研究背景

       受限于地面引力波探測器的臂長及振動噪聲，激光干涉引力波天文臺（LIGO）等地面探測器主要關注kHz頻段的引力波信息。為探測更為豐富的mHz頻段引力波，如中等質量黑洞并合及中等質量黑洞雙星繞轉等，空間引力波探測計劃應運而生，主要任務包括歐美的LISA計劃及我國的太極計劃、天琴計劃等。

        空間引力波探測利用星間激光干涉技術測量引力波引起的星間pm級位移波動，進而反演引力波信息。受限于衛星載荷重量及功耗，激光干涉測量系統高度集成多種功能。在完成干涉測距的前提下，需加入絕對距離測量與激光通信、時鐘噪聲傳遞等功能。為有利于主干涉信號的提取，保證干涉測量精度，系統僅采用約1%激光載波功率進行激光通信。因此，需以激光干涉系統為依托，進行激光通信系統方案設計，確定調制頻率、調制深度、偽隨機碼等相關參數，并完成方案原理驗證。

創新工作

       中國科學院力學研究所引力波實驗中心基于星間激光通信原理，詳細分析了通信系統中載波調制及擴頻調制的常用方案，討論了各自的實現原理及優缺點。最后，基于空間引力波探測的需求及方案，選取一種適合于太極計劃的激光通信調制方案，如圖1。

圖1太極計劃星間激光通信方案框圖

       基于目前的相位測量系統，本文對太極計劃星間激光通信系統的參數進行了設計，主要包括系統頻率、偽隨機碼及通信碼比特率等。根據通信系統針對不同側重點的需求，基于80 MHz的系統時鐘分別設計了3組較為適合的通信系統參數，通過深入討論3組參數的優缺點，最終選擇1組適合于太極計劃通信系統的參數方案。此外，基于直接序列擴頻調制及BPSK調制方案，對其發射機、接收機進行了設計。

       通過搭建地面電子學驗證實驗，對文中所設計的通信系統參數以及系統方案進行了評估與驗證。對實驗結果進行了詳細地討論，并分析了混合碼解調錯誤率較高的原因。并在解調錯誤率較高的條件下，提出了一種降低誤碼率的方法，對其系統性能進行了詳細測試。

       為更進一步驗證系統實際性能，在實驗室大氣條件下，搭建了地面光學驗證系統，如圖2。文中對系統通信性能進行了詳細測試，并對實驗結果展開了細致討論。此外，分別測試了電子學及光學系統的本底噪聲，討論了光學系統解調出錯率高于電子學系統的根本原因。最終結果表明，本文所設計的通信系統誤碼率在10-6以內，滿足太極計劃激光通信的需求，其通信方案及相關參數選擇可為未來太極計劃星間激光通信系統提供理論基礎。

圖2光學驗證系統框圖

后續工作

       在真空環境下將電光相位調制器引入太極計劃超穩干涉儀，進一步抑制系統噪聲、減小通信所占激光功率。進行激光通信、干涉測距等多功能實驗，使干涉儀在完成pm級測距的前提下，進一步實現空間光通信功能。

參考文獻： 中國光學期刊網

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