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引力波探测航天器超稳结构支撑框热形变干涉测量

邱成波,  樊汉鲲,  何涛,  蔡志鸣,  陈长永,  熊丽园,  印欣睿,  冯建朝,  杨中光,  赵东林,  陈超,  范晓孟,  张永合,  朱振才

邱成波, 樊汉鲲, 何涛, 等. 引力波探测航天器超稳结构支撑框热形变干涉测量[J]. 中国光学(中英文), 2026, 19(5): 1203-1212. doi: 10.3724/CO.2026-0088
引用本文: 邱成波, 樊汉鲲, 何涛, 等. 引力波探测航天器超稳结构支撑框热形变干涉测量[J]. 中国光学(中英文), 2026, 19(5): 1203-1212. doi: 10.3724/CO.2026-0088
QIU Cheng-bo, FAN Han-kun, HE Tao, et al. Interferometric measurement of thermal deformation for ultra-stable structural support frame of gravitational-wave detection spacecraft[J]. Chinese Optics, 2026, 19(5): 1203-1212. doi: 10.3724/CO.2026-0088
Citation: QIU Cheng-bo, FAN Han-kun, HE Tao, et al. Interferometric measurement of thermal deformation for ultra-stable structural support frame of gravitational-wave detection spacecraft[J]. Chinese Optics, 2026, 19(5): 1203-1212. doi: 10.3724/CO.2026-0088

引力波探测航天器超稳结构支撑框热形变干涉测量

cstr: 32171.14.CO.2026-0088
基金项目: 国家重点研发计划(No. 2023YFC2206001, No. 2022YFC2204504)
详细信息
    作者简介:

    邱成波(1990—),男,浙江宁波人,博士研究生,2016年于哈尔滨工业大学获得硕士学位,主要从事超稳结构与精密测量等方面的研究。E-mail:qiucb@microsate.com

    朱振才(1963—),男,山东安丘人,研究员,博士生导师,1993年于浙江大学光电工程专业获得博士学位,主要研究方向为卫星总体设计、光学精密测量等方面的研究。E-mail:zhuzc@microsate.com

  • 中图分类号: O439;P142.8+4;V447

Interferometric measurement of thermal deformation for ultra-stable structural support frame of gravitational-wave detection spacecraft

Funds: Supported by National Key R&D Program of China (No. 2023YFC2206001, No. 2022YFC2204504)
More Information
  • 摘要:

    为满足空间引力波探测用陶瓷基超稳结构的热形变测试需求,解决该类构件制备完成前测量链路难以验证的工程难题,本文搭建了一套适用于1mHz~0.1 Hz频段的地面真空热形变干涉测量系统。选用几何构型、安装接口及测量光路均与陶瓷基构件等效的 4J32 殷钢样件作为试验件,完成系统综合热膨胀系数标定、长期位移稳定性测试与低频噪声分析。试验将被测结构、光纤测量头、反射镜与温度传感器整体置于真空环境,利用腔体自然降温实现测量链路整体热响应标定;在mK级稳态温控下,采用Welch法获取位移噪声幅值谱密度,对比分析干涉仪本征噪声、热等效噪声与系统综合噪声。实验结果表明:系统综合热膨胀系数与殷钢本征值相对偏差约8.3%,可有效表征测量链路整体热响应;系统在mHz频段的位移噪声幅值谱密度为26.6 nm/$ \sqrt{{\mathrm{Hz}}} $,长周期测量稳定性较好;干涉仪本征噪声较系统综合噪声低约两个数量级,温度波动转换的热等效位移噪声仅占系统噪声的7.8%~14.1%,二者均远低于系统综合测量噪声,并非系统测量误差的主要来源。该系统与方法完成了全测量链路验证与噪声基准建立,可为后续陶瓷基超稳结构热形变测试提供等效验证基础与可复用技术方案。

     

  • 图 1  光纤双频干涉位移测量原理示意图

    Figure 1.  Principle diagram of fiber dual-frequency interferometric displacement measurement

    图 2  热形变测量系统总体组成示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of the overall composition of the thermal deformation measurement system

    图 3  真空罐中试验场景

    Figure 3.  Experimental setup in vacuum chamber

    图 4  试验对象

    Figure 4.  Test specimen

    图 5  测量光路布置

    Figure 5.  Measurement optical path layout

    图 6  光纤走线与防护

    Figure 6.  Optical fiber routing and protection

    图 7  加热片位置分布示意图

    Figure 7.  Layout of heater patches

    图 8  测温点位置分布示意图

    Figure 8.  Schematic diagram of temperature measurement point distribution

    图 9  长周期稳态时域数据

    Figure 9.  Long-period steady-state time-domain data

    图 10  6个稳态区间分布

    Figure 10.  Distribution of six steady-state segments

    图 11  稳态区间位移噪声幅值谱密度图

    Figure 11.  ASD of displacement noise in steady-state intervals

    图 12  温度与位移时域变化及系统综合热膨胀系数标定结果

    Figure 12.  Temperature–displacement evolution and system thermal expansion coefficient calibration result

    图 13  干涉仪本征噪声与系统位移噪声ASD对比

    Figure 13.  Comparison between intrinsic interferometer noise and system displacement noise

    图 14  热等效位移噪声与系统位移噪声ASD对比

    Figure 14.  Comparison between thermal-equivalent displacement noise and system displacement noise

    图 15  温度波动与位移波动的散点图及线性拟合结果

    Figure 15.  Scatter plot and linear fitting results of temperature fluctuation and displacement fluctuation

    图 16  热等效位移噪声占系统实测噪声的频率依赖比例

    Figure 16.  Frequency-dependent ratio of thermal-equivalent displacement noise to measured system noise

    表  1  FDS-02光纤双频激光干涉仪主要技术参数

    Table  1.   Main technical parameters of the FDS-02 fiber dual-frequency laser interferometer

    参数 数值
    激光波长(20 °C,
    标准大气压)
    1550 nm
    波长精度 <±0.1 ppm
    波长稳定性 <±20 ppb(1 h);<±50 ppb(24 h)
    光束直径 3 mm ± 0.2 mm
    测量量程 0~1 m
    光学信号周期 λ/4(387.5 nm)
    测量分辨率 0.38 nm(4 倍光学细分)
    系统非线性误差(SDE) <±2 nm(速度 <50 mm/s,信号强度 >70%)
    测量头热漂移系数 <30 nm/ °C
    最大测量速度 1 m/s
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-05-04
  • 修回日期:  2026-05-28
  • 网络出版日期:  2026-07-06

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