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引力波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, 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. 引力波超稳结构支撑框热形变干涉测量[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2026-0088
引用本文: 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. 引力波超稳结构支撑框热形变干涉测量[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2026-0088
QIU Cheng-bo, FAN Han-kun, HE Tao, CAI Zhi-ming, CHEN Chang-yong, XIONG Li-yuan, YIN Xin-rui, FENG Jian-chao, YANG Zhong-guang, ZHAO Dong-lin, CHEN Chao, FAN Xiao-meng, ZHANG Yong-he, ZHU Zhen-cai. Interferometric measurement of thermal deformation for ultra-stable structural support frame of gravitational wave spacecraft[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2026-0088
Citation: QIU Cheng-bo, FAN Han-kun, HE Tao, CAI Zhi-ming, CHEN Chang-yong, XIONG Li-yuan, YIN Xin-rui, FENG Jian-chao, YANG Zhong-guang, ZHAO Dong-lin, CHEN Chao, FAN Xiao-meng, ZHANG Yong-he, ZHU Zhen-cai. Interferometric measurement of thermal deformation for ultra-stable structural support frame of gravitational wave spacecraft[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2026-0088

引力波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

    樊汉鲲(2001—),男,安徽合肥人,硕士生,主要从事热结构耦合分析及结构稳定性测试研究。E-mail: 2434142@tongji.edu.cn

    何涛(1989—),男,江西黎川人,硕士,高级工程师,主要从事超静超稳航天器结构技术研究。E-mail: hetao@microsate.com

    蔡志鸣(1984—),男,浙江温州人,博士,研究员,主要从事空间科学卫星系统设计研究。E-mail: caizm@microsate.com

    陈长永(1995—),男,江苏盐城人,本科,工程师,主要从事结构设计与工艺研究。E-mail: chency@microsate.com

    熊丽园(1993—),女,江西宜春人,硕士,工程师,主要从事航天器超稳结构设计研究。E-mail: xiongly@microsate.com

    印欣睿(2000—),男,江苏扬州人,博士生,主要从事航天器超稳结构研究。E-mail: yinxinrui@microsate.com

    冯建朝(1989-),男,河北邢台人,硕士,高级工程师,主要从事航天器精密测控温技术研究。E-mail: fengjc@microsate.com

    杨中光(1989-),男,山东潍坊人,博士,副研究员,主要从事航天器自主位姿确定及总体设计等方面研究。E-mail: yangzg@microsate.com

    赵东林(1978—),男,辽宁朝阳人,硕士,副研究员,主要从事零膨胀新型材料制备研究。E-mail: zhaodonglin0@nwpu.edu.cn

    陈超(1978—),男,陕西西安人,硕士,副研究员,主要从事超稳定结构优化设计研究。E-mail: superchen@nwpu.edu.cn

    范晓孟(1987—),男,河南许昌人,博士,副教授,主要从事超稳结构一体化成型技术研究。E-mail: fanxiaomeng@nwpu.edu.cn

    张永合(1977—),男,山东莱西人,博士,研究员,主要从事卫星任务分析与系统设计技术研究。E-mail: zhangyh@microsate.com

    朱振才(1963—),男,山东安丘人,研究员,博导,1993年于浙江大学光电工程获得博士学位,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 spacecraft

Funds: Supported by National Key R&D Program of China (No. 2023YFC2206001, No. 2022YFC2204504)
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  • 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频段位移噪声幅值谱密度26.6 nm/√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.  Schematic 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.  Overall schematic of 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.  Layout of temperature sensing points

    图 9  长周期稳态时域数据

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

    图 10  稳态区间选取

    Figure 10.  Selection of steady-state intervals

    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a) 平均温度-位移变化 b) 位移-温度线性回归

    Figure 12.  Temperature–displacement evolution and system thermal expansion coefficient calibration a) Mean temperature-displacement variation b) Displacement-temperature linear regression

    图 13  干涉仪本征噪声与系统位移噪声ASD对比

    Figure 13.  Intrinsic interferometer noise vs. System displacement noise

    图 14  热等效位移噪声与系统位移噪声ASD对比

    Figure 14.  Thermal-equivalent noise vs. 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.  Temperature vs. displacement fluctuation (linear fit)

    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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