三階導(dǎo) 數(shù)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(xué)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(fā)現(xiàn)和研 究，這個雙脈沖星系統(tǒng)成為存在引力波的第一個間接觀測證據(jù)。進(jìn)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(yīng)，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(jù)，其更大目的是認(rèn)識宇宙的結(jié)構(gòu)和演化過程的新奧 秘。目前所進(jìn)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(yù)計能在2020年后實現(xiàn)的利用空間激光干涉引力波探測器探測中低頻引 力波進(jìn)行的開發(fā)和準(zhǔn)備工作。
[0004] TRIZ是基于千百萬個高水平發(fā)明專利的統(tǒng)計而提煉出來的創(chuàng)新方法，是科學(xué)發(fā) 現(xiàn)、技術(shù)研發(fā)和制造過程的精髓，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的創(chuàng)新方法之一。在國家發(fā)改委、科學(xué) 技術(shù)部、教育部和中國科協(xié)印發(fā)的《關(guān)于加強創(chuàng)新方法工作的若干意見》中，TRIZ作為重點 推廣的創(chuàng)新方法。
[0005] 人類研究引力波探測器已經(jīng)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(yīng)變約為h=3Xl(T 21，當(dāng)今地面激光干涉引力波探測器 的靈敏度已達(dá)到如此的精度。在Virgo超星系集團(tuán)范圍所發(fā)生的短脈沖或高頻引力波次 數(shù)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(xué)家規(guī)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 (Laser Interferometer 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(fā)射3個空間探測器，組成一個邊長為5X 106千米的等邊三角形的面 積，它們之間相互進(jìn)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(jìn)行過多次策劃和研討，并組織了國外調(diào)研，提出了類似 LISA結(jié)構(gòu)的我國引力波探測方案，建議我國在2030年前后發(fā)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(jìn)行比LISA頻段稍高的中低頻波段 (1(Γ 4-1. 0Hz)引力波的直接探測，主要科學(xué)目標(biāo)是觀測雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合 時產(chǎn)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(jìn) 行合作。目前，空間引力波探測已被列入中國科學(xué)院制定的2050空間科學(xué)規(guī)劃中。
[0007] 本發(fā)明專利運用TRIZ和光學(xué)干涉原理設(shè)計了一種空間激光干涉引力波探測器， 希望探測到中低頻引力波。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明專利公開了利用TRIZ和光學(xué)干涉原理研究光學(xué)干涉裝置的技術(shù)進(jìn)化路 線。我們對地面激光干涉引力波探測器進(jìn)行分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測到中低 頻引力波的適應(yīng)性較差，根據(jù)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(shù)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(yīng)的矩陣元素的數(shù)字10、24、28、3、5、26及35為推薦的發(fā)明原理序號。根據(jù)TRIZ推薦的7 個發(fā)明原理作為技術(shù)進(jìn)化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進(jìn)化成一種空間激光干 涉引力波探測器。該儀器包括：圖2中1.航天器1;2.航天器2 ;3.航天器3 ;4.地球； 5. 太陽。該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理：由3個探測器組成一個邊長為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，且落后地球20°，星座平面與黃道面成60°夾 角。在每一個航天器上都有兩個完全相同的光學(xué)臺，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測 器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件，以及一系列進(jìn)行數(shù)字信號處理的電子器件。每個航 天器上的每一個光學(xué)臺都會和相鄰的航天器上的光學(xué)臺發(fā)生干涉，如果有引力波掃過測試 質(zhì)量，其位置的微小改變會引起干涉信號，即激光相位的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出 觀測到的引力波的存在。本發(fā)明專利的有益效果是：原理簡單實用，操作方便，便于科研等 應(yīng)用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明專利進(jìn)一步說明。
[0010] 圖1是地面激光干涉引力波探測器光路圖。
[0011] 圖2是空間激光干涉引力波探測器光路圖。
[0012] 圖1中1.激光器；2.循環(huán)鏡；3.半透明半反射玻璃；4.相位調(diào)節(jié)器；5.反射鏡； 6. 相位調(diào)節(jié)器；7.反射鏡；8.光電二極管；9.差分器；10.相關(guān)器。
[0013] 圖2中1.航天器1 ;2.航天器2 ;3.航天器3 ;4.地球；5.太陽。

【具體實施方式】
[0014] 本發(fā)明專利公開了利用TRIZ和光學(xué)干涉原理研究光學(xué)干涉儀的技術(shù)進(jìn)化路 線。根據(jù)高頻帶（lOHz-lOkHz)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. ΙΗζ-ΙΟΗζ)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 (Κ^Ηζ-ΚΓΗζ)是深空探測引力波的激光干涉器臂長（10 6-109km)最敏感的頻帶。我們對 地面激光干涉引力波探測器進(jìn)行分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測到中低頻引力波 的適應(yīng)性較差，根據(jù)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(shù)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(yīng)的矩陣 元素的數(shù)字1〇、24、28、3、5、26及35為推薦的發(fā)明原理序號。根據(jù)TRIZ推薦的7個發(fā)明原 理作為技術(shù)進(jìn)化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進(jìn)化成一種空間激光干涉引力波 探測器。
