基于triz的空間激光干涉引力波探測(cè)器設(shè)計(jì)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(cè)器及技術(shù)進(jìn)化路線，其裝置的設(shè)計(jì)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(gè)探測(cè)器組成一個(gè)邊長(zhǎng)為103-109千米的等邊三角形星座，星座的中心運(yùn)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(gè)航天器上都有兩個(gè)完全相同的光學(xué)臺(tái)，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測(cè)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(hào)處理的電子器件。每個(gè)航天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué)臺(tái)發(fā)生干涉，如果有引力波掃過(guò)測(cè)試質(zhì)量，其位置的微小改變會(huì)引起干涉信號(hào)，即激光相位的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出觀測(cè)到的引力波的存在。
【專利說(shuō)明】基于TRIZ的空間激光干涉引力波探測(cè)器設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的精密測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種 空間激光干涉引力波探測(cè)器設(shè)計(jì)及其方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 愛因斯坦在創(chuàng)立廣義相對(duì)論時(shí)，預(yù)言了引力波的存在。運(yùn)用廣義相對(duì)論的引力輻 射理論可以推導(dǎo)出關(guān)于引力波的三個(gè)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(cè)。
[0003] 天文學(xué)家已間接驗(yàn)證了引力波的存在。1993諾貝爾物理獎(jiǎng)得主是美國(guó)的泰勒 (J. H. Taylor)和赫爾斯（R. A. Hulse)，得獎(jiǎng)原因是他們對(duì)脈沖雙星PSR1913+16的發(fā)現(xiàn)和研 究，這個(gè)雙脈沖星系統(tǒng)成為存在引力波的第一個(gè)間接觀測(cè)證據(jù)。進(jìn)而人類更加渴望直接探 測(cè)到引力波，引力波探測(cè)的主要目的是探測(cè)引力波動(dòng)效應(yīng)，這不僅是直接檢驗(yàn)愛因斯坦廣 義相對(duì)論，提供引力波存在的直接證據(jù)，其更大目的是認(rèn)識(shí)宇宙的結(jié)構(gòu)和演化過(guò)程的新奧 秘。目前所進(jìn)行的引力波探測(cè)活動(dòng)大部分集中在利用地面激光干涉引力波探測(cè)器探測(cè)高頻 引力波，以及為預(yù)計(jì)能在2020年后實(shí)現(xiàn)的利用空間激光干涉引力波探測(cè)器探測(cè)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(wàn)個(gè)高水平發(fā)明專利的統(tǒng)計(jì)而提煉出來(lái)的創(chuàng)新方法，是科學(xué)發(fā) 現(xiàn)、技術(shù)研發(fā)和制造過(guò)程的精髓，是當(dāng)今世界最先進(jìn)的創(chuàng)新方法之一。在國(guó)家發(fā)改委、科學(xué) 技術(shù)部、教育部和中國(guó)科協(xié)印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)創(chuàng)新方法工作的若干意見》中，TRIZ作為重點(diǎn) 推廣的創(chuàng)新方法。
[0005] 人類研究引力波探測(cè)器已經(jīng)五十年了，至今還沒有直接探測(cè)到引力波。在相對(duì)論 中，可以計(jì)算出引力波傳到太陽(yáng)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(cè)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(cè)到引力波的主要原因。1989年，美國(guó)和歐洲科學(xué)家規(guī)劃把引力波 探測(cè)實(shí)驗(yàn)從地面移至太空，希望探測(cè)到中低頻引力波。太空引力波探測(cè)計(jì)劃LISA (Laser Interferometer Space Antenna)是美國(guó)宇航局（NASA)和歐洲空間局（ESA)的合作項(xiàng)目。 LISA于2020年以后發(fā)射3個(gè)空間探測(cè)器，組成一個(gè)邊長(zhǎng)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(cè)距，以探測(cè)引力波。
[0006] 我國(guó)引力波探測(cè)計(jì)劃已進(jìn)行過(guò)多次策劃和研討，并組織了國(guó)外調(diào)研，提出了類似 LISA結(jié)構(gòu)的我國(guó)引力波探測(cè)方案，建議我國(guó)在2030年前后發(fā)射由位于等邊三角形頂端 三個(gè)航天器組成的引力波探測(cè)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(cè)，主要科學(xué)目標(biāo)是觀測(cè)雙黑洞并合和極大質(zhì)量比天體并合 時(shí)產(chǎn)生的引力波輻射，以及其它的宇宙引力波過(guò)程。該方案提出與歐空局的LISA計(jì)劃進(jìn) 行合作。目前，空間引力波探測(cè)已被列入中國(guó)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(yùn)用TRIZ和光學(xué)干涉原理設(shè)計(jì)了一種空間激光干涉引力波探測(cè)器， 希望探測(cè)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(duì)地面激光干涉引力波探測(cè)器進(jìn)行分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測(cè)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(duì)中低頻引力波的 "測(cè)量精度"，同時(shí)必須增大(惡化）該裝置的"運(yùn)動(dòng)物體的面積"。"