[發(fā)明專利]基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設(shè)計(jì)方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310669322.0
• 申請(qǐng)日: 2013-12-11
• 公開（公告）號(hào): CN103675935A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳壽煜;張宇紅;吳佳蓬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江南大學(xué)
• 主分類號(hào): G01V7/00
• 分類號(hào): G01V7/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.基于TRIZ的多功能空間引力波探測器的設(shè)計(jì)方法，包括激光器（1）航天器1、（2）航天器2、（3）航天器3、（4）在每一個(gè)航天器上都有兩個(gè)完全相同的光學(xué)臺(tái)、包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件、以及一系列進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的電子器件、其中有差分器、相關(guān)器等，其技術(shù)特征在于，由3個(gè)航天器組成一個(gè)邊長為10³-10⁹千米的等邊三角形星座，星座的中心運(yùn)行于地球軌道上，且落后地球20°，星座平面與黃道面成60°夾角，每個(gè)航天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué)臺(tái)通過激光器產(chǎn)生的相干光束發(fā)生干涉，如果有引力波掃過時(shí)，作用于激光上，改變了激光的頻率，使干涉條紋發(fā)生移動(dòng)，通過光檢測器的光電二極管的光強(qiáng)發(fā)生變化，利用差分器和相關(guān)器計(jì)算光強(qiáng)與相位之間的關(guān)系，得到相位的變化，獲得待測引力波的值，最后將信息傳遞給地面接收站。

2.如權(quán)利要求1所述的一種多功能空間激光干涉引力波測量裝置，其功能特征在于：探測中低頻引力波、研究雙星系統(tǒng)、大質(zhì)量的黑洞、極大質(zhì)量比雙星的繞行和隨機(jī)背景引力波。

3.一種使用如權(quán)利要求1所述裝置設(shè)計(jì)涉及TRIZ和光學(xué)干涉原理的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟：對(duì)地面激光干涉引力波探測器進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)該儀器系統(tǒng)探測到中低頻引力波的適應(yīng)性較差，根據(jù)2008TRIZ矛盾矩陣表，提高（改善）該裝置對(duì)中低頻引力波的“測量精度”，同時(shí)必須增大（惡化）該裝置的“運(yùn)動(dòng)物體的面積”，“測量精度”和“運(yùn)動(dòng)物體的面積”的工程參數(shù)序號(hào)分別為48及5，在2008矛盾矩陣表中，第48行與5列交叉處所對(duì)應(yīng)的矩陣元素的數(shù)字10、24、28、3、5、26及35為推薦的發(fā)明原理序號(hào)，根據(jù)TRIZ推薦的7個(gè)發(fā)明原理作為技術(shù)進(jìn)化路線，可以將地面激光干涉引力波探測器進(jìn)化成一種空間激光干涉引力波探測器；表1???2008矛盾矩陣表