[0015] 表1 2008矛盾矩陣表

【權(quán)利要求】
1. 一種空間激光干涉引力波探測器設(shè)計及其方法，其特征在于它包括：1.航天器1;
2. 航天器2 ;3.航天器3 ;4.地球；5.太陽；該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理：由3個探測器組 成一個邊長為1〇3_1〇9千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；在每一個航天器上都有兩個完全相同的光學(xué)臺，包 含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件，以及一系列進(jìn) 行數(shù)字信號處理的電子器件；每個航天器上的每一個光學(xué)臺都會和相鄰的航天器上的光學(xué) 臺發(fā)生干涉，如果有引力波掃過測試質(zhì)量，其位置的微小改變會引起干涉信號，即激光相位 的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出觀測到的引力波的存在。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種空間激光干涉引力波探測器，其特征在于：對地面激光 干涉引力波探測器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測到中低頻引力波的適應(yīng)性較差，根據(jù) 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(shù)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(yīng)的矩陣元素的數(shù)字10、24、28、 3、 5、26及35為推薦的發(fā)明原理序號；根據(jù)TRIZ推薦的7個發(fā)明原理作為技術(shù)進(jìn)化路線， 可以將地面激光干涉引力波探測器進(jìn)化成一種空間激光干涉引力波探測器； 表1 2008矛盾矩陣表
發(fā)明原理10、預(yù)操作：預(yù)先對物體進(jìn)行特殊安排，使其在時間上有準(zhǔn)備，或已處于易操 作的位置；需要預(yù)先對整個測量系統(tǒng)進(jìn)行特殊安排，如果使該裝置惡化的"運動物體的面 積"最節(jié)約，如圖2所示，應(yīng)該發(fā)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，3個探測器組成一個邊長為103-109千米的等邊三角形星座，即每兩個航天器之間的夾 角為60°，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，這種設(shè)計是為了盡可能減少地球引力造成的影響；在時間上有準(zhǔn)備，當(dāng)3個探測器到 達(dá)繞日的引力波探測實驗軌道時，處于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探測引力 波；發(fā)明原理24、中介物：使用中間物體來傳遞或者執(zhí)行一個動作；將引力波作為太空引力 波探測器的中介物進(jìn)行探測，引力波能夠執(zhí)行一個動作使干涉條紋移動；宇宙中存在的引 力波波源主要有兩類：孤立的天體產(chǎn)生的引力波和背景的隨機(jī)引力波，中低頻帶引力波信 號是該裝置最敏感的頻帶；發(fā)明原理28、代替機(jī)械系統(tǒng)：用光、聲、熱、嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系 統(tǒng)；在空間探測器的激光器發(fā)出的光束經(jīng)過在空間探測器的反射鏡來回反射產(chǎn)生干涉，當(dāng) 引力波到達(dá)時，可以用光電二極管測量干涉條紋的移動；在每一個航天器上都有兩個完全 相同的光學(xué)臺，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器 件，以及一系列進(jìn)行數(shù)字信號處理的電子器件；由于每兩個航天器之間的夾角為60°，每 個航天器上的每一個光學(xué)臺都會和相鄰的航天器上的光學(xué)臺發(fā)生干涉，激光走完這段航天 器間隔的距離需要一段時間；在每個干涉儀的后面安置有一個作為"測試質(zhì)量"的合金立方 體（75%金和25%鉬)，其中一個表面被打磨成光滑的平面鏡用來反射激光；如果有引力波掃 過測試質(zhì)量，其位置的微小改變會引起干涉信號，即激光相位的改變，從這種相位變化即可 推導(dǎo)出觀測到的引力波的存在；發(fā)明原理3、局部質(zhì)量：物體的不同部分實現(xiàn)不同的功能； 引力波作為宇宙空間的一部分物質(zhì)，具有其他部分物質(zhì)不同的功能；引力波具有非常好的 相干性，利用其相干性可以提高引力波的可探測性；在實際設(shè)計中，這種測量精度要求測試 質(zhì)量所處的環(huán)境高度穩(wěn)定，其位置能夠不受到外界光壓和太陽風(fēng)粒子的影響；并且該裝置 的干涉測量系統(tǒng)也要高度靈敏，使得真正需要的引力波信號不至于淹沒在激光頻率噪聲等 干擾的海洋中； 除此之外，該裝置還需要解決如何應(yīng)對航天器運行對激光頻率造成的多普勒效應(yīng)的影 響，激光長距離傳輸?shù)膿p耗問題等；發(fā)明原理5、合并：在空間上將相似的物體連接在一起， 使其完成并行的操作；在空間上，中低頻引力波和該裝置的激光具有相似的相干性，引力波 垂直于激光的傳播方向會產(chǎn)生與激光同頻率擾動的光子流，使其完成并行的操作，即干涉 條紋移動；該裝置在實際運行中每個航天器之間的距離達(dá)到幾百萬千米以上的長度可以探 測到干涉條紋移動10皮米（1皮米等于1〇_12米）以上的長度變化；發(fā)明原理26、復(fù)制：通過 虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究；由于引力波與其他物質(zhì)的相互作用很弱，因此早 期宇宙中產(chǎn)生的引力波攜帶了早期宇宙的信息；該裝置探測到的引力波，可以通過虛擬現(xiàn) 實技術(shù)復(fù)制引力波源的情況，如果探測到宇宙大爆炸時產(chǎn)生的"原始引力波"，可以通過虛 擬現(xiàn)實技術(shù)復(fù)制宇宙大爆炸時的情況；空間引力波探測的主要目的是探測引力波動效應(yīng)， 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(jù)，其更大目是認(rèn)識宇 宙的結(jié)構(gòu)和演化過程的新奧秘；發(fā)明原理35、參數(shù)變化：改變系統(tǒng)的物理狀態(tài)；太陽系天體 參數(shù)的變化，可以改變該裝置系統(tǒng)中激光的狀態(tài)，所以該裝置應(yīng)該能夠測量太陽系天體參 數(shù)的變化，例如測繪太陽系引力分布。
【文檔編號】G01V7/16GK104280785SQ201310275447
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月2日
【發(fā)明者】吳壽煜, 張宇紅, 吳佳蓬 申請人:江南大學(xué)