測(cè)量精度"和"運(yùn)動(dòng)物體 的面積"的工程參數(shù)序號(hào)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(duì) 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(hào)。根據(jù)TRIZ推薦的7 個(gè)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(cè)器進(jìn)化成一種空間激光干 涉引力波探測(cè)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(yáng)。該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理：由3個(gè)探測(cè)器組成一個(gè)邊長(zhǎng)為103-109千米的等邊三 角形星座，星座的中心運(yùn)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(gè)航天器上都有兩個(gè)完全相同的光學(xué)臺(tái)，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測(cè) 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(hào)處理的電子器件。每個(gè)航 天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué)臺(tái)發(fā)生干涉，如果有引力波掃過(guò)測(cè)試 質(zhì)量，其位置的微小改變會(huì)引起干涉信號(hào)，即激光相位的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出 觀測(cè)到的引力波的存在。本發(fā)明專利的有益效果是：原理簡(jiǎn)單實(shí)用，操作方便，便于科研等 應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0009] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專利進(jìn)一步說(shuō)明。
[0010] 圖1是地面激光干涉引力波探測(cè)器光路圖。
[0011] 圖2是空間激光干涉引力波探測(cè)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(yáng)。

【具體實(shí)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(cè)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(zhǎng)（ 103-105km)空間引力波探測(cè)激光干涉器最敏感的頻帶；低頻帶 (Κ^Ηζ-ΚΓΗζ)是深空探測(cè)引力波的激光干涉器臂長(zhǎng)（10 6-109km)最敏感的頻帶。我們對(duì) 地面激光干涉引力波探測(cè)器進(jìn)行分析，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測(cè)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(duì)中低頻引力波的"測(cè)量精 度"，同時(shí)必須增大(惡化）該裝置的"運(yùn)動(dòng)物體的面積"。"測(cè)量精度"和"運(yùn)動(dòng)物體的面積" 的工程參數(shù)序號(hào)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(duì)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(hào)。根據(jù)TRIZ推薦的7個(gè)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(cè)器進(jìn)化成一種空間激光干涉引力波 探測(cè)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(cè)器設(shè)計(jì)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(yáng)；該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理：由3個(gè)探測(cè)器組 成一個(gè)邊長(zhǎng)為1〇3_1〇9千米的等邊三角形星座，星座的中心運(yùn)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(gè)航天器上都有兩個(gè)完全相同的光學(xué)臺(tái)，包 含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測(cè)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(hào)處理的電子器件；每個(gè)航天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué) 臺(tái)發(fā)生干涉，如果有引力波掃過(guò)測(cè)試質(zhì)量，其位置的微小改變會(huì)引起干涉信號(hào)，即激光相位 的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出觀測(cè)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(cè)器，其特征在于：對(duì)地面激光 干涉引力波探測(cè)器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測(cè)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(duì)中低頻引力波的"測(cè)量精度"，同時(shí)必須增大(惡 化）該裝置的"運(yùn)動(dòng)物體的面積";"測(cè)量精度"和"運(yùn)動(dòng)物體的面積"的工程參數(shù)序號(hào)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(duì)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(hào)；根據(jù)TRIZ推薦的7個(gè)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(cè)器進(jìn)化成一種空間激光干涉引力波探測(cè)器； 表1 2008矛盾矩陣表
