1 自适应光学全国重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
3 中国科学院大学,北京 100049
4 山东高等技术研究院,山东 济南 250100
Overview: Gravitational waves are spacetime oscillations radiated outward by accelerating mass objects. Significant astronomical events in the universe, such as the merging of massive black holes, emit stronger gravitational waves. Detecting gravitational waves allows for a deeper study of the laws governing celestial bodies and the origins of the universe, making accurate detection crucial. Gravitational wave detection technology utilizes Michelson interferometers to convert the extremely faint spacetime fluctuations caused by gravitational waves into measurable changes in optical path length. Recently, ground-based large Michelson interferometers have achieved direct detection of high-frequency gravitational waves. However, the detection of low-frequency gravitational waves, which is equally important, is not feasible on the ground due to arm length and ground noise issues. This necessitates the construction of ultra-large Michelson interferometers in space for low-frequency gravitational wave detection. Spaceborne gravitational wave detection telescopes play a vital role in collimating bidirectional beams in ultra-long interferometric optical paths in space. The extremely subtle changes in optical path caused by gravitational waves impose high demands for pm-level optical path length stability and below 10?10 level backscattered light in these telescopes. The ultra-high level index requirements exceed the precision limits of current ground testing techniques for telescopes. To ensure that spaceborne telescopes maintain their ultra-high design performance in the orbital environment, developing testing and evaluation techniques for these key indicators is a crucial prerequisite for the success of the space gravitational wave detection program. This paper provides an overview of the development of spaceborne gravitational wave detection telescopes, both domestically and internationally. It focuses on the current status and some test results of optical path length stability and backscattered light testing of telescopes under development, as well as further testing plans, providing a reference for the testing and evaluation of Chinese space gravitational wave detection space-borne telescopes.
