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空间引力波探测航天器光学测距噪声链路指标优化

方子若 朱振才 蔡志鸣 李华旺 刘野 汤宁标 侍行剑

方子若, 朱振才, 蔡志鸣, 李华旺, 刘野, 汤宁标, 侍行剑. 空间引力波探测航天器光学测距噪声链路指标优化[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0185
引用本文: 方子若, 朱振才, 蔡志鸣, 李华旺, 刘野, 汤宁标, 侍行剑. 空间引力波探测航天器光学测距噪声链路指标优化[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2024-0185
FANG Zi-ruo, ZHU Zhen-cai, CAI Zhi-ming, LI Hua-wang, LIU Ye, TANG Ning-biao, SHI Xing-jian. Optimization of optical metrology noise link metrics for space-based gravitational wave detection spacecraft[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0185
Citation: FANG Zi-ruo, ZHU Zhen-cai, CAI Zhi-ming, LI Hua-wang, LIU Ye, TANG Ning-biao, SHI Xing-jian. Optimization of optical metrology noise link metrics for space-based gravitational wave detection spacecraft[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2024-0185

空间引力波探测航天器光学测距噪声链路指标优化

cstr: 32171.14.CO.2024-0185
基金项目: 国家重点研发计划(No. 2020YFC2200901)
详细信息
    作者简介:

    方子若(2000—),女,安徽黄山人,博士研究生,2021年于南京师范大学获得工学学士学位,主要从事科学探测航天器总体设计、任务规划等方面的研究。E-mail:fziruo@mail.ustc.edu.cn

    侍行剑(1985—),男,江苏宿迁人,副研究员,2014年于中国科学院等离子体物理研究所获得理学博士学位,主要从事科学探测航天器总体设计、天基磁测、航天器磁洁净、航天器与空间环境作用等方面的研究。E-mail:shixj@microsate.com

  • 中图分类号: V19

Optimization of optical metrology noise link metrics for space-based gravitational wave detection spacecraft

Funds: Supported by National Key R & D Program of China (No. 2020YFC2200901)
More Information
  • 摘要:

    为满足空间引力波探测皮米级测距精度的需求,本文提出了一种星间光学测距噪声链路指标优化方法。该方法通过对设计参数进行优化,在确保星间测距精度的同时提高航天器设计方案的技术可行性。首先,明确优化问题的设计参数及目标函数,结合Sobol敏感性分析有效识别出关键参数。随后,采用非支配排序遗传算法(NSGAII)对优化问题进行求解,从帕累托解集中筛选出符合需求的最优方案。在此基础上,确定各参数的设计指标并初步构建指标树。通过仿真实验验证了方法的可行性。结果表明:采用本文方法优化噪声链路指标,能够在满足$ 8\;\mathrm{p}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $光学测距噪声要求的同时,获得技术可行性最高的设计方案。本研究为后续航天器设计阶段指标体系的构建提供了有效的参考思路与框架,具有良好的适用性,为未来的引力波探测任务奠定了基础。

     

  • 图 1  干涉测量系统

    Figure 1.  Interferometric measurement system

    图 2  测距噪声链路指标优化方法

    Figure 2.  Optimization method for metrology noise link metrics

    图 3  NSGAII算法求解模型参数优化问题流程

    Figure 3.  Flowchart of the NSGAII algorithm for solving the model parameter optimization problem

    图 4  参数敏感性分析结果

    Figure 4.  Parameter sensitivity analysis results

    图 5  IGD值迭代变化曲线

    Figure 5.  IGD iteration curve

    图 6  HV值迭代变化曲线

    Figure 6.  HV iteration curve

    图 7  关键设计参数指标优化结果

    Figure 7.  Optimization results of key parameter metrics

    图 8  测距噪声指标树

    Figure 8.  Displacement noise metrics tree

    图 9  不同配置下优化结果

    Figure 9.  Optimization results under different parameter configurations

    图 10  最优解参数值的相对变化率

    Figure 10.  Relative variation rate of parameter values for the optimal solution

    图 11  非关键参数放松对实施难度指标的影响

    Figure 11.  Impact of relaxation of non-key parameters on implementation difficulty metric

