ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙ ДЕТЕКТОР Российский патент 2001 года по МПК G01V7/04 

Изобретение относится к лазерно-интерферометрическим гравитационно-волновым (ГВ) детекторам и может быть использовано, например, в гравитационно-волновой астрономии для обнаружения периодических низкочастотных гравитационно-волновых сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Известно, что существуют теоретические предсказания о формировании эластодинамического отклика твердотельных ГВ-антенн - детекторов Веберовского типа [1] , электродинамического отклика длиннобазовых лазерно-интерферометрических антенн Майкельсоновского типа [1] и компактных [2] лазерно-интерферометрических антенн на воздействие поля гравитационного излучения (ГИ). ГВ-антенны веберовского типа и длиннобазовые лазерно-интерферометрические антенны предназначены для обнаружения коротких импульсных ГВ-сигналов от вспышечных источников, пространственно-временные характеристики которых неизвестны. Это уменьшает достоверность обнаружения ГВ-сигналов, поскольку требуемое мгновенное отношение сигнал/шум для уверенного обнаружения ГВ-сигнала от вспышечного источника ГИ такими детекторами должно быть больше единицы.

Известен [3] ГВ-детектор для обнаружения периодических низкочастотных ГВ-сигналов от двойных астрофизических объектов, который является наиболее близким к заявляемому объекту и поэтому выбран в качестве прототипа. Он представляет собой лазер с двумя пространственно неэквивалентными оптическими резонаторами бегущих волн, построенными на одних и тех же отражательных элементах, и содержит активный элемент и рабочую среду в нем, первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, фазовый модулятор, первую, вторую, третью и четвертую поляризационные призмы, поляризатор, первое полупрозрачное делительное зеркало, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе, третий фотодетектор, внутрипериодный гребенчатый фильтр накопления, первый коррелятор с первым умножителем на его выходе, второй коррелятор со вторым умножителем на его выходе. Размещенные последовательно на пути оптического излучения активный элемент, полупрозрачное зеркало с дифракционной решеткой на обратной стороне, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, фазовый модулятор, первая поляризационная призма, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, вторая поляризационная призма, полупрозрачное зеркало с дифракционной решеткой на обратной стороне, третий глухой голограммный дифракционный отражатель, глухой отражатель с пьезоэлементом на обратной стороне образуют первый оптический резонатор бегущих волн. Активный элемент, глухой отражатель с пьезоэлементом на обратной стороне, третий глухой голограммный дифракционный отражатель, четвертая поляризационная призма, второй глухой голограммный дифракционный отражатель, третья поляризационная призма, глухой отражатель с пьезоэлементом на обратной стороне, первый глухой голограммный дифракционный отражатель, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на обратной стороне образуют второй оптический резонатор бегущих волн. Первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель с пьезоэлементом на обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на обратной стороне размещены на вершинах правильного пятиугольника. Плоскости пропускания первой и второй поляризационных призм ортогональны плоскостям пропускания третьей и четвертой поляризационных призм. Выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на обратной стороне через поляризатор и первое делительное полупрозрачное зеркало оптически связан со входом первого фотодетектора. Выход блока частотной автоподстройки подключен к управляемому входу пьезоэлемента глухого отражателя, а выход блока фазовой автоподстройки подключен к управляемому входу фазового модулятора. Оптические излучения первого и второго оптических резонаторов бегущих волн через полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на обратной стороне выходят из этих резонаторов на взаимноортогональных линейных поляризациях. Выходные оптические излучения после прохождения через поляризатор получают возможность образовывать интерференционные поля на входах фотодетекторов. Фотодетекторы предназначены для регистрации изменения интерференционного поля, возникающего в результате изменения разности фаз в оптических излучениях резонаторов, которое в свою очередь возникает в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала.