發(fā)明原理10、預(yù)操作：預(yù)先對(duì)物體進(jìn)行特殊安排，使其在時(shí)間上有準(zhǔn)備，或已處于易操作的位置；需要預(yù)先對(duì)整個(gè)測量系統(tǒng)進(jìn)行特殊安排，如果使該裝置惡化的“運(yùn)動(dòng)物體的面積”最節(jié)約，如圖2所示，應(yīng)該發(fā)射由位于等邊三角形頂端三個(gè)航天器組成的引力波探測編組，3個(gè)探測器組成一個(gè)邊長為10³-10⁹千米的等邊三角形星座，即每兩個(gè)航天器之間的夾角為60°，星座的中心運(yùn)行于地球軌道上，且落后地球20°，星座平面與黃道面成60°夾角,這種設(shè)計(jì)是為了盡可能減少地球引力造成的影響，在時(shí)間上有準(zhǔn)備，當(dāng)3個(gè)探測器到達(dá)繞日的引力波探測實(shí)驗(yàn)軌道時(shí)，處于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探測引力波；發(fā)明原理24、中介物：使用中間物體來傳遞或者執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作，將引力波作為太空引力波探測器的中介物進(jìn)行探測，引力波能夠執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作使干涉條紋移動(dòng)；宇宙中存在的引力波波源主要有兩類：孤立的天體產(chǎn)生的引力波和背景的隨機(jī)引力波，中低頻帶引力波信號(hào)是該裝置最敏感的頻帶；發(fā)明原理28、代替機(jī)械系統(tǒng)：用光、聲、熱、嗅覺系統(tǒng)代替機(jī)械系統(tǒng)；在空間探測器的激光器發(fā)出的光束經(jīng)過在空間探測器的反射鏡來回反射產(chǎn)生干涉，當(dāng)引力波到達(dá)時(shí)，可以用光電二極管測量干涉條紋的移動(dòng)，在每一個(gè)航天器上都有兩個(gè)完全相同的光學(xué)臺(tái)，包含有激光光源、光學(xué)分束器、光檢測器、光學(xué)鏡組等組成干涉儀的光學(xué)器件，以及一系列進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的電子器件，由于每兩個(gè)航天器之間的夾角為60°，每個(gè)航天器上的每一個(gè)光學(xué)臺(tái)都會(huì)和相鄰的航天器上的光學(xué)臺(tái)發(fā)生干涉，激光走完這段航天器間隔的距離需要一段時(shí)間；在每個(gè)干涉儀的后面安置有一個(gè)作為“測試質(zhì)量”的合金立方體（75%金和25%鉑），其中一個(gè)表面被打磨成光滑的平面鏡用來反射激光，如果有引力波掃過測試質(zhì)量，其位置的微小改變會(huì)引起干涉信號(hào)，即激光相位的改變，從這種相位變化即可推導(dǎo)出觀測到的引力波的存在；發(fā)明原理3、局部質(zhì)量：物體的不同部分實(shí)現(xiàn)不同的功能，引力波作為宇宙空間的一部分物質(zhì)，具有其他部分物質(zhì)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測性，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，這種測量精度要求測試質(zhì)量所處的環(huán)境高度穩(wěn)定，其位置能夠不受到外界光壓和太陽風(fēng)粒子的影響；并且該裝置的干涉測量系統(tǒng)也要高度靈敏，使得真正需要的引力波信號(hào)不至于淹沒在激光頻率噪聲等干擾的海洋中，除此之外，該裝置還需要解決如何應(yīng)對(duì)航天器運(yùn)行對(duì)激光頻率造成的多普勒效應(yīng)的影響，激光長距離傳輸?shù)膿p耗問題，等等；發(fā)明原理5、合并：在空間上將相似的物體連接在一起，使其完成并行的操作；16.?在空間上，中低頻引力波和該裝置的激光具有相似的相干性，引力波垂直于激光的傳播方向會(huì)產(chǎn)生與激光同頻率擾動(dòng)的光子流，使其完成并行的操作，即干涉條紋移動(dòng)；該裝置在實(shí)際運(yùn)行中每個(gè)航天器之間的距離達(dá)到幾百萬千米以上的長度可以探測到干涉條紋移動(dòng)10皮米（1皮米等于10^-12米）以上的長度變化；發(fā)明原理26、復(fù)制：通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究；由于引力波與其他物質(zhì)的相互作用很弱，因此早期宇宙中產(chǎn)生的引力波攜帶了早期宇宙的信息；該裝置探測到的引力波，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)制引力波源的情況，如果探測到宇宙大爆炸時(shí)產(chǎn)生的“原始引力波”，可以通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)復(fù)制宇宙大爆炸時(shí)的情況；空間引力波探測的主要目的是探測引力波動(dòng)效應(yīng)，這不僅是直接檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論，提供引力波存在的直接證據(jù)，其更大目是認(rèn)識(shí)宇宙的結(jié)構(gòu)和演化過程的新奧秘；發(fā)明原理35、參數(shù)變化：改變系統(tǒng)的物理狀態(tài)；太陽系天體參數(shù)的變化，可以改變?cè)撗b置系統(tǒng)中激光的狀態(tài)，所以該裝置應(yīng)該能夠測量太陽系天體參數(shù)的變化，例如測繪太陽系引力分布。