[发明专利]空间激光干涉系统激光指向控制技术的模拟方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间激光干涉系统激光指向控制技术的模拟方法和装置，特别是涉及一种可用于空间双星激光外差干涉测距系激光指向控制技术的模拟方法和装置，用以进行地面模拟实验。

背景技术

目前欧美地区计划发展的许多空间探索项目，例如下一代月球重力场探测卫星计划、地球先进重力卫星计划和空间引力波探测计划等。我国专门召开会议研讨如何开展引力波探测，空间引力波探测也被列入中国科学院制订的空间科学50年规划中。同时，受到重力卫星GRACE计划的巨大成功的推动，为了赶上国际重力测量的发展潮流，我国也开始探讨建设自主的星间激光干涉测量的先进重力卫星系统。由于空间探测的高精度要求，各国在优化对比的基础上均采取了星间激光干涉测距技术作为信号探测的基本方法学。

星间激光干涉的方法学对激光的准直性有很高的要求，但是由于空间环境的复杂性，卫星受到外界因素（譬如大气扰动，太阳风和太阳辐射等）的干扰，航天器发出的激光在出射方向上会发生抖动，这种指向误差会直接影响最终的测距精度。指向误差对测量相位的影响：

其中：

指向误差引起的测相误差；

λ：激光波长；

d：波前曲率误差；

D：望远镜接收直径；

θ_dc：指向静态偏转误差；

δθ：激光指向抖动。

减小波前曲率误差能提高测距精度，但在一定的加工工艺下，波前曲率误差为定值。望远镜直径的减小能够降低相位误差，但会引起接收光功率的减弱，增加了散粒噪声并提高了光探测的难度。而提高激光指向控制的精度是降低指向相位误差的有效方法。

对于先进重力测量项目而言，双星间距约100Km，轨道高度约300-400Km，处于低真空环境中，受大气扰动较为严重，同时其它非保守力的扰动也十分复杂。根据先进重力场测量项目激光干涉测距精度要求，在信号频率段0.1mHz-0.1Hz，激光指向控制精度需优于这就要求激光指向控制系统须具备动态范围大、控制精度高、控制频率高等性能要求；而对于空间引力波探测计划而言，虽然引力波探测卫星处于深空，外界扰动小，但双星间距非常遥远，约为100万公里，双星接收到的激光干涉信号非常微弱，这对激光指向控制精度提出更高的要求与挑战，需要在1mHz-1Hz的信号频率段内实现优于的激光指向控制精度。因此，激光指向控制已成为制约先进重力卫星和空间引力波探测的重要技术瓶颈。

在国外，空间引力波探测和先进重力测量项目的关键技术主要由德国eLISA/NGO研究小组负责研发。先前eLISA/NGO小组将主要精力投入在相位计、激光干涉仪和无拖曳控制等研究领域，激光指向控制系统的研究滞后，尚处于计算机模拟和预研究阶段，致使即将于2015年发射的LISA-Path-finder卫星都无法进行指向控制技术的测试。

我国的空间引力波探测及先进重力卫星研究起步较晚，其中空间激光精密测量的激光指向控制系统研究尚未开展。但中国科学院已将重力场测量及引力波探测列入中长期发展规划，拟在未来七到十年的时间内达到具有100公里空间分辨力和1mGal量级的重力场分布，及实现测距精度的空间激光干涉系统，为未来引力波探测和先进重力场测量项目奠定基础。但我国现有卫星姿态控制技术指标为需同步发展激光指向控制技术，以满足空间激光干涉测距要求。我国在激光通讯、目标跟踪及军事用途等应用领域的激光瞄准和指向控制有一定的技术积累。它们多采用成像法或四象限光电探测器中心与光斑中心重合法作为测角方法学,其精度一般在左右，远达不到空间引力波探测和先进重力卫星的测量要求。因此，激光指向控制已成为我国空间引力波探测及先进重力卫星发展的技术瓶颈。

发明内容

本发明解决的一个技术问题是提供一种空间激光干涉系统激光指向控制技术的模拟方法，用于精确进行空间激光干涉系统激光指向控制的地面模拟实验。

本发明解决的另一个技术问题就是，提供一种空间激光干涉系统激光指向控制技术的模拟装置，可以实现空间激光干涉系统激光指向控制的地面模拟实验。

为了解决上述问题，本发明提供一种空间激光干涉系统激光指向控制技术的模拟方法，包括如下步骤：

（a）产生准直、单色、偏振态、强度及相位可控的线偏振入射激光和本地激光；

（b）通过激光指向抖动模拟系统，对所述入射激光方向进行调制，用来模拟目标信号方向抖动；

（c）通过差分干涉光路，对入射激光和本地激光的强度及偏振态进行调控，并将所述入射激光与所述本地激光汇聚形成激光差分干涉信号，