Принцип действия такого ГВ-детектора заключается в том, что в результате ГВ-воздействия детектируемого периодического низкочастотного ГВ-сигнала на оптическое излучение первого и второго оптических резонаторов бегущих волн через изменение их показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучения происходит набег фаз в оптических излучениях по закону изменения ГВ-сигнала. В силу геометрической неэквивалентности первого и второго резонаторов это воздействие приводит к различным изменениям показателей преломления вдоль оптических путей распространения излучений, а следовательно, и к различным набегам фаз в этих оптических излучениях. По наличию, величине и закону изменения разности набегов фаз в оптических излучениях резонаторов и судят о воздействии ГВ-сигнала на оптические излучения резонаторов, а следовательно, о наличии (обнаружении) детектируемого ГВ-сигнала. Таким образом, известное устройство-прототип [3] имеет принципиальную возможность по обнаружению периодических низкочастных ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов.

Однако прототип имеет существенный недостаток - одноканальность по детектируемым ГВ-сигналам (т.е. возможность одновременного детектирования только одного источника ГИ). Кроме того, даже после обеспечения необходимого отношения сигнал/шум (например, длительного межпериодного накопления детектируемого ГВ- сигнала на фоне помех) исключена возможность работы в текущем масштабе времени. Это в свою очередь исключает возможность апертурного синтеза диаграммы направленности - отклика ГВ-детектора на воздействие ГВ-сигнала при движении Земли по орбите, необходимой для определения (отождествления) угловых координат ГИ.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке гравитационно-волнового детектора, обеспечивающего многоканальное одновременное детектирование (прием, обнаружение) ГВ-сигналов от многих источников ГИ в текущем масштабе времени.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, фазовый модулятор, первую, вторую, третью и четвертую поляризационные призмы, поляризатор, первое полупрозрачное делительное зеркало, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе, третий фотодетектор, внутрипериодный гребенчатый фильтр накопления, первый коррелятор с первым умножителем на его выходе, второй коррелятор со вторым умножителем на его выходе, при этом первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель с пьезоэлементом на обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на обратной стороне размещены на вершинах правильного пятиугольника, а выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на обратной стороне через поляризатор и первое делительное полупрозрачное зеркало оптически связан со входом первого фотодетектора, при этом выход блока частотной автоподстройки подключен к управляемому входу пьезоэлемента глухого отражателя, а выход блока фазовой автоподстройки подключен к управляемому входу фазового модулятора - для решения поставленной задачи - введены второе полупрозрачное делительное зеркало, схема вычитания, сумматор канала помехи, сумматор корреляционного автокомпенсатора сигнала, ключевая схема, имитатор сигнала-отклика, фазосдвигающая на π/2 цепь, схема выделения сигнала с пороговой схемой на ее выходе, причем выход первого полупрозрачного делительного зеркала через второе полупрозрачное делительное зеркало связан со входом второго и третьего фотодетекторов, а выход последнего параллельно подключен к одному из входов схемы вычитания непосредственно, а через сумматор канала помехи подключен ко второму входу схемы вычитания, выход которого соединен со входом внутрипериодного гребенчатого фильтра накопления, кроме того, выход третьего фотодетектора соединен с основным входом сумматора корреляционного автокомпенсатора сигнала, к вспомогательным входам которого подключены выходы первого и второго умножителей, выходы которых также подключены параллельно ко входам схемы выделения сигнала и ко входам ключевой схемы, выходы которой связаны со входами сумматора канала помехи, при этом управляемый вход ключевой схемы связан с выходом пороговой схемы, кроме того, выход имитатора сигнала-отклика со входом первого умножителя и с одним из выходов первого коррелятора соединен непосредственно, а к входу второго умножителя и к первому входу второго коррелятора подключен через фазосдвигающую на π/2 цепь, причем ко вторым входам первого и второго корреляторов подключен выход сумматора корреляционного автокомпенсатора сигнала.

Введение новых элементов: второго полупрозрачного зеркала, схемы вычитания, сумматора, канала помехи, сумматора автокомпенсатора (АК) сигнала, ключевой схемы, имитатора сигнала отклика ГВ-детектора на воздействие ГВ-сигнала, фазосдвигающей на π/2 цепи, схемы выделения сигнала с пороговой схемой на его выходе, их взаимное расположение как по отношению друг к другу, так и по отношению к известным элементам устройства, оптические и электрические связи между ними и элементами известного устройства позволяют процесс фильтрации полезного сигнала вывести из резонаторов, что, в свою очередь, за счет возможности дублирования введенных новых элементов (с соответствующими оптическими и электрическими связями) по количеству детектируемых ГВ-сигналов позволит достичь решения поставленной задачи - обеспечение многоканального детектирования (приема, обнаружения) ГВ-сигналов от многих источников ГИ с требуемым отношением сигнал/шум.

