基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法
专利汇可以提供基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开一种基于TRIZ的多功能空间引 力 波探测器的设计方法，根据TRIZ推荐的7个发明原理作为技术进化路线，可以将地面激光干涉 引力波 探测器进 化成 一种多功能空间引力波探测器，其包括: 航天器 等器件，如图所示，其特征在于，由3个航天器组成一个边长为103-109千米的等边三 角 形 星座 ，星座的中心运行于地球轨道上，每个航天器上的光学台都会和相邻的航天器上的光学台通过 激光器 产生的相干光束发生干涉，如果有引力波扫过时，通过光检测器的光电 二极管 的光强发生变化，利用差分器和相关器计算光强与 相位 之间的关系，获得待测引力波的值，其功能特征在于：探测中低频引力波、研究双 星系 统、大 质量 的黑洞和随机背景引力波等。，下面是基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法专利的具体信息内容。
1.基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法，包括激光器（1）航天器1、（2）航天器2、（3）航天器3、（4）在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台、包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件、以及一系列进行数字信号处理的电子器件、其中有差分器、相关器等，其技术特征在于，由3个航天器组成一个边长
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为10-10 千米的等边三角形星座，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台通过激光器产生的相干光束发生干涉，如果有引力波扫过时，作用于激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，通过光检测器的光电二极管的光强发生变化，利用差分器和相关器计算光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值，最后将信息传递给地面接收站。
2.如权利要求1所述的一种多功能空间激光干涉引力波测量装置，其功能特征在于：
探测中低频引力波、研究双星系统、大质量的黑洞、极大质量比双星的绕行和随机背景引力波。
3.一种使用如权利要求1所述装置设计涉及TRIZ和光学干涉原理的设计方法，其特征在于包括如下步骤：对地面激光干涉引力波探测器进行分析发现该仪器系统探测到中低频引力波的适应性较差，根据2008TRIZ矛盾矩阵表，提高（改善）该装置对中低频引力波的“测量精度”，同时必须增大（恶化）该装置的“运动物体的面积”，“测量精度”和“运动物体的面积”的工程参数序号分别为48及5，在2008矛盾矩阵表中，第48行与5列交叉处所对应的矩阵元素的数字10、24、28、3、5、26及35为推荐的发明原理序号，根据TRIZ推荐的7个发明原理作为技术进化路线，可以将地面激光干涉引力波探测器进化成一种空间激光干涉引力波探测器；表1 2008矛盾矩阵表
发明原理10、预操作：预先对物体进行特殊安排，使其在时间上有准备，或已处于易操作的位置；需要预先对整个测量系统进行特殊安排，如果使该装置恶化的“运动物体的面积”最节约，如图2所示，应该发射由位于等边三角形顶端三个航天器组成的引力波探测编组，3个探测器组成一个边长为103-109千米的等边三角形星座，即每两个航天器之间的夹角为60°，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角,这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响，在时间上有准备，当3个探测器到达绕日的引力波探测实验轨道时，处于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探测引力波；发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作，将引力波作为太空引力波探测器的中介物进行探测，引力波能够执行一个动作使干涉条纹移动；宇宙中存在的引力波波源主要有两类：孤立的天体产生的引力波和背景的随机引力波，中低频带引力波信号是该装置最敏感的频带；发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统；在空间探测器的激光器发出的光束经过在空间探测器的反射镜来回反射产生干涉，当引力波到达时，可以用光电二极管测量干涉条纹的移动，在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及一系列进行数字信号处理的电子器件，由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉，激光走完这段航天器间隔的距离需要一段时间；在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体（75%金和25%铂），其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光，如果有引力波扫过测试质量，其位置的微小改变会引起干涉信号，即激光相位的改变，从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在；发明原理3、局部质量：物体的不同部分实现不同的功能，引力波作为宇宙空间的一部分物质，具有其他部分物质不同的功能，引力波具有非常好的相干性，利用其相干性可以提高引力波的可探测性，在实际设计中，这种测量精度要求测试质量所处的环境高度稳定，其位置能够不受到外界光压和太阳风粒子的影响；并且该装置的干涉测量系统也要高度灵敏，使得真正需要的引力波信号不至于淹没在激光频率噪声等干扰的海洋中，除此之外，该装置还需要解决如何应对航天器运行对激光频率造成的多普勒效应的影响，激光长距离传输的损耗问题，等等；发明原理5、合并：在空间上将相似的物体连接在一起，使其完成并行的操作；16. 在空间上，中低频引力波和该装置的激光具有相似的相干性，引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使其完成并行的操作，即干涉条纹移动；该装置在实际运行中每个航天器之间的距离达到几百万千米-12
