基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法专利检索-广义相对论物理专利检索查询-专利查询网

基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法

阅读：527发布：2020-05-27

专利汇可以提供基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种空间激光干涉引力波探测器及技术进化路线，其装置的设计利用了TRIZ和光学干涉原理。该装置的结构和工作原理：由3个探测器组成一个边长为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，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角。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。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，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。，下面是基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种空间激光干涉引力波探测器设计及其方法，其特征在于它包括: 1. 航天器1；
2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5. 太阳；该装置的结构和工作原理：由3个探测器组
3 9
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；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；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，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。
2.如权利要求1所述的一种空间激光干涉引力波探测器，其特征在于：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
3 9
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；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；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；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以上的长度可以探-12
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。

说明书全文

基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法

技术领域

[0001] 本发明专利涉及利用TRIZ和光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种空间激光干涉引力波探测器设计及其方法。

背景技术

[0002] 爱因斯坦在创立广义相对论时，预言了引力波的存在。运用广义相对论的引力辐射理论可以推导出关于引力波的三个结论：(1)引力波是存在的，以光速传播；(2)引力波是横波，有两种偏振态；(3)不存在单极和偶极的引力辐射，只要系统质量四极矩的三阶导数不为零，就有引力波被辐射。引力波带有能量，因而可以被检测。

[0003] 天文学家已间接验证了引力波的存在。1993诺贝尔物理奖得主是美国的泰勒(J.H.Taylor)和赫尔斯(R.A.Hulse)，得奖原因是他们对脉冲双星PSRl913+16的发现和研究，这个双脉冲星系统成为存在引力波的第一个间接观测证据。进而人类更加渴望直接探测到引力波，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，其更大目的是认识宇宙的结构和演化过程的新奥秘。目前所进行的引力波探测活动大部分集中在利用地面激光干涉引力波探测器探测高频引力波，以及为预计能在2020年后实现的利用空间激光干涉引力波探测器探测中低频引力波进行的开发和准备工作。

[0004] TRIZ是基于千百万个高水平发明专利的统计而提炼出来的创新方法，是科学发现、技术研发和制造过程的精髓，是当今世界最先进的创新方法之一。在国家发改委、科学技术部、教育部和中国科协印发的《关于加强创新方法工作的若干意见》中，TRIZ作为重点推广的创新方法。

[0005] 人类研究引力波探测器已经五十年了，至今还没有直接探测到引力波。在相对论-21中，可以计算出引力波传到太阳系的应变约为h=3×10 ，当今地面激光干涉引力波探测器的灵敏度已达到如此的精度。在Virgo超星系集团范围所发生的短脉冲或高频引力波次数较少，是地面尚未探测到引力波的主要原因。1989年，美国和欧洲科学家规划把引力波探测实验从地面移至太空，希望探测到中低频引力波。太空引力波探测计划LISA（Laser Interferometer Space Antenna）是美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）的合作项目。
6
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。

[0006] 我国引力波探测计划已进行过多次策划和研讨，并组织了国外调研，提出了类似 LISA 结构的我国引力波探测方案，建议我国在 2030 年前后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，用激光干涉方法进行比LISA 频段稍高的中低频波段-4(10 -1.0Hz) 引力波的直接探测，主要科学目标是观测双黑洞并合和极大质量比天体并合时产生的引力波辐射，以及其它的宇宙引力波过程。该方案提出与欧空局的 LISA 计划进行合作。目前，空间引力波探测已被列入中国科学院制定的2050空间科学规划中。 [0007] 本发明专利运用TRIZ和光学干涉原理设计了一种空间激光干涉引力波探测器，希望探测到中低频引力波。

发明内容

[0008] 本发明专利公开了利用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉装置的技术进化路线。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空间激光干涉引力波探测器。该仪器包括：图2中1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；3 9
5. 太阳。该装置的结构和工作原理：由3个探测器组成一个边长为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。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。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，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。本发明专利的有益效果是：原理简单实用，操作方便，便于科研等应用价值。
附图说明

[0009] 下面结合附图对本发明专利进一步说明。

[0010] 图1是地面激光干涉引力波探测器光路图。

[0011] 图2是空间激光干涉引力波探测器光路图。

[0012] 图1中1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7.反射镜；8.光电二极管；9.差分器；10.相关器。

[0013] 图2中1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5. 太阳。具体实施方式

[0014] 本发明专利公开了利用TRIZ和光学干涉原理研究光学干涉仪的技术进化路线。根据高频带（10Hz-10kHz）是地面上探测引力波的激光干涉仪最敏感的频带；中频带3 5
（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空间激光干涉引力波探测器。

[0015] 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
3 9
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。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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。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以上的长度可以探测到干涉条纹移动10皮-12米（1皮米等于10 米）以上的长度变化。

[0020] 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。

[0021] 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。

[0022] 以上根据TRIZ推荐的7个发明原理，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，并预测了该装置探测引力波的结果。如图2所示，1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5.太阳。该装置的结构和工作原理：由3个探测器组
3 9
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。

标题	发布/更新时间	阅读量
以统一场论和全息电视为基础实现量子计算机的方法	2020-05-30	401
一种天体引力场的测量装置及方法	2020-05-16	249
萨洛蒙“死谷”（Dead Valley）的测试方法	2020-05-17	185
一种基于四程中继跟踪模式的远月面着陆器精密定位方法	2020-05-20	291
基于星间速度插值原理的卫星重力反演方法	2020-05-26	632
一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法	2020-05-15	922
基于星间速度插值原理的地球重力反演方法	2020-05-25	291
双精度浮点定义下的深空Doppler测速计算方法	2020-05-19	61
一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法	2020-05-12	503
磁弦射频量子色动力超级功放电容超级功放变压器磁碟陀螺旋翼量子色动力发电发动机汽车	2020-05-29	90

基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法

基于TRIZ的空间激光干涉引力波探测器设计及其方法

技术领域

背景技术

发明内容

该功能需要专业版企业版VIP权限，您可以：