В отличие от известного технического решения-прототипа, где за счет введения в оптические пути одного из резонаторов корреляционной отрицательной обратной связи и корреляционной положительной обратной связи другого резонатора обеспечивается адаптивное межпериодное накопление ГВ-сигнала от одного источника ГИ, в заявляемом изобретении процесс фильтрации полезного сигнала выведен из резонаторов. Для этого на выходе третьего фотодетектора формируются канал "помеха+сигнал" и канал "помеха", из которого вычитается детектируемый ГВ-сигнал" Последний формируется в корреляторах вспомогательных квадратурных каналов - автокомпенсатора по корреляционной функции сигналов с выхода имитатора отклика ГВ-детектора на воздействие ГВ-сигнала и с выхода сумматора автокомпенсатора, на основной вход которого поступает сигнал с выхода третьего фотодетектора. Схема выделения сигнала с пороговой схемой на ее выходе, на входы которой поступают сигналы с выходов вспомогательных квадратурных каналов автокомпенсатора (параллельно входам сумматора канала помехи и сумматора автокомпенсатора) совместно с пороговой схемой формирует сигнал (по полезной составляющей) по критерию "да" - "нет" для управления ключевой схемой. При превышении заданного порога обнаружения с допустимой вероятностью правильного обнаружения и ложной тревоги выходным сигналом (монотонно возрастающая по мере увеличения времени усреднения в корреляторах) пороговой схемы через ключевую схему выходы вспомогательных каналов АК подключаются ко вторым входам сумматора канала помех.

Это обеспечивает из сигнала, поступающего из третьего фотодетектора, в сумматоре канала "помеха" вычитание детектируемого ГВ-сигнала. Поэтому в схеме вычитания, объединяющего каналы "помеха+сигнал" и "помеха", происходит компенсация помехового сигнала. Как будет показано далее отношение сигнал/шум на выходе схемы вычитания будет равным примерно единице. Во внутрипериодном гребенчатом фильтре накопления, куда с выхода схемы вычитания поступает сигнал, в течение полупериода накопления последнего достигается требуемое отношение сигнал/шум в текущем масштабе времени.

Оптико-функциональная схема заявляемого объекта представлена на чертеже, где обозначено: 1 - глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне; 2 - активный элемент и рабочая среда в нем; 3 - полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне; 4, 8, 11 - первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, соответственно; 5 - фазовый модулятор; 6, 7, 9, 10 - первая, вторая, третья и четвертая поляризационные призмы, соответственно; 13, 16, 19 - второй, первый и третий фотодетекторы, соответственно; 14 - поляризатор; 15, 18 - первое и второе полупрозрачные делительные зеркала, соответственно; 12, 17 - блоки фазовой и частотной автоподстройки, соответственно; 20 - внутрипериодный гребенчатый фильтр накопления; 21 - схема вычитания; 22, 32 - сумматоры канала помехи и корреляционного автокомпенсатора сигналов, соответственно; 23 - ключевая схема; 24 - пороговая схема; 25 - схема выделения сигнала; 26 - имитатор сигнала-отклика; 27, 30 - первый и второй умножители, соответственно; 28, 31 - первый и второй корреляторы, соответственно; 29 - фазосдвигающая цепь на π/2.