以上的长度可以探测到干涉条纹移动10皮米（1皮米等于10 米）以上的长度变化；发明原理26、复制：通过虚拟现实技术可以对复杂系统进行研究；由于引力波与其他物质的相互作用很弱，因此早期宇宙中产生的引力波携带了早期宇宙的信息；该装置探测到的引力波，可以通过虚拟现实技术复制引力波源的情况，如果探测到宇宙大爆炸时产生的“原始引力波”，可以通过虚拟现实技术复制宇宙大爆炸时的情况；空间引力波探测的主要目的是探测引力波动效应，这不仅是直接检验爱因斯坦广义相对论，提供引力波存在的直接证据，其更大目是认识宇宙的结构和演化过程的新奥秘；发明原理35、参数变化：改变系统的物理状态；太阳系天体参数的变化，可以改变该装置系统中激光的状态，所以该装置应该能够测量太阳系天体参数的变化，例如测绘太阳系引力分布。
基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法
技术领域
背景技术
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LISA于2020年以后发射3个空间探测器，组成一个边长为5×10 千米的等边三角形的面积，它们之间相互进行激光干涉测距，以探测引力波。
发明内容
于，由3个航天器组成一个边长为10-10 千米的等边三角形星座，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角。每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台通过激光器产生的相干光束发生干涉，如果有引力波扫过时，作用于激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，通过光检测器的光电二极管的光强发生变化，利用差分器和相关器计算光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值，最后将信息传递给地面接收站。其功能特征在于：探测中低频引力波、研究双星系统、大质量的黑洞、极大质量比双星的绕行和随机背景引力波。
（0.1Hz-10Hz）是短臂长（10-10km）空间引力波探测激光干涉器最敏感的频带；低频带-4 -1 6 9
（10 Hz-10 Hz）是深空探测引力波的激光干涉器臂长(10-10km)最敏感的频带。我们对地面激光干涉引力波探测器进行分析，如图1所示，发现该仪器系统探测到中低频引力波的适应性较差，根据2008TRIZ矛盾矩阵表，提高（改善）该装置对中低频引力波的“测量精度”，同时必须增大（恶化）该装置的“运动物体的面积”。“测量精度”和“运动物体的面积”的工程参数序号分别为48及5，在2008矛盾矩阵表中，第48行与5列交叉处所对应的矩阵元素的数字10、24、28、3、5、26及35为推荐的发明原理序号。根据TRIZ推荐的7个发明原理作为技术进化路线，可以将地面激光干涉引力波探测器进化成一种多功能空间引力波探测器。
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组，3个探测器组成一个边长为10-10 千米的等边三角形星座，即每两个航天器之间的夹角为60°，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角,这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在时间上有准备，当3个探测器到达绕日的引力波探测实验轨道时，处于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探测引力波。
器等，其技术特征在于，由3个航天器组成一个边长为10-10 千米的等边三角形星座，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角。每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台通过激光器产生的相干光束发生干涉，如果有引力波扫过时，作用于激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，通过光检测器的光电二极管的光强发生变化，利用差分器和相关器计算光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值，最后将信息传递给地面接收站。该装置主要功能有：
(l)紧密的双星系统：该装置的数据流主要来源于银河系中双星系统的引力辐射。这些不是通常意义下的双星系统,这是由于他们必须具有的周期以满足该装置的波段。包含了白矮星和相对论性天体，比如中子星,黑洞。该装置希望能够解决频率高于1mHz的这类数以千计的星体，或许还含有着双黑洞系统。但是由于其在低频时有太多的数量, 以致于被放在一起形成随机的非各向同性的模糊噪声背景。大部分这样的系统的信号都是间歇噪声的,他们的频率足够高,因此轨道的分离足够的小,使得他们的辐射频率很强。河外星系的双星系统也是能够被该装置探测到,比如仙女星系的双黑洞。但是大部分的双星都被放在了较高频的模糊噪声。由于其被认为是低于该装置的冲击噪声水平,因此不值得我们为此而提高激光的能量。(2)大质量的黑洞：这类黑洞的形成历史目前还不是很清楚,但是己经有充分的证据说明，大多数的星系含有成千上万的质量为一千倍太阳质量或者更多的黑洞，星系的中心还有可能是超大质量的黑洞。该装置有足够的灵敏度看到质量在一万到一千万倍太阳质量范围内两个黑洞的并合。该装置也因此能够帮助我们研究一些疑问，比如黑洞的形成，大质量黑洞初始质量谱,黑洞并合的复杂相位。和通过超级计算机演化的黑洞并合的产生的辐射做比较，该装置能够发掘和检测广义相对论中最强的可能的引力场。(3)极大质量比双星的绕行(Extreme Mass-Ration Inspiral)：银河系中的大质量黑洞不能孤立的存在,它们位于拥有大景中子星和恒星质量的黑洞(10倍太阳质量)的巨大星云之中。因此在这些星体之中随机的相遇使得黑洞不断的下沉到中心,靠近大质量黑洞会有一个恒星质量的黑洞。于是小质量黑洞就在一个很大的轨道上绕大质量黑洞运行，称为一个孤立的突发的波源。目前为止.,我们还不清楚小质量黑洞的运动方程,以至于还不能够构造出精确的滤波器。这也正是该装置的一项重要功能。(4)随机背景引力波：如果随机背景引起的噪音高于仪器和模糊噪声,那么该装置就可以探测到。这其中包含了早期字宙残留下的痕迹比如,大爆炸的余波,暴涨的相变。这对于我们倾听宇宙的历史声音非常有帮助。探测中低频引力波、研究双星系统、大质量的黑洞、极大质量比双星的绕行和随机背景引力波。本发明专利的技术效果是：简单实用，操作方便，便于科研。
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