研究背景

       受限于地面引力波探測器的臂長及振動噪聲，激光干涉引力波天文臺（LIGO）等地面探測器主要關(guān)注kHz頻段的引力波信息。為探測更為豐富的mHz頻段引力波，如中等質(zhì)量黑洞并合及中等質(zhì)量黑洞雙星繞轉(zhuǎn)等，空間引力波探測計劃應(yīng)運而生，主要任務(wù)包括歐美的LISA計劃及我國的太極計劃、天琴計劃等。

        空間引力波探測利用星間激光干涉技術(shù)測量引力波引起的星間pm級位移波動，進而反演引力波信息。受限于衛(wèi)星載荷重量及功耗，激光干涉測量系統(tǒng)高度集成多種功能。在完成干涉測距的前提下，需加入絕對距離測量與激光通信、時鐘噪聲傳遞等功能。為有利于主干涉信號的提取，保證干涉測量精度，系統(tǒng)僅采用約1%激光載波功率進行激光通信。因此，需以激光干涉系統(tǒng)為依托，進行激光通信系統(tǒng)方案設(shè)計，確定調(diào)制頻率、調(diào)制深度、偽隨機碼等相關(guān)參數(shù)，并完成方案原理驗證。

創(chuàng)新工作

       中國科學(xué)院力學(xué)研究所引力波實驗中心基于星間激光通信原理，詳細(xì)分析了通信系統(tǒng)中載波調(diào)制及擴頻調(diào)制的常用方案，討論了各自的實現(xiàn)原理及優(yōu)缺點。最后，基于空間引力波探測的需求及方案，選取一種適合于太極計劃的激光通信調(diào)制方案，如圖1。

圖1太極計劃星間激光通信方案框圖

       基于目前的相位測量系統(tǒng)，本文對太極計劃星間激光通信系統(tǒng)的參數(shù)進行了設(shè)計，主要包括系統(tǒng)頻率、偽隨機碼及通信碼比特率等。根據(jù)通信系統(tǒng)針對不同側(cè)重點的需求，基于80 MHz的系統(tǒng)時鐘分別設(shè)計了3組較為適合的通信系統(tǒng)參數(shù)，通過深入討論3組參數(shù)的優(yōu)缺點，最終選擇1組適合于太極計劃通信系統(tǒng)的參數(shù)方案。此外，基于直接序列擴頻調(diào)制及BPSK調(diào)制方案，對其發(fā)射機、接收機進行了設(shè)計。

       通過搭建地面電子學(xué)驗證實驗，對文中所設(shè)計的通信系統(tǒng)參數(shù)以及系統(tǒng)方案進行了評估與驗證。對實驗結(jié)果進行了詳細(xì)地討論，并分析了混合碼解調(diào)錯誤率較高的原因。并在解調(diào)錯誤率較高的條件下，提出了一種降低誤碼率的方法，對其系統(tǒng)性能進行了詳細(xì)測試。

       為更進一步驗證系統(tǒng)實際性能，在實驗室大氣條件下，搭建了地面光學(xué)驗證系統(tǒng)，如圖2。文中對系統(tǒng)通信性能進行了詳細(xì)測試，并對實驗結(jié)果展開了細(xì)致討論。此外，分別測試了電子學(xué)及光學(xué)系統(tǒng)的本底噪聲，討論了光學(xué)系統(tǒng)解調(diào)出錯率高于電子學(xué)系統(tǒng)的根本原因。最終結(jié)果表明，本文所設(shè)計的通信系統(tǒng)誤碼率在10-6以內(nèi)，滿足太極計劃激光通信的需求，其通信方案及相關(guān)參數(shù)選擇可為未來太極計劃星間激光通信系統(tǒng)提供理論基礎(chǔ)。

圖2光學(xué)驗證系統(tǒng)框圖

后續(xù)工作

       在真空環(huán)境下將電光相位調(diào)制器引入太極計劃超穩(wěn)干涉儀，進一步抑制系統(tǒng)噪聲、減小通信所占激光功率。進行激光通信、干涉測距等多功能實驗，使干涉儀在完成pm級測距的前提下，進一步實現(xiàn)空間光通信功能。

參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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