空间引力波探测 星载望远镜 地面测试 光程稳定性 后向杂散光 space gravitational wave detection spaceborne telescope ground test optical path length stability backscattered light
强激光与粒子束
2024, 36(4): 043027
长春理工大学光电工程学院,吉林 长春 130022
为提高星地激光通信地面接收端探测灵敏度和分辨能力,减少信标光捕获时间和难度,基于星地激光通信链路和设计方案,结合自适应光学(AO)技术,设计了一套500 mm口径的星地激光通信地面接收端系统。该系统采用库德光路、共口径分光探测形式,包含卡塞格林天线、倾斜镜精跟踪、AO超精跟踪、AO波前探测等4个单元。天线物镜组采用同轴卡塞格林结构,结合折射镜组构成开普勒望远结构,兼顾体积和长出瞳距的需求。在精跟踪倾斜镜和AO倾斜镜之间设计了4f系统,解决校正光轴时的瞳面漂移问题。在波前探测器和变形镜之间设计了双远心系统,构建两者共轭关系,降低波前探测的轴向误差影响。采用光学被动式方法对4个单元进行消热差设计,提高系统温度适应性。最终实验结果表明:在10 ℃~30 ℃范围内,各单元波像差均优于1/10λ(λ=632.8 nm),满足设计要求,具有一定借鉴价值和工程意义。
星地激光通信 库德光路 消热差 双远心光路 自适应光学 激光与光电子学进展
2024, 61(7): 0706021
1 苏州科技大学物理科学与技术学院, 江苏 苏州215009
2 江苏省微纳热流技术与能源应用重点实验室, 江苏 苏州215009
3 江南大学理学院, 江苏 无锡214122
4 中国航天科技集团公司上海卫星工程研究所, 上海 201109
遥感卫星在**和民用探测等领域发挥着重要作用,而大气湍流严重影响高分辨率遥感卫星的成像质量。本文重点研究了遥感卫星对地探测时,相机口径、卫星轨高和大气湍流强度对空间相机成像质量的影响。首先,基于球面波传输模型和Kolmogorov湍流理论,针对空对地探测湍流波前进行仿真。然后,分析畸变波前随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律,并推导出普适公式。在此基础上,进一步推导出空间相机成像分辨率随相机口径、卫星轨高和大气相干长度变化的计算公式。最后,研究了大气湍流对空间相机调制传递函数(MTF)的影响,并以MTF=0.15为基准,仿真分析了MTF相对误差随相机口径、卫星轨高和大气相干长度的变化规律。本研究为高分辨率遥感卫星的设计、分析和评估提供理论依据。
高分辨率卫星 大气湍流 空对地观测 成像质量 high-resolution satellite atmospheric turbulence space-to-ground detection imaging quality
1 贵州省生态气象和卫星遥感中心, 贵州 贵阳 550002
2 贵州楚云环保科技有限公司, 贵州 贵阳 550081
贵州省属于典型的喀斯特山区,受地势和气候影响,省内不同区域污染气体浓度具有明显的时空差异。因此,利用交互式数据语言 (IDL) + 遥感图像处理平台ENVI、地理信息系统软件ArcGIS等,基于臭氧层监测仪 (OMI) 的L3 V003柱浓度数据和地面环境监测站数据,从时间和空间两个方面在区域尺度上评估分析了贵州省3种主要污染气体的浓度变化差异和时空演变特征。结果表明:(1) 2019年,贵州省二氧化氮 (NO2)、二氧化硫 (SO2)、臭氧 (O3) 柱浓度较2005年呈下降趋势,且两种方法监测的NO2、SO2季节特征均表现为“秋冬高、春夏低”,受太阳辐射和天气过程影响,两种方法监测的O3均表现为“春夏高、秋冬低”的季节特征;(2) 对比分析表明,遥感方法反演的NO2柱浓度极大值和SO2柱浓度极小值较地面监测结果在时间上存在滞后性,但滞后时间较短,没有出现跨季节差异,总体上空间差异性大于时间差异性,且SO2夏季空间差异性大于冬季;(3) 自然界平流层中含有大量臭氧,且夏季贵州雷雨天气较多,在天气过程发生时,高层氧气极易被大量分解并生成O3,由于大气垂直输送较为活跃,使得平流层O3稳定性降低,对近地面浓度影响较大,因此遥感反演的O3浓度与地面监测结果在时间和空间上均有明显差异性。
臭氧层监测仪 地面监测 污染气体 时空差异 遥感 ozone monitoring instrument ground monitoring polluted gas spatio-temporal difference remote sensing
1 中北大学机电工程学院,山西 太原 030051