發(fā)明原理10、預(yù)操作：預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排，使其在時(shí)間上有準(zhǔn)備，或已處于易操 作的位置；需要預(yù)先對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行特殊安排，如果使該裝置惡化的"運(yùn)動(dòng)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(gè)航天器組成的引力波探測(cè)編 組，3個(gè)探測(cè)器組成一個(gè)邊長(zhǎng)為103-109千米的等邊三角形星座，即每?jī)蓚€(gè)航天器之間的夾 角為60°，星座的中心運(yùn)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(jì)是為了盡可能減少地球引力造成的影響；在時(shí)間上有準(zhǔn)備，當(dāng)3個(gè)探測(cè)器到 達(dá)繞日的引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)軌道時(shí)，處于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探測(cè)引力 波；發(fā)明原理24、中介物：使用中間物體來(lái)傳遞或者執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作；將引力波作為太空引力 波探測(cè)器的中介物進(jìn)行探測(cè)，引力波能夠執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作使干涉條紋移動(dòng)；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(hào)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(cè)器的激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)在空間探測(cè)器的反射鏡來(lái)回反射產(chǎn)生干涉，當(dāng) 引力波到達(dá)時(shí)，可以用光電二極管測(cè)量干涉條紋的移動(dòng)；在每一個(gè)航天器上都有兩個(gè)完全 相同的光學(xué)臺(tái)，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測(cè)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(hào)處理的電子器件；由于每?jī)蓚€(gè)航天器之間的夾角為60°，每 個(gè)航天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué)臺(tái)發(fā)生干涉，激光走完這段航天 器間隔的距離需要一段時(shí)間；在每個(gè)干涉儀的后面安置有一個(gè)作為"測(cè)試質(zhì)量"的合金立方 體（75%金和25%鉬)，其中一個(gè)表面被打磨成光滑的平面鏡用來(lái)反射激光；如果有引力波掃 過(guò)測(cè)試質(zhì)量，其位置的微小改變會(huì)引起干涉信號(hào)，即激光相位的改變，從這種相位變化即可 推導(dǎo)出觀測(cè)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(shí)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(cè)性；在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這種測(cè)量精度要求測(cè)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(yáng)風(fēng)粒子的影響；并且該裝置 的干涉測(cè)量系統(tǒng)也要高度靈敏，使得真正需要的引力波信號(hào)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(duì)航天器運(yùn)行對(duì)激光頻率造成的多普勒效應(yīng)的影 響，激光長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生與激光同頻率擾動(dòng)的光子流，使其完成并行的操作，即干涉 條紋移動(dòng)；該裝置在實(shí)際運(yùn)行中每個(gè)航天器之間的距離達(dá)到幾百萬(wàn)千米以上的長(zhǎng)度可以探 測(cè)到干涉條紋移動(dòng)10皮米（1皮米等于1〇_12米）以上的長(zhǎng)度變化；發(fā)明原理26、復(fù)制：通過(guò) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)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(cè)到的引力波，可以通過(guò)虛擬現(xiàn) 實(shí)技術(shù)復(fù)制引力波源的情況，如果探測(cè)到宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的"原始引力波"，可以通過(guò)虛 擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)制宇宙大爆炸時(shí)的情況；空間引力波探測(cè)的主要目的是探測(cè)引力波動(dòng)效應(yīng)， 這不僅是直接檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論，提供引力波存在的直接證據(jù)，其更大目是認(rèn)識(shí)宇 宙的結(jié)構(gòu)和演化過(guò)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(yáng)系天體 參數(shù)的變化，可以改變?cè)撗b置系統(tǒng)中激光的狀態(tài)，所以該裝置應(yīng)該能夠測(cè)量太陽(yáng)系天體參 數(shù)的變化，例如測(cè)繪太陽(yáng)系引力分布。
【文檔編號(hào)】G01V7/16GK104280785SQ201310275447
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)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(qǐng)人:江南大學(xué)