CN109471188A - 一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法，在引力波正常测量的同时，使用一束伪随机编码的激光光束辅助照射常温引力波天线，当编码激光的光压与探测天线中的引力波压力信号的频率/相位相符时可形成具有伪码特征的共振，从而大幅度提高在热噪声背景下检测微弱引力波振的能力。本发明相较于大型共振棒天线冷却到液氦温度的巨大建设和运行费用以及它所带来的2～4个数量级的天线热噪声水平降低，本发明通过伪随机技术以相对极小的花费却带来10个数量级的信噪比增益，可将引力波增大到10‑4g～10‑5g数量级，使之达到容易测量水平。
Description
技术领域
本发明涉及引力波探测技术领域，具体涉及一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法。
背景技术
引力波探测技术的本质是对淹没在各种噪声下的极度微弱的振动信号检测，主要有“质量共振法”和“激光干涉法”二条技术路线。
质量共振法的灵敏度不逊于激光干涉法测量系统，甚至完全可能比拟改进后的Advanced LIGO，其缺点是测量带宽(十几Hz)小于激光干涉法(几百Hz)。目前，对“质量共振法”最大挑战是如何解决天线材料的分子运动热噪声问题。天线材料的分子热运动噪声不仅淹没了有效的信号，而且由于分子热运动降低了天线的Q值，降低了有效的积分时间。
为了克服天线材料的分子运动热噪声的影响，世界上现有的几个质量共振型引力波观测台均采取了对天线进行深度冷却的技术路线，深度冷却方案虽然在抑制天线热噪声上取得了进展，但是带来了一系列额外问题：
1)为深度冷却天线所采用的液氦系统，增加了一系列的泵、阀、管线，在引力波观测台附近人为地引入了新的振动干扰源，给系统减震工作增加了难道；
2)天线工作在液氦温度，一般的传感器(例如光纤传感器)其材料在如此低温下换能特性难以保证，增敏措施只能采取如(增大天线质量等)性价比不高的方法；
3)额外的冷却装置给系统的建造和运行带来了技术困难并导致费用大幅度增加。以MiniGARIL系统为例，引力波天线从常温冷却到预定的0.1k，需要运行40天的时间，其复杂的技术保障和高昂的运行费用使IGEC的观测台只能断断续续运行。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法，在引力波正常测量的同时，使用一束伪随机编码的激光光束辅助照射常温引力波天线，当编码激光的光压与探测天线中的引力波压力信号的频率/相位相符时可形成具有伪码特征的共振，从而大幅度提高在热噪声背景下检测微弱引力波振的能力。
本发明具有以下有益效果：
相较于大型共振棒天线冷却到液氦温度的巨大建设和运行费用以及它所带来的2～4个数量级的天线热噪声水平降低，本发明通过伪随机技术以相对极小的花费却带来10个数量级的信噪比增益，可将引力波增大到10-4g～10-5g数量级，使之达到容易测量水平。
附图说明
图1为本发明实施例基于伪随机编码激光压力信号检测引力波的原理图。
图2为本发明实施例基于伪随机编码激光压力信号检测引力波中引力波形成的压力信号、伪随机编码激光压力信号和预期在共振体中的合成压力信号的示意图。
图3为本发明实施例中的引力波探测模拟装置。
图4为本发明一个具体实施例的结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法，在引力波正常测量的同时，使用一束伪随机编码的激光光束辅助照射常温引力波天线，当编码激光的光压与探测天线中的引力波压力信号的频率/相位相符时可形成具有伪码特征的共振，从而大幅度提高在热噪声背景下检测微弱引力波振的能力。
以下结合图1和图2对进一步对伪随机编码激光压力改善测量天线热噪声中的原理进行描述。
在图1中，共振天线同时受到了2个压力，第一个是由于引力波在天线中产生的①引力波形成的压力信号。第二个是用于辅助测量的②伪随机编码激光压力信号，该信号由一串101011000等伪随机码对激光进行调制，其中的“1”表示的是某一特定“振幅/频率/波数/相位”的连续激光，而“0”表示的是与“1”相同振幅/频率/波数，但相位相差180°的连续激光。