2 散射辐射全国重点实验室,上海 201109
3 中北大学信息与通信工程学院,山西 太原 030051
多模式探测成为目标探测识别领域重点发展的技术手段之一,其中视距模型的优选成为指导探测器件设计的重要依据。本文以飞翼布局的低特征飞行器为研究对象,采用计算流体动力学(CFD)方法结合辐射平衡壁面模型预测本体温度,结合MODTRAN大气红外衰减数据库,采用视在光线(LOS)法计算考虑壁面遮挡效应的辐射传输,建立基于噪声等效辐照度(NEFD)、最小可探测温差(MDTD)和最小可分辨温差(MRTD)的地基探测视距模型,计算探测系统对低特征飞行器的最大探测距离和最大探测天顶角。结果表明:低特征飞行器在典型飞行工况下的光谱辐射强度在长波波段(8~12 μm)较中波波段(3~5 μm)辐射积分强度高出2个数量级;NEFD视距模型在长波波段的探测距离高出中波波段近1个数量级,MDTD和MRTD视距模型在中长波波段探测距离基本一致;三种视距模型在长波波段对应的探测能力依次为NEFD>MDTD>MRTD;在中波条件下MDTD视距模型的探测距离最大,对飞行器底部的探测距离约为57 km;MRTD视距模型在观察等级为辨认时无法辨别飞行器具体类型。该研究可为低特征飞行器的探测识别以及探测器的设计提供理论支撑。
视距模型 地基探测 红外辐射 低特征 探测距离
1 中国矿业大学环境与测绘学院,江苏 徐州 221116
2 西安地球环境创新研究院,陕西 西安 710061
3 山西省生态环境规划和技术研究院,山西 太原 030000
由于二氧化氮(NO2)在大气中的存活寿命较短,卫星遥感反演的对流层NO2柱浓度与近地面NO2浓度关系密切。欧洲航天局(ESA)S5P卫星的对流层检测仪(TROPOMI)载荷提供了目前最高空间分辨率的对流层NO2数据,其在近地面NO2浓度估算方面的潜在优势亟待检验。为此,本文采用极限梯度提升(XGBoost)算法和4年(2018—2021年)的TROPOMI/臭氧检测仪(OMI)数据估算了我国近地面NO2浓度并开展了对比性分析。结果表明:1)TROPOMI的估算结果在精度和空间覆盖度两个方面,均明显高于OMI的结果;2)OMI数据由于自身空间分辨率的限制,无法和TROPOMI一样识别出NO2浓度高值区附近的空间分布细节,导致其估算结果存在更严重的高估或低估。进一步,针对机器学习方法估算近地面NO2普遍存在高值低估的现象,通过集成模型进行优化,得到了更优的结果(R2=0.85,slope为 0.89)。该研究结果有利于促进卫星遥感在近地面NO2浓度估算与暴露评估领域的深入应用。
遥感与传感器 近地面二氧化氮浓度估算 极限梯度提升算法 特征分析 估算优化
南昌大学信息工程学院电子信息工程系,江西 南昌 330031
机械振子的冷却是腔光力学研究的重要方向之一。计算光力噪声谱和稳态的最终声子数,对基于耦合光学参量放大器(OPA)的双拉盖尔-高斯腔光力系统中的腔内压缩冷却问题进行研究。在弱耦合条件下,利用微扰近似理论方法得出系统的光力噪声谱,基于费米黄金法则的理论计算出稳态下的最终声子数的解析表达式。利用入射泵浦光驱动腔场内耦合的OPA,使腔场内形成强烈的非线性压缩效应,量子反作用加热过程得到有效抑制,系统净冷却率得到显著提高。此外,讨论了其他系统参数对机械振子冷却的影响。最后研究了系统的稳态声子数,声子数可以在较大参数范围内小于1。该方案能有效地降低机械振子的冷却极限。
量子光学 双拉盖尔-高斯腔 基态冷却 腔内压缩 光力噪声谱
1 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西大学光电研究所 山西 太原 030006
2 山西大学 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
3 山西大学 物理电子工程学院 山西 太原 030006
引力波的直接探测打开了宇宙观测的新窗口, 开启了引力波天文学的新时代。当前世界上运行的第二代地基引力波探测装置分别包括位于美国汉福德和利文斯顿的两台LIGO、位于意大利的Virgo和日本的KAGRA。然而, 第二代引力波探测器的应变灵敏度较低, 无法探测宇宙中绝大部分天文事件, 因此亟需建设第三代地基引力波探测装置。基于山西大学的低噪声激光光源和山西省的废弃矿井资源, 山西省政府已经立项, 支持建造第三代地基引力波探测装置“谛听计划”。本文通过计算迈克尔逊干涉仪、法布里- 珀罗- 迈克尔逊干涉仪、功率循环的法布里- 珀罗- 迈克尔逊干涉仪对引力波信号的频率响应, 并与美国激光干涉引力波天文台的LIGO探测器进行对比, 分别确定了“谛听计划”法布里- 珀罗腔和功率循环镜的反射系数。
地基引力波探测 迈克尔逊干涉仪 法布里- 珀罗腔 功率循环镜 ground-based gravitational wave detector Michelson interferometer Fabry-Perot cavity power-recycled mirror 量子光学学报
2023, 29(4): 040201