Глухой отражатель 1 с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, первый 4, второй 8 и третий 11 глухие голограммные отражатели размещены в вершинах правильного пятиугольника. Активный элемент 2 с рабочей средой в нем, служащий для генерации лазерного излучения, расположен между глухим отражателем 1 и полупрозрачным зеркалом 3. Активный элемент 2, полупрозрачное зеркало 3, первый глухой отражатель 4, второй глухой отражатель 8, полупрозрачное зеркало 3, третий глухой отражатель 11, глухой отражатель 1, активный элемент 2 образуют первый оптический резонатор бегущих волн. Активный элемент 2, глухой отражатель 1, третий глухой отражатель 11, второй глухой отражатель 8, глухой отражатель 1, первый глухой отражатель 4, полупрозрачное зеркало 3, активный элемент 2 образуют второй резонатор бегущих волн. Элементы 1, 2, 3, 4, 8, 11 являются общими для первого и второго резонаторов. На пути оптического излучения первого резонатора между первым 4 и вторым 8 глухими отражателями последовательно расположены фазовый модулятор 5 и первая поляризационная призма 6, между вторым 8 глухим отражателем и полупрозрачным зеркалом 3 расположена вторая поляризационная призма 7, а между глухим отражателем 1 и вторым глухим отражателем 8, между вторым глухим отражателем 8 и третьим глухим отражателем 11 размещены третья 9 и четвертая 10 поляризационные призмы, соответственно. Выход полупрозрачного зеркала 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне (оптический выход резонаторов) через поляризатор 14 и первое полупрозрачное зеркало 15 оптически связан со входом первого фотодетектора 16. Выход поляризатора 14 через первое делительное полупрозрачное зеркало 15, второе делительное зеркало 18 параллельно оптически связан также со входами второго 13 и третьего 19 фотодетекторов. Выход первого фотодетектора 16 через блок частотной автоподстройки 17 подключен к управляемому входу пьезоэлемента, закрепленного на обратной стороне глухого отражателя 1. Выход второго фотодетектора 13 через блок фазовой автоподстройки 12 подключен к управляемому входу фазового модулятора 5. Выход третьего фотодетектора 19 непосредственно и параллельно через сумматор канала помехи 22 соединен со входами схемы вычитания 21, выход которой соединен со входом внутрипериодного гребенчатого фильтра накопления 20 ГВ- сигналов. Выход третьего фотодетектора 19 параллельно соединен также и с основным входом сумматора 32 корреляционного автокомпенсатора. Выход имитатора сигнала-отклика 26 соединен параллельно со входом первого умножителя 27 и одним из входов первого коррелятора 28, а через фазосдвигающую на π/2 цепь 29 соединен параллельно со входом второго умножителя 30 и с одним из входов второго коррелятора 31. Вторые входы корреляторов 28 и 31 соединены с выходом сумматора 32. Выходы умножителей 27 и 30 параллельно соединены со вспомогательными входами сумматора автокомпенсатора 32, через ключевую схему 23 со вторыми входами сумматора канала помехи 22, а также объединены со входами схемы выделения сигнала 25 (схема вычисления корреляционного интеграла по [4]). Выход схемы выделения сигнала 25 через пороговую схему 24 соединен с управляемым входом ключевой схемы 23. Выходами устройства являются выход пороговой схемы 24 (по критерию "да" - "нет" - обнаружение сигнала) и выход гребенчатого фильтра накопления 20 (оценка параметров сигнала).

