“太极计划”激光链路辅助功能，助力倾听来自宇宙的声音

封面描绘了“太极计划”三星编队进行空间引力波探测的场景，引力波信号由背景中的双黑洞绕转辐射产生并引起时空扰动，在卫星的干涉仪测量系统中通过激光差分干涉技术进行pm级位移波动测量。为进行星间信息传递，在干涉链路基础上，通过激光边带调制完成星间时钟噪声传递、距离测量与通信等功能，统称为辅助功能。信号频谱由主峰、两个边带峰，及伪码扩频组成。

一、背景介绍

为了实现对低频引力波的探测，中国科学院主导开启了空间引力波探测任务——太极计划，该计划基于激光外差干涉技术，目标为在300万公里臂长下实现0.1 mHz至1 Hz频段引力波的高精度探测。为了消除由卫星间的时钟不同步带来的时钟噪声，需要将卫星间的时钟频率抖动进行星间传递测量，后采用时间延迟干涉的数据处理方法消除时钟噪声。同时，为了满足星间数据采集和信息交互，需要构建高质量的星间通信体系以确保引力波探测数据的时效性。由此，为了满足太极计划的要求，激光干涉系统除了实现相对距离测量的主要功能外，还需实现相应辅助功能，即时钟噪声传递和星间通信测距（测距功能为通信系统参数结构下的附属功能）。目前的辅助功能体系研究较为分化，各项功能均在独立的系统下完成，未对辅助功能一体化进行设计和验证，本文的研究旨在完成辅助功能耦合性分析与集成设计。

二、创新工作

太极计划对实现引力波探测的主要科学测量目标之外还提出了时钟噪声传递以及星间通信测距的辅助功能任务，需要构建一套完整的干涉仪辅助功能体系以实现功能一体化的目标。中国科学院力学研究所引力波实验中心基于时钟噪声传递和星间激光通信原理，分析了在同一激光链路中实现时钟噪声传递与激光通信测距的方案可行性，设计整体方案架构，如图1所示。

图1 太极计划星间激光干涉方案图

基于目前的相位测量系统，分析了时钟噪声传递的原理、需求和方案，设计了通信系统参数架构，依据太极计划技术指标要求进行耦合调制参数设计和分析。对于时钟噪声传递，本课题采用基于电光调制器的边带倍频时钟噪声传递方案，而对于通信系统，则采用基于伪随机码的直接序列扩频，通过二进制相移键控方式进行调制传递通信信息。通过仿真实验进行时钟信号与伪随机码耦合调制下的频谱分析，总结了主信号、边带信号、伪随机码旁瓣信噪比与调制深度之间的耦合关系，为光学实验提供指引。

本课题设计搭建了用于验证辅助功能一体化耦合性能的激光链路光学平台，如图2所示，在相位计测量结果中，分析了时钟信号与伪随机码调制耦合作用下对测量结果的影响，通过调整伪随机码调制深度使得时钟噪声效果在0.1~1 Hz，0.1~0.5 mHz频段达到优于2π×10-5rad/Hz1/2。分析对比了由于伪随机码调制深度改变对通信系统性能的影响，通过数据采集分析调整了延迟环判决系统，使伪随机码解调积分能量值提升至可靠水平，达到通信误码率低于10-6，满足太极计划指标，实现了在同一激光链路下耦合时钟噪声传递以及星间通信系统。

图2 激光链路光学平台设计

三、总结与展望

实验采取的时钟管理方案为倍频方式，倍频时钟噪声传递相较于分频时钟噪声传递方案两者的噪声程度存在一定差异，可考虑引进精度足够的分频器与时钟源进行分频方案下的时钟噪声消减实验进行验证。将激光链路设计置于空间光环境下进行测试，进一步验证空间探测性能。

课题组介绍

中国科学院力学研究所引力波实验中心旨在面向国家及中国科学院的重大战略需求，围绕空间基础科学领域，聚焦空间精密测控等关键核心问题，推动力学和空间科学技术的深度交叉。中心以空间引力波探测​太极计划为牵引，发展空间激光干涉精密测量、惯性传感与基准构建、引力波数据处理等技术。中心现有工作人员28人，学生30余人，其中正高2人，副高5人，博士后6人。近年来，承担了科技部引力波研发计划项目、中国科学院空间科学战略先导专项A/B、国家自然科学基金（面上、青年）等多项科研项目。在Commun. Phys.、Phys. Rev. D、Opt. Express、Opt. Letter、Optics & Laser Technology、IEEE TIM 等国内外重要刊物上发表累计发表文章100余篇，累计获得国内发明20余项。

参考文献： 中国光学期刊网

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