基于triz的多功能空间引力波探测器的设计方法
【专利摘要】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。
【专利说明】基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用TRIZ和光学干涉原理实现的精密测量领域，尤其涉及一种基于TRIZ的多功能空间引力波探测器的设计方法。
【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:(I)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PSR1913+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。在相对论中，可以计算出引力波传到太阳系的应变约为h=3X10_21，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 (LaserInterferometer Space Antenna)是美国宇航局(NASA)和欧洲空间局(ESA)的合作项目。LISA于2020年以后发射3个空间探测器，组成一个边长为5X IO6千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(10_4-1.0Hz)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多功能空间引力波探测器，希望探测到中低频引力波等。
【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。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，其包括激光器(I)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为IO3-1O9千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。
[0009]本发明专利的技术效果:原理简单实用，操作方便，便于科研。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]下面结合附图对本发明专利进一步说明。
[0011]图1是地面激光干涉引力波探测器光路图。
[0012]图2是空间激光干涉引力波探测器光路图。
[0013]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。
[0014]图2中1.航天器I ;2.航天器2 ；3.航天器3 ；4.地球；5.太阳。
【具体实施方式】
[0015]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(IOHz-1OkHz)是地面上探测引力波的激光干涉仪最敏感的频带；中频带(0.1Hz-1OHz)是短臂长( 103-105km)空间引力波探测激光干涉器最敏感的频带；低频带(KT4Hz-1(T1Hz)是深空探测引力波的激光干涉器臂长(106-109km)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。
[0016]表12008矛盾矩阵表
【权利要求】
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(I)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为IO3-1O9千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
【文档编号】G01V7/00GK103675935SQ201310669322
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】吴寿煜, 张宇红, 吴佳蓬 申请人:江南大学