    表  1  任务参数表

    Table  1.   List of mission parameters

    参数 含义 初值 单位
    $ {L}_{\rm{arm}} $ 干涉臂长 3×106 km
    $ {\lambda }_{\rm{laser}} $ 激光器波长 1064 nm
    $ {n}_{\rm{fs}} $ 熔融石英元件折射率 1.45 N/A
    $ {f}_{\rm{het}} $ 最大外差频率 1.8 MHz
    $ {f}_{\rm{mod}} $ 激光调制频率 2.4 GHz
    $ m $ 调制深度 0.53 N/A
    $ {N}_{\rm{pd}} $ 光电探测器象限数量 4 N/A
    $ {d}_{\rm{tel}} $ 望远镜口径 0.4 m
    $ {OPD}_{\rm{ob}} $ 光学平台上的光程差 565 mm
    $ {OPD}_{\rm{fs}} $ 熔融石英元件内的光程差 29 mm
    $ {\alpha }_{\rm{ule}} $ 微晶玻璃的热膨胀系数 2×10−8 1/K
    $ {\alpha }_{\rm{fs}} $ 熔融石英元件的热膨胀系数 5.5×10−7 1/K
    $ {l}_{\rm{cables}} $ 电缆长度 2 $ \mathrm{m} $
    $ {l}_{\rm{fibers} }$ 光纤长度 5 m
    $ {\eta }_{\rm{het}} $ 外差检测的效率 0.7 N/A
    $ {\eta }_{\rm{opt}} $ 接收路径中的光学效率 0.7 N/A
    $ {\eta }_{\rm{pd}} $ 光电探测器的量子效率 0.8 N/A
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    表  2  读出噪声参数表(1 mHz处)

    Table  2.   List of readout noise parameters (at 1 mHz)

    参数 含义 初值 单位 TRL
    $ RIN $ 相对强度噪声 1×10−8 $ 1/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 4
    $ {P}_{\rm{local}} $ 本地激光功率 0.04 W 5
    $ {P}_{\rm{tel}} $ 望远镜出射光功率 4 W 5
    $ {C}_{\rm{pd}} $ 光电探测器的电容 10 pF 5
    $ {\tilde{U}}_{\rm{pd}} $ 跨阻放大器电压噪声 2 $ \mathrm{n}\mathrm{V}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ {\tilde{I}}_{\rm{pd}} $ 跨阻放大器电流噪声 2 $ \mathrm{p}\mathrm{A}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ {\tilde{x}}_{r/o}^{\rm{dark}} $ 暗电流噪声 1 $ \mathrm{p}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
    $ {\tilde{x}}_{r/o}^{\rm{cir}} $ 测量电路噪声 1 $ \mathrm{p}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
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    表  3  时钟噪声参数表(1 mHz处)

    Table  3.   List of clock noise parameters (at 1 mHz)

    参数 含义 初值 单位 TRL
    $ {\tilde{t}}_{el} $ 时序抖动噪声 40 $ \mathrm{f}\mathrm{s}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 3
    $ {\tilde{T}}_{el} $ 元件温度噪声 20 $ \text{μ}\mathrm{K}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ {\left(\dfrac{\delta \phi }{\delta T}\right)}_{{\mathrm{c}}} $ 电缆温漂系数 7 $ \dfrac{\mathrm{m}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}{\mathrm{K}}\dfrac{1}{\mathrm{m}\times \mathrm{G}\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ {\left(\dfrac{\delta \phi }{\delta T}\right)}_{{\mathrm{f}}} $ 光纤温漂系数 1 $ \dfrac{\mathrm{m}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}}{\mathrm{K}}\dfrac{1}{\mathrm{m}\times \mathrm{G}\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ {\tilde{\phi }}_{\rm{eom}} $ EOM相位噪声 3×10−6 $ \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
    $ {\tilde{\phi }}_{{\mathrm{FA}}} $ FA相位噪声 6×10−6 $ \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
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    表  4  光程噪声参数表(1 mHz处)

    Table  4.   List of optical path noise parameters (at 1 mHz)

