中科院空间激光干涉测距系统研究进展

空间引力波探测和地球重力场空间测量两大科学计划具有重大科学意义和广泛的应用价值。空间引力波探测不仅可以检验爱因斯坦广义相对论，还可开启一个观测宇宙早期的新窗口；而先进重力场测量将为人们研究陆地水循环、冰川变化、海洋环流及大气循环等地球大质量时空分布、变化与迁移现象提供有效的分析依据。这两大科学计划的核心技术即是激光干涉测距系统，用以获得由空间引力波扰动或重力场异常所引起的星间距变化。空间引力波探测要求在百万公里量级的卫星间，获得皮米量级的位移测量精度；而对于地球重力场空间测量，也要在百公里量级的卫星间获得纳米级的测距精度。这无疑是目前测量学的重大挑战。 

2008年，由中科院力学研究所国家微重力实验室牵头，联合中科院理论物理研究所、中科院物理研究所、中科院武汉物理与数学研究所、华中科技大学、中国东方红卫星股份有限公司等，组建了中科院空间引力波调研论证组；2009年，中科院将空间引力波探测列入中科院2050中长期发展规划；2011年，美国NASA退出“LISA”计划，ESA寻求中国20%的合作，其中皮米精度的激光干涉仪列为中国可能贡献的载荷之一；2012年，为响应国际同行的合作倡议，由中科院力学研究所和中国科学院大学牵头成立了中科院空间引力波探测工作组。 

为配合和推进空间引力波探测等科学计划的落实，中科院力学研究所承担了激光干涉测距系统方法学筛选(Chinese Physics Letters，2012，29(7)079501-3)和地面模拟系统的研制。在中科院空间中心战略先导项目和中科院科研装备研制项目的支持下，科研人员突破国际技术封锁和关键器件禁运，成功地设计出集消除噪声与精密测距等多功能的激光干涉仪光路，以及多元抑噪的方案，研制出测距精度优于100pm/Hz1/2的激光干涉仪；采用数字锁相环技术（DPLL）和现场可编程门阵列(FPGA)等硬件平台，研制出检相精度优于2π×10-5rad/Hz1/2的高精度相位计(Rev. Sci. Instrum. 2014，85，024503)；采用差分波前检测技术和相敏型指向敏感器，发展了指向控制精度达10nrand/Hz1/2的激光指向控制模拟系统 (Rev. Sci. Instrum. 2014, 85, 074501)；利用电光相位调制器、锁相控制模块等建立了锁相精度优于2π×10-4rad/Hz1/2的激光锁相控制模拟系统；同时，申请了多项技术发明专利；成功构建了空间激光干涉测距地面模拟装置。这标志着我国在空间精密测距技术领域迈出了坚实的一步，积累了宝贵的知识和经验，奠定了技术基础。 

空间激光干涉测距地面模拟装置外观

该项目近日通过了由中科院计财局组织的专家组验收。