可以想象，当伪随机编码激光压力信号的“1”与引力波共振压力信号振幅/频率/相位完全一致时，激光干涉解调仪检测到的是③预期在共振体中的合成压力信号，该信号由于频率，相位，编码方式均为已知，就可以用适当的方法检测出来。
由于预期的引力波的频率是一个谐振点(例如200Hz)附近的未知量，其相位也是未知的，所以，本发明采取的方法是采用不同频率和相位组合对其进行尝试逼近。具体说就是将“1”的频率选点依次定为(196Hz，197Hz，198Hz…203Hz，204Hz，205Hz)×相位点(10°，20°，…170°，180°)。更加精确的划分频率和相位步距，能更有效地帮助提高系统的信噪比。
为了验证本具体实施的方法是否具有在强噪声背景下提取微弱振动/压力信号的能力，设计了图3所示的引力波探测模拟装置，以引力波模拟信号源及电声换能器1组成模拟引力波产生器；以噪声模拟源及电声换能器2组成噪声模拟器；以伪随机编码模拟信号源及电声换能器3组成伪随机压力源。通过以下步骤进行测试：
(1)引力波模拟信号源发送与共振棒本征频率相同之信号，通过电声换能器使共振棒产生振动，逐步增大该信号至激光干涉振动测量系统之解调仪能够测定。
(2)噪声模拟源产生噪声信号发送至电声换能器，模拟热噪声并逐步增大信号至功率谱密度高于引力波模拟信号～3个数量级
(3)激光干涉解调仪对获得的检测信号进行同步累积和FFT变换，增加采样点时间T1直至信噪比S/N＝5
(4)加入伪随机编码压力信号，调整频率/相位/码长等参数，直至激光干涉解调仪在相关检测下获得S/N＝5，记录此时伪随机码时间T2(码宽×码元数)
(5)评价“伪随机编码压力辅助测量”方法是否具有在强噪声背景下提取微弱振动/压力信号的能力，对比T1及T2，评价伪随机码方法与传统方法相比的效率。伪随机编码方法与传统方法相比提高了10个数量级信噪比增益。
实施例1
基于伪随机编码技术的质量共振法探测引力波方法以激光干涉相位解调仪(含激光器)，引力波共振棒天线及缠绕在其上的光纤传感臂，耦合器，光纤参考臂等组成激光干涉振动测量系统如图4所示；
其中，引力波共振棒天线设计：
输入设计条件：共振体质量范围100kg～300kg，质量体材料选项为纯铝、铝合金，铜铝合金CuAl6％，形状选项为棒形，管型，纺锤形。以谐振频点220Hz(35Hz，100Hz，250kHz)为约束条件，以参考指标(3dB带宽≥0.5％，Q值≥1000，较大的引力波截获面积，较大的结构增敏效果)为评价依据，完成引力波质量共振--棒形天线的机械设计图。
其中，激光干涉相位解调仪包括传感光纤3、参考光纤4、光电转换器、干涉相位检测系统、激光器、激光驱动器、信号处理等部分。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (2)
1.一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法，其特征在于：在引力波正常测量的同时，使用一束伪随机编码的激光光束辅助照射常温引力波天线，当编码激光的光压与探测天线中的引力波压力信号的频率/相位相符时可形成具有伪码特征的共振，从而大幅度提高在热噪声背景下检测微弱引力波振的能力。
2.如权利要求1所述的一种基于伪随机编码技术的引力波检测方法，所述伪随机编码的激光光束采用一串101011000等伪随机码对激光进行调制，其中的“1”表示的是某一特定“振幅/频率/波数/相位”的连续激光，而“0”表示的是与“1”相同振幅/频率/波数，但相位相差180°的连续激光。
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|---|---|---|---|---|
| CN116413832A (zh) * | 2023-03-27 | 2023-07-11 | 中国科学院国家空间科学中心 | 基于时序数据的空间引力波探测灵敏度计算方法及系统 |
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2018
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