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активного элемента 2, отражается от полупрозрачного зеркала 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, попадает на первый голограммный дифракционный отражатель 4, который разделяет оптическое излучение по поляризациям и часть его с ТМ поляризацией направляет под углом падения, равному углу отражения, через фазовый модулятор 5 и первую поляризационную призму 6 на второй голограммный дифракционный отражатель 8, который далее направляет его под углом, не равным углу отражения, через вторую поляризационную призму 7 к полупрозрачному зеркалу 3, после которого излучение с ТМ поляризацией попадает на третий голограммный дифракционный отражатель 11, который возвращает его под углом падения, не равному углу отражения, через глухой отражатель 1 в активную среду 2. Таким образом, оптическое излучение с ТМ поляризацией генерируется в первом резонаторе, образованном последовательно из элементов 2, 3, 4, 5, 6, 8, 7, 3, 11, 1. Другая часть излучения с ТЕ поляризацией, ортогональной ТМ поляризации, отражаясь от голограммного дифракционного отражателя 4 пол углом, не равным углу отражения, попадает на глухой отражатель 1, который направляет его через третью поляризационную призму 9 на второй голограммный отражатель 8, после которого излучение с ТЕ поляризацией направляется под углом падения, не равным углу отражения, через четвертую поляризационную призму 10 на третий голограммный отражатель 11, который отражает его под углом, равным углу падения, по направлению к глухому отражателю 1, после которого оптическое излучение с ТЕ поляризацией возвращается в активный элемент 2. Таким образом, оптическое излучение с ТЕ поляризацией генерируется во втором резонаторе, образованном последовательно из элементов 2, 3, 4, 1, 9, 8, 10, 11, 1. Поляризационные призмы 6, 7 и 9, 10 пропускают далее через себя только излучения, соответственно, с ТМ и ТЕ поляризациями, вычищая, таким образом, оптическое излучение в первом и втором резонаторах, соответственно, от излучения с неправильной поляризацией. При неравных частотах генерации в первом и втором резонаторах оптические излучения с ТЕ и ТМ поляризациями могут циркулировать в соответствующих резонаторах в обоих направлениях. При равных частотах генерации устойчивым является режим генерации, при котором излучения с ТЕ и ТМ поляризациями внутри активного элемента 2 распространяются навстречу друг другу (как показано стрелками на чертеже). Для вывода оптических излучений из резонаторов используется полупрозрачное зеркало 3 с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, которая обеспечивает совмещение оптических потоков с ТЕ и ТМ поляризациями. После прохождения поляризатора 14, у которого плоскость пропускания линейно поляризованного света составляет угол 45^o с плоскостью оптических резонаторов, образуют интерференционное поле, которое посредством полупрозрачных делительных зеркал 15 и 18 попадает на фотодетекторы 16, 13 и 19. С фотодетектора 16 выходное напряжение поступает в блок частотной автоподстройки 17, который вырабатывает сигнал ошибки для пьезоэлемента, закрепленного на зеркале 1, и выравнивает частоты генерации в первом (ω₁) и втором (ω₂) резонаторах, т.е. приводит к установлению режима синхронизации излучений в резонаторах. Выходное напряжение с фотодетектора 13 поступает в блок фазовой автоподстройки 12, который вырабатывает сигнал ошибки для фазового модулятора 5, и обеспечивает стабилизацию разности фаз оптических излучений первого и второго резонаторов на уровне, превышающем полезный сигнал не менее чем на два порядка.

В [3] показано, что сдвиги фаз Φ₁(t) и Φ₂(t) в оптических излучениях первого и второго резонаторов можно представить в виде


где Φ_1g(t),Φ_2g(t) - составляющие, обусловленные гравитационно-волновым воздействием детектируемого ГВ-сигнала на оптическое излучение первого и второго резонаторов через изменения их показателей преломления вдоль оптических путей (сигнал-отклик ГВ-детектора на ГВ-сигнал); Φ_1gni(t),Φ_2gni(t) - составляющие, обусловленные тем же видом воздействия - ГВ-сигналов от других мешающих периодических ГВ-источников; Φ_1зnj(t),Φ_2зnj(t) - составляющие, обусловленные всеми видами помеховых механических воздействий на отражатели 1, 3, 4, 8, 11 (вибрационные, сейсмические, акустические, тепловые); Φ_1n(t),Φ_2n(t) - составляющие, обусловленные техническими и естественными флуктуациями фазы в активной среде. При работе внутри зоны синхронизации (ω₁= ω₂) в результате ГВ-воздействия на оптические излучения первого и второго резонаторов возникает разность фаз встречных волн, равная

где - амплитуда модуляции фазы, откуда k_ГВД = 0,951 - коэффициент отклика (детектирования) ГВ-детектора на воздействие поля ГИ, обусловленный данной геометрической конфигурацией резонаторов (рассчитывается по методике, изложенной в [5]);
h,ω_g,Φ₀ - безразмерная амплитуда, частота и случайная начальная фаза детектируемого ГВ-сигнала;
Φ₁= arctg(ω_g/Δω_з) - сдвиг фазы ГВ-сигнала в лазерной системе;
ω₀ - частота оптического излучения;
Δω_з - ширина полосы синхронизации (ширина зоны захвата).

При полосе синхронизации, равной 1 Гц, h=10^-22, ω_g ≅ 1 мГц, ω₀ = 10¹⁵ Гц, имеем ΔΦ_12g = 10^-7 рад.