    参数 含义 初值 单位 TRL
    $ {\tilde{T}}_{{ob}} $ 光学平台的温度噪声 20 $ \text{μ}\mathrm{K}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ \dfrac{d{n}_{{fs}}}{dT} $ 熔融石英折射率随
    温度变化的导数
    1×10−5 1/K 4
    $ {d}_{\rm{wf}} $ 波前畸变 3.55×10−8 m 3
    $ {\theta }_{\rm{dc}} $ 角度偏移 1×10−8 rad 5
    $ \delta \phi $ 角度抖动 2×10−8 $ \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
    $ {\tilde{x}}_{\rm{opn}}^{\rm{tel}} $ 望远镜光程抖动噪声 1 $ \mathrm{p}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
    $ {\tilde{x}}_{\rm{opn}}^{\rm{bfd}} $ 光纤延迟噪声 1 $ \mathrm{p}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
    $ {\tilde{x}}_{\rm{opn}}^{\rm{paam}} $ 光束转向机构噪声 1 $ \mathrm{p}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
    $ {\tilde{x}}_{\rm{opn}}^{\rm{tm}} $ 检验质量运动噪声 10 $ \mathrm{f}\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 2
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    表  5  测量系统参数表(1 mHz处)

    Table  5.   List of measurement noise parameters (at 1 mHz)

    参数 含义 初值 单位 TRL
    $ {\tilde{v}}_{\rm{pre}} $ 激光频率噪声 30 $ \mathrm{H}\mathrm{z}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 4
    $ {L}_{\rm{ranging} }$ 测距误差 1 m 3
    $ {\tilde{\phi }}_{\rm{pm}} $ 辅助相位噪声 1 $ \text{μ}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ 5
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    表  6  技术成熟度等级表(1 mHz处)

    Table  6.   List of technology readiness levels (at 1 mHz)

    TRL 定义
    1级 发现和报道了基本原理
    2级 提出了技术概念或应用设想
    3级 技术应用方案的关键功能或特性
    通过了分析与实验室证实
    4级 在实验室环境下验证了
    部件或原理样机的性能
    5级 部件或原理样机的关键功能
    在相关环境下得到了验证
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    表  7  各算法优化性能指标对比表

    Table  7.   Comparison of optimization performance metrics for different algorithms

    算法IGD(avg)IGD(std)HV(avg)HV(std)
    MOCMA0.23210.02680.11670.0051
    DAEA0.15830.02240.16490.0097
    SMPSO0.06960.00590.21210.0064
    NSGAII0.04880.00030.23220.0002
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    表  8  关键参数指标优化结果表

    Table  8.   Optimization results of key parameter metrics

    参数 初值 初始
    TRL
    优化结果 优化后
    TRL
    单位 指标
    $ RIN $ 1×10−8 4 9.50×10−9 4 $ 1/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ $ RIN\leqslant 9.50 $×10−9
    $ {P}_{\rm{local}} $ 0.04 5 0.032 5 W $ {P}_{\rm{local}}\geqslant 0.032 $
    $ {P}_{\rm{tel}} $ 4 5 4.197 5 W $ {P}_{\rm{tel}}\geqslant 4.197 $
    $ {\tilde{T}}_{\rm{ob}} $ 20 5 16 3 $ \text{μ}\mathrm{K}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ $ {\tilde{T}}_{\rm{ob}}\leqslant 1.60 $×10−5
    $ \dfrac{d{n}_{\rm{fs}}}{dT} $ 1×10−5 4 9.50×10−6 4 1/K $ \dfrac{d{n}_{\rm{fs}}}{dT}\leqslant $9.50×10−6
    $ {d}_{\rm{wf}} $ 3.55×10−8 3 3.38×10−8 3 m $ {d}_{\rm{wf}}\leqslant 3.38 $×10−8
    $ {\theta }_{\rm{dc}} $ 1×10−8 5 9.56×10−9 5 rad $ {\theta }_{\rm{dc}}\leqslant 9.56 $×10−9
    $ \delta \phi $ 2×10−8 5 1.90×10−8 5 $ \mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{d}/\sqrt{\mathrm{H}\mathrm{z}} $ $ \delta \phi \leqslant 1.90 $×10−8
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-10-08
  • 录用日期:  2024-12-24
  • 网络出版日期:  2025-01-22

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