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面向空间激光干涉的多通道相位测量系统

张强涛 刘河山 罗子人

张强涛, 刘河山, 罗子人. 面向空间激光干涉的多通道相位测量系统[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(5): 1089-1099. doi: 10.37188/CO.2022-0258
引用本文: 张强涛, 刘河山, 罗子人. 面向空间激光干涉的多通道相位测量系统[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(5): 1089-1099. doi: 10.37188/CO.2022-0258
ZHANG Qiang-tao, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Multi-channel phase measurement system for the space laser interferometry[J]. Chinese Optics, 2023, 16(5): 1089-1099. doi: 10.37188/CO.2022-0258
Citation: ZHANG Qiang-tao, LIU He-shan, LUO Zi-ren. Multi-channel phase measurement system for the space laser interferometry[J]. Chinese Optics, 2023, 16(5): 1089-1099. doi: 10.37188/CO.2022-0258

面向空间激光干涉的多通道相位测量系统

doi: 10.37188/CO.2022-0258
基金项目: 国家重点研发计划资助:“引力波探测”重点专项(No. 2020YFC2200104)
详细信息
    作者简介:

    张强涛(1997—),男,河南三门峡人,硕士,现就读于国科大杭州高等研究院,主要从事引力波探测相位计方面的研究。E-mail:zhangqiangtao20@mails.ucas.ac.cn

    刘河山(1988—),男,安徽阜阳人,博士,副研究员,2015年于中国科学院大学获得博士学位,研究领域涉及激光干涉测距、高精度相位测量、精密指向控制、激光锁相等。E-mail:liuheshan@imech.ac.cn

    罗子人(1980—),男,湖南长沙人,博士,研究员,2010年于中国科学院数学与系统科学研究院获得理学博士,现为中国科学院力学研究所研究员。太极计划首席科学家助理,主要从事引力波探测的空间激光干涉测距技术的理论分析和方案设计方面的研究。E-mail:luoziren@imech.ac.cn

  • 中图分类号: O439

Multi-channel phase measurement system for the space laser interferometry

Funds: Supported by the National Key Research and Development Program (No. 2020YFC2200104)
More Information
  • 摘要:

    空间引力波探测激光干涉系统由多路干涉仪组成,涉及到多组干涉信号的相位采集和读出,多通道相位测量系统是空间激光干涉的关键核心技术之一。本文从太极计划及其地基激光干涉实验需求入手,设计、搭建并测试了多通道相位测量系统。首先,给出多通道相位测量系统的软硬件设计,包括硬件架构设计、数字锁相环测相算法、软件架构设计等。其次,对多通道相位计进行时域功能测试,包括相位准确度和线性度。测试结果表明多通道相位测量系统在不同工况下的动静态相位线性度和准确度良好。最终,对多通道相位计进行不同通道、不同频率、不同幅值下的频域噪声测试。测试结果还表明本文设计的多通道相位计,在0.1 mHz~1 Hz频段内,相位噪声水平均优于$ 2{\text{π}}{\text{µ}} {\rm{rad}}/\sqrt{{\rm{Hz}}} $;不同通道之间具有很好的一致性,由通道差异或ADC芯片差异引入的相位噪声在目标频段内可以忽略不计;对于频率在5−25 MHz之间的任意干涉信号,相位计在目标频段内均满足需求。因此,该多通道相位测量系统满足空间引力波探测及地基干涉实验的需求。

     

  • 图 1  多通道相位计硬件结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of hardware structure of multi-channel phasemeter

    图 2  导频校正原理图

    Figure 2.  Pilot tone Correction Schematic

    图 3  多通道相位计硬件实物图

    Figure 3.  Hardware prototype of multi-channel phasemeter

    图 4  基于DPLL的相位解调算法原理框图。(MUL:乘法器;LPF:低通滤波器;UDP:用户数据报协议)

    Figure 4.  Block diagram of phase demodulation algorithm based on DPLL.(MUL: Multiplier; LPF: Low Pass Filter; UDP: User Datagram Protocal)

    图 5  PL侧系统部署框图

    Figure 5.  Schematic diagram of system arrangement on PL

    图 6  实验设备实物图

    Figure 6.  Physical prototype of experiment set up

    图 7  不同频率下相位静态线性度测试结果。(a) 5 MHz; (b) 15 MHz; (c) 20 MHz; (d) 25 MHz;

    Figure 7.  Phase static linearity test results at different frequencies. (a) 5 MHz; (b) 15 MHz; (c) 20 MHz; (d) 25 MHz;

    图 8  不同频率差下相位动态线性度测试,测试信号频率5 MHz。(a) 0.01 Hz; (b) 0.02 Hz; (c) 0.04 Hz; (d) 0.08 Hz;

    Figure 8.  Phase dynamic linearity test results at different frequency differences with signal frequency 5 MHz. (a) 0.01 Hz; (b) 0.02 Hz; (c) 0.04 Hz; (d) 0.08 Hz;

    图 9  频率跟踪能力测试结果

    Figure 9.  Test results of frequency tracking capability

    图 10  不同ADC通道之间相位噪声

    Figure 10.  Phase noise between different ADC channels

    图 11  不同频率下的相位噪声

    Figure 11.  Phase noise at different frequencies

    图 12  不同幅值下的相位噪声

    Figure 12.  Phase noises at different amplitudes

    表  1  动态测试下拟合曲线斜率

    Table  1.   The slope of the fitting curve under the dynamic test

    0.01Hz0.02Hz0.04Hz0.08Hz
    5 MHz0.0100010.0200020.0400020.080003
    15 MHz0.0100010.0200040.0400090.080012
    25 MHz0.0099990.0200120.0399800.080045
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-29
  • 修回日期:  2023-02-01
  • 录用日期:  2023-03-22
  • 网络出版日期:  2023-04-04

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