После установления с помощью блока частотной автоподстройки 17 режима синхронизации излучений в резонаторах выходное напряжение фотодетектора 19 описывается выражением (для простоты ниже рассматриваются безразмерные напряжения)
V₁₂(t)=V_12g(t)+V_12n(t), (4)
где - составляющая полезного сигнала (сигнала отклика ГВ-детектора), обусловленная разностью фаз Φ_1g(t)-Φ_2g(t) = ΔΦ_12g(t) (см. формулы (1)-(3)); - составляющая, обусловленная суммой соответствующих разностей фаз от всех видов помех, указанных в (1) и (2). Здесь и далее предполагается (для простоты), что коэффициент передачи фотодетектора равен единице, и выходной сигнал его безразмерен.

Экспериментальные исследования показали [6], что при наличии в сигнале ошибки составляющей полезного сигнала система стабилизации разности фаз должна иметь порог стабилизации, превышающий не менее чем на два порядка величину разности фаз, обусловленную воздействием полезного сигнала, т.е. . Нарушение этого условия приводит либо к искажению , либо к его компенсации. Уровню на выходе фотодетектора 19 будет соответствовать . С выхода фотодетектора 19 аддитивная смесь детектируемого ГВ-сигнала V_12g(t) и помехового сигнала V_12n(t) поступает на основной вход сумматора 32. Поскольку начальная фаза Φ₀ ГВ-сигнала априори неизвестна, то для исключения фактора неизвестности начальной фазы Φ₀ автокомпенсатор содержит два вспомогательных квадратурных канала. С выхода имитатора 26 сигнал-отклик V_ug(t) = Ucosω_gt на частоте (T_g - период детектируемого ГВ-сигнала) с единичной амплитудой U после перемножения на коэффициент βk(t) в умножителе 27 поступает на вспомогательный вход сумматора 32. Этот же сигнал после сдвига в фазовращателе 29 на (т. е. квадратурная составляющая) и перемножения на квадратурный коэффициент β_⊥k_⊥(t) в умножителе 30 поступает на другой вспомогательный вход сумматора 32. Выходное напряжение V_Σ(t) сумматора 32 равно [4]:



где βk(t) и β_⊥k_⊥(t) - напряжения регулирования (коэффициенты передач), формируемые в корреляторах 28 и 31, соответственно;
β ≫ 1, β_⊥≫ 1 - коэффициенты усиления в цепи корреляционной отрицательной обратной связи;
черта сверху означает усреднение по времени на интервале MT_g=MNΔt;
Δt - шаг отсчета (не менее, чем время корреляции фазового шума, определяющего величину V_12n(t)), N - количество отсчетов за период Т_g, М - число периодов.

Поскольку после работы блока фазовой автоподстройки 12 спектральная плотность амплитуды фазового шума не будет превышать уровня 10^-4 рад/ в полосе частот от нуля до 10 Гц [7] (амплитуда широкополосной помехи V_12n = ΔΦ_12n ≈ 3•10^-4 рад при уровне сигнала V_12g=ΔΦ_12g=10^-7 рад), то в выражениях (3) и (4) при значениях сек, N=2,8927•10⁵ для T_g=2,8927•10³ (PSR 1537+1155 [8]) и М=900 имеем



где СКО - среднеквадратическое отклонение.

Тогда выходное напряжение сумматора 32 будет равно
V_Σ(t) = V_12n(t)+Δ_n+Δ_c,
где Δ_n ≈ 4•10^-8 и Δ_c - соответственно, составляющая сигналов помех, обусловленная конечным временем усреднения в корреляторах 28 и 31, и нескомпенсированные остатки полезного сигнала на выходе сумматора 32.

При этом коэффициент подавления γ коррелированных составляющих в выходном сигнале V_Σ(t) сумматора 32 определяется коэффициентом корреляции ρ между ними и равен

Точное знание (не менее, чем до четвертого знака) периода T_g детектируемого ГВ-сигнала позволит имитировать сигнал-отклик ГВ-детектора на ГВ-сигнал с коэффициентом корреляции с детектируемым равным порядка ρ = 0,999 и более. Тогда γ = 500, а нескомпенсированный остаток на выходе сумматора канала помехи 22 будет составлять величину Δ_c≈ V_12g(t)/γ = 10^-7 рад/500 = 2•10^-10 рад.

