张艺斌, 邓汝杰, 刘河山, 罗子人. 太极计划星间激光通信参数设计及实验验证[J]. 中国激光, 2023, 50(23): 2306002.

封面解读

封面展示了“太极计划”进行空间引力波探测的场景。以双黑洞绕转辐射的引力波信号为背景，体现了引力波对时空的扰动。在“太极计划”中，相距3×106 km的三颗日心轨道卫星构成等边三角形星座，采用激光差分干涉技术探测引力波引起的星间pm级位移波动。为实现星间的信息交互，需要在激光干涉测距链路上同时实现激光通信的功能。通过相位调制将通信测距码调制到激光束中，使用约1%的光能量完成激光通信。

研究背景

受限于地面引力波探测器的臂长及振动噪声，激光干涉引力波天文台（LIGO）等地面探测器主要关注kHz频段的引力波信息。为探测更为丰富的mHz频段引力波，如中等质量黑洞并合及中等质量黑洞双星绕转等，空间引力波探测计划应运而生，主要任务包括欧美的LISA计划及我国的太极计划、天琴计划等。

空间引力波探测利用星间激光干涉技术测量引力波引起的星间pm级位移波动，进而反演引力波信息。受限于卫星载荷重量及功耗，激光干涉测量系统高度集成多种功能。在完成干涉测距的前提下，需加入绝对距离测量与激光通信、时钟噪声传递等功能。为有利于主干涉信号的提取，保证干涉测量精度，系统仅采用约1%激光载波功率进行激光通信。因此，需以激光干涉系统为依托，进行激光通信系统方案设计，确定调制频率、调制深度、伪随机码等相关参数，并完成方案原理验证。

创新工作

中国科学院力学研究所引力波实验中心基于星间激光通信原理，详细分析了通信系统中载波调制及扩频调制的常用方案，讨论了各自的实现原理及优缺点。最后，基于空间引力波探测的需求及方案，选取一种最适合于太极计划的激光通信调制方案，如图1。

图1 太极计划星间激光通信方案框图

基于目前的相位测量系统，本文对太极计划星间激光通信系统的参数进行了设计，主要包括系统频率、伪随机码及通信码比特率等。根据通信系统针对不同侧重点的需求，基于80 MHz的系统时钟分别设计了3组较为适合的通信系统参数，通过深入讨论3组参数的优缺点，最终选择1组最适合于太极计划通信系统的参数方案。此外，基于直接序列扩频调制及BPSK调制方案，对其发射机、接收机进行了设计。

通过搭建地面电子学验证实验，对文中所设计的通信系统参数以及系统方案进行了评估与验证。对实验结果进行了详细地讨论，并分析了混合码解调错误率较高的原因。并在解调错误率较高的条件下，提出了一种降低误码率的方法，对其系统性能进行了详细测试。

为更进一步验证系统实际性能，在实验室大气条件下，搭建了地面光学验证系统，如图2。文中对系统通信性能进行了详细测试，并对实验结果展开了细致讨论。此外，分别测试了电子学及光学系统的本底噪声，讨论了光学系统解调出错率高于电子学系统的根本原因。最终结果表明，本文所设计的通信系统误码率在10-6以内，满足太极计划激光通信的需求，其通信方案及相关参数选择可为未来太极计划星间激光通信系统提供理论基础。

图2 光学验证系统框图

后续工作

在真空环境下将电光相位调制器引入太极计划超稳干涉仪，进一步抑制系统噪声、减小通信所占激光功率。进行激光通信、干涉测距等多功能实验，使干涉仪在完成pm级测距的前提下，进一步实现空间光通信功能。

课题组介绍

中国科学院力学研究所引力波实验中心旨在面向国家及中国科学院的重大战略需求，围绕空间基础科学领域，聚焦空间精密测控等关键核心问题，推动力学和空间科学技术的深度交叉。中心以空间引力波探测太极计划为牵引，发展空间激光干涉精密测量、惯性传感与基准构建、引力波数据处理等技术。近年来，承担了科技部引力波重点研发计划、中科院空间科学战略先导专项A/B、国家自然科学基金（面上、青年）等多项国家级和省部级科研项目。

通信作者简介

罗子人，研究员，博士生导师，现为中国科学院力学研究所微重力实验室副主任、引力波实验中心执行主任、国科大杭州高等研究院太极实验室副主任、太极计划首席科学家助理。主要从事引力波探测的空间激光干涉测距技术的理论分析和方案设计方面的研究。近五年，在国内外公开发表学术论文40余篇，授权发明专利3项。 

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5uf8rxJjpdwEvEMC02PTpg