空间激光方向矢量测量误差传递机理及高精度标定方法研究

In the research of space gravitational wave detection, ultra-high precision laser heterodyne interferometry system is the core technology. In order to ensure picometer resolution, it is necessary to improve the contrast of interference signals, and then it is necessary to accurately measure and control the direction vector of space double interference beams. However, the existing technology has not studied the error transfer mechanism in the whole measurement process, and the calibration accuracy of the benchmark transfer tool (CQP) needs to be further improved. The applicant found that in the multi-coordinate error transmission system, the final measurement error is the result of error accumulation, coupling and transmission in all measurement links, so it is presumed that the establishment of error flow transmission model will be conducive to the development of error suppression. At the same time, it is found that the introduction of mathematical statistics in the calibration process of CQP system can obtain better fitting results, which is helpful to improve the measurement accuracy of space laser direction vector. In order to verify this idea, the applicant will use the method of combining theoretical analysis and practical verification to build an error flow transfer model of all measurement links in multi-coordinate system, and analyze various error transfer mechanisms and suppression methods. At the same time, the high precision fitting of CQP key parameters is realized by using mathematical statistics method, so as to achieve the optimal suppression effect of measurement errors in the whole process and further improve the measurement accuracy of space laser direction vector.

在以超高精度激光外差干涉测量系统为核心技术的空间引力波探测研究中，为保证皮米级分辨率，需提高干涉信号对比度，进而需对空间双干涉光束进行精确方向矢量测量及控制。然而，现有技术并未对全测量过程的误差传递机理开展研究，同时基准传递工具（CQP）的标定精度需进一步提高。申请人发现在多坐标系误差传递系统中，最终测量误差是所有测量环节误差累积、耦合与传递的结果，因而推测误差流传递模型的建立将有利于误差抑制工作的开展；同时发现，在CQP系统的标定过程中引入数理统计方法可以获取更优拟合结果，有助于空间激光方向矢量测量精度的提高。为验证此思想，申请人将采用理论分析与实践验证相结合的方法，在多坐标系下构建全测量链路的误差流传递模型，分析各类误差传递机理及抑制手段；同时利用数理统计的方法，实现对CQP关键参数的高精确拟合，力求使全过程测量误差达到最优抑制的效果，进而实现空间激光方向矢量测量精度的提升。

在复杂干涉仪系统的装配过程中，需要对激光光束传播的方向矢量做精密控制，但是由于其独立飞行于空间之中，既有的技术不能对该参数做精密测量，因此严重影响了我国高水平干涉仪的装备与加工。本研究面向这一问题，提出了空间激光方向矢量精密测量与控制方法，并构建一套测量系统。本研究工作主要工作包括基本原理、硬件系统的搭建、数据采集和数据处理四部分。申请人完成空间激光方向矢量测量基本原理的构建，完成了硬件系统的搭建，实现了多坐标系（包括仪器坐标系、转化坐标系和系统坐标系）的数据采集与分析，最终实现了空间激光方向矢量的精确测量。.基本原理方面，构建了以目标激光传播方向为轴心的测量圆柱，测量位于圆柱圆周上的点，对圆柱外壁进行拟合，进而确定圆柱轴心方向，变为目标激光光束的传播方向；.硬件系统构建方面，采用全局坐标系、仪器坐标系、和传递坐标系相统一的结构形式，仪器坐标系与传递坐标系在全局坐标系中统一，全局坐标系以三坐标测量机为基础构建，同时增加辅助的位置测量系统和控制系统，共同构成本课题研究所需的硬件系统。.数据采集方面，将三坐标测量机与位置传感器相结合，通过位置传感器调整硬件组件的相对位置，三坐标测量机负责采集测量点。我们采集了六个测量点位，每个测量点位采集了五组数据，用于数据分析。.数据处理方面，综合研究了穷举法和梯度下降法，用于对目标圆柱中心直线的拟合，研究发现，梯度下降法无论在计算精度方面还是在运算时间方面，均具有较明显的优势。.本课题实现了既定目标，构建了硬件系统，实现了测量机构的精确位置控制，获取了目标数据点的精确采集，验证了空间激光方向矢量精密解算算法，最终实现了目标空间激光方向矢量精确测量，保证位置不确定度优于5μm，角度不确定度优于5μrad，满足了干涉系统精密装调的需求。