Напряжения с выходов вспомогательных каналов автокомпенсатора (выходы умножителей 27 и 30), равные βk(t)V_ug(t) и β_⊥k_⊥(t)V_⊥ug(t) , соответственно, через ключевую схему 23 поступают также и на вторые входы сумматора канала помехи 22.

Напряжение V_ПК(t) на выходе сумматора 32 с учетом (4) определяется выражением

или с учетом (6)
V_nk(t) = V_12П(t)+Δ_n+Δ_c.

Таким образом, на вход схемы вычитания 21 по каналу "помеха" поступает помеховая составляющая V_12n(t) (на уровне 3•10^-4 рад), помеховая составляющая, обусловленная конечным временем усреднения в корреляторах (на уровне 4•10^-8 рад) и нескомпенсированные остатки полезного сигнала (на уровне 2•10^-10 рад).

Напряжение V_СВ(t) на выходе схемы вычитания 21 будет равным
V_СВ(t) = V₁₂(t)-V_nk(t) = V_12g(t)-Δ_n-Δ_c.

Поскольку V_12g(t)= 10^-7 paд значительно больше Δ_c = 10^-10 рад, то последним можно пренебречь, и тогда
V_СВ(t) = V_12g(t)-Δ_n,
что равносильно достижению отношения сигнал/шум q_вых, равного q_вх - отношению детектируемый ГВ-сигнал/(ГВ-сигнал от других источников) на входе ГВ-системы. Как уже отмечено в [3], отношение q_вх не превышает единицы. Следовательно, на выходе схемы вычитания 21 отношение сигнал/шум установится на уровне, примерно равном единице. Далее сигнал с выхода схемы вычитания 21 с поступает на вход гребенчатого фильтра внутрипериодного накопления 20. Работа последнего обеспечивает через время, равное T_g/2, отношение сигнал/шум [5]

Поэтому для PSR 1537+1155, через время 900 T_g (время работы корреляторов 28 и 31) плюс T_g/2 (время внутриполупериодного накопления в 20) отношение сигнал/шум, равное ~ 1, на входе ГВ-системы возрастет на выходе 20 до величины ~ 50. При этом выходной сигнал V_вых(t) = V_12g(t) в дальнейшем будет присутствовать в текущем масштабе времени.

Выходные напряжения умножителей 27 и 30 z(t) = βk(t)V_ug(t) и z_⊥(t) = β_⊥k_⊥(t)V_⊥ug(t) поступают также на входы схемы выделения сигнала 25, где вычисляется корреляционный интеграл [4]

Напряжение Z в пороговом устройстве 24 сравнивается с пороговым значением Z₀, выставленным в соответствии с задаваемой вероятностью правильного обнаружения и ложной тревоги. При превышении порога Z₀ на выходе блока 24 появляется сигнал (критерий "да"). Этот же сигнал открывает ключевую схему 23 и только в этом случае напряжения с выходов умножителей 27 и 30 поступают на вторые входы сумматора канала помехи 22.

Часть заявляемого устройства, включаемого на выходе третьего фотодетектора 19, повторяется по числу детектируемых ГВ-сигналов, при этом различия в значениях T_g учитываются в гребенчатом фильтре накопления 20 и имитаторе сигнала-отклика 26. Этим и обеспечивается возможность многоканального приема.

Таким образом, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что введенные в него элементы обеспечивают многоканальное детектирование по числу обнаруживаемых ГВ-сигналов и возможность с определенного момента времени детектировать ГВ-сигнал в текущем масштабе времени, что в свою очередь позволяет реализовать синтезированную антенну - ГВ-отклика при движении Земли по орбите.

Источники информации
1. Милюков В.К., Руденко В.Н.//Итоги науки и техники ВИНИТИ АН СССР, серия Астрономия, 1991, т. 41, с. 147-193.

2. Балакин А.Б., Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Русяев Н.Н. //ДАН СССР, 1991, т. 316, N 5, с. 1122-1125.

3. Kaiqorodov V.R., Murzakhanov Z.G. //Gravitation & Cosmology, Moscow, Vol. 5, N1(17), pp. 58-66 (1999) (Прототип).

4. Теоретические основы радиолокации. Под. ред. Ширмана Я.Д. - М.: Сов. радио, 1970.

5. Balakin А.В., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. //Gravitation & Cosmology, Moscow, Vol.3, N1(9), pp. 71-81(1997).

6. Балакин А. Б. , Кисунько Г.В., Мурзаханов З.Г., Скочилов А.Ф. и др. //Письма в ЖТФ, 1998, т. 24, N 22, с. 86-92.

7. Balakin A.B., Murzakhanov Z.G., Skochilov A.F. //Gravitation & Cosmology, Moscow, Vol.5, N4 (20), 1999.

8. G.H.Taylor, R.N.Manchester, A.G.Lyne.//Astrophysical Journal Supplement, 1993, v. 88, p. 529.

Использование: в гравитационно-волновой (ГВ) астрономии для обнаружения ГВ-сигналов от двойных релятивистских астрофизических объектов. Сущность: за счет применения схемы корреляционно-фильтровой обработки полезных сигналов с использованием в качестве опорных формируемые в имитаторе сигнал-отклики ГВ-детектора на ГВ-воздействие обеспечивается многоканальный прием с детектированием в текущем масштабе времени. Технический результат: многоканальное одновременное детектирование ГВ-сигналов от многих источников в текущем масштабе времени. 1 ил.

Гравитационно-волновой детектор, содержащий активный элемент и рабочую среду в нем, первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне, фазовый модулятор, первую, вторую, третью и четвертую поляризационные призмы, поляризатор, первое полупрозрачное делительное зеркало, первый фотодетектор с блоком частотной автоподстройки на его выходе, второй фотодетектор с блоком фазовой автоподстройки на его выходе, третий фотодетектор, внутрипериодный гребенчатый фильтр накопления, первый коррелятор с первым умножителем на его выходе, второй коррелятор со вторым умножителем на его выходе, при этом первый, второй и третий глухие голограммные дифракционные отражатели, глухой отражатель с пьезоэлементом на его обратной стороне, полупрозрачное зеркало с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне размещены на вершинах правильного пятиугольника, а выход полупрозрачного зеркала с тонкой дифракционной решеткой на его обратной стороне через поляризатор и первое делительное полупрозрачное зеркало оптически связан со входом первого фотодетектора, при этом выход блока частотной автоподстройки подключен к управляемому входу пьезоэлемента глухого отражателя, а выход блока фазовой автоподстройки подключен к управляемому входу фазового модулятора, отличающийся тем, что в него введены второе полупрозрачное делительное зеркало, схема вычитания, сумматор канала помехи, сумматор корреляционного автокомпенсатора сигнала, ключевая схема, имитатор сигнала-отклика, фазосдвигающая на π/2 цепь, схема выделения сигнала с пороговой схемой на ее выходе, причем выход первого полупрозрачного делительного зеркала через второе полупрозрачное делительное зеркало связан со входами второго и третьего фотодетекторов, а выход последнего параллельно подключен к одному из входов схемы вычитания непосредственно, а через сумматор канала помехи подключен ко второму входу схемы вычитания, выход которой соединен со входом внутрипериодного гребенчатого фильтра накопления, кроме того, выход третьего фотодетектора соединен с основным входом сумматора корреляционного автокомпенсатора сигнала, к вспомогательным входам которого подключены выходы первого и второго умножителей, выходы которых также подключены параллельно ко входам схемы выделения сигнала и ко входам ключевой схемы, выходы которой связаны со входами сумматора канала помехи, при этом управляемый вход ключевой схемы связан с выходом пороговой схемы, кроме того, выход имитатора сигнала-отклика со входом первого умножителя и с одним из выходов первого коррелятора соединен непосредственно, а к входу второго умножителя и первому входу второго коррелятора подключен через фазосдвигающую на π/2 цепь, причем ко вторым входам первого и второго корреляторов подключен выход сумматора корреляционного автокомпенсатора сигнала.