[论文解读] Single-element dual-interferometer for precision inertial sensing

Yichao Yang, Kohei Yamamoto+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

Geophysics and Sensor Technology参考文献 24被引用 1

一句话总结

本文提出了一种自参考单元件双干涉仪（SEDI），这是一种采用深度调频（DFM）干涉测量技术的紧凑惯性传感器，可在多个自由度上实现亚皮米级位移传感精度。通过将参考干涉仪集成在与测量干涉仪相同的光学元件中，SEDI 实现了激光频率噪声的抵消，并降低了系统复杂度，在仅几立方英寸的封装中实现了高达 2 mHz 的亚皮米级灵敏度，适用于空间和地面重力任务。

ABSTRACT

Tracking moving masses in several degrees of freedom with high precision and large dynamic range is a central aspect in many current and future gravitational physics experiments. Laser interferometers have been established as one of the tools of choice for such measurement schemes. Using sinusoidal phase modulation homodyne interferometry allows a drastic reduction of the complexity of the optical setup, a key limitation of multi-channel interferometry. By shifting the complexity of the setup to the signal processing stage, these methods enable devices with a size and weight not feasible using conventional techniques. In this paper we present the design of a novel sensor topology based on deep frequency modulation interferometry: the self-referenced single-element dual-interferometer (SEDI) inertial sensor, which takes simplification one step further by accommodating two interferometers in one optic. Using a combination of computer models and analytical methods we show that an inertial sensor with sub-picometer precision for frequencies above 10 mHz, in a package of a few cubic inches, seems feasible with our approach. Moreover we show that by combining two of these devices it is possible to reach sub-picometer precision down to 2 mHz. In combination with the given compactness, this makes the SEDI sensor a promising approach for applications in high precision inertial sensing for both next-generation space-based gravity missions employing drag-free control, and ground-based experiments employing inertial isolation systems with optical readout. © 2020 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、高精度的惯性传感器，用于引力物理实验中的多自由度位移传感。
• 减小多通道干涉测量系统在空间和地面应用中的尺寸、重量和复杂度。
• 通过将参考干涉仪集成在与测量干涉仪相同的光学元件中，实现亚皮米级分辨率。
• 通过自参考技术抑制激光频率噪声，消除对外部参考干涉仪的需求。
• 通过双 SEDI 配置，证明在 2 mHz 下实现亚皮米级精度的可行性。

提出的方法

• SEDI 传感器采用深度调频（DFM）干涉测量技术，其中在非对称臂干涉仪的激光输入光束上施加强频率调制。
• 输出信号包含调制频率倍数的谐波分量，其复振幅通过实时处理或使用 Levenberg-Marquardt 拟合算法后处理提取相位。
• 单个光学元件同时承载测量和参考干涉仪，实现自参考功能并实现内在的激光频率噪声抵消。
• 通过参考干涉仪信号与有效调制指数比值的缩放，并从测量信号中减去，以抑制激光噪声。
• 采用结构和热力有限元分析（FEA）评估紧凑设计的机械稳定性和可行性。
• 噪声预算分析包括热噪声、参考与测量干涉仪之间的热噪声相关性及相干性效应，结果通过 IfoCAD 和高斯光束传播模型进行仿真。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个光学元件能否同时承载测量和参考干涉仪，以实现自参考和激光噪声抑制？
• RQ2 SEDI 传感器在宽动态范围，尤其是在低频段，可实现的位移灵敏度是多少？
• RQ3 参考与测量干涉仪之间的相关热噪声对整体性能有何影响？
• RQ4 SEDI 设计能否在仅几立方英寸的封装中实现亚皮米级精度，适用于空间任务？
• RQ5 当两个 SEDI 传感器组合成双配置时，性能极限是什么？

主要发现

• SEDI 传感器在几立方英寸的紧凑封装中，实现了高于 10 mHz 频率的亚皮米级位移精度。
• 采用双 SEDI 配置后，亚皮米级精度可扩展至 2 mHz，实现了高灵敏度的低频惯性传感。
• 参考与测量干涉仪之间的热噪声相关性对性能有显著影响，相干函数在 10−3 Hz 至 10−1 Hz 的截止频率范围内表现出可测量效应。
• 有限元分析证实，SEDI 设计在热力和振动载荷下具有机械可行性，支持其在空间和地面环境中的应用。
• 自参考方法消除了对外部参考干涉仪的需求，显著降低了系统复杂度和尺寸。
• 基于 IfoCAD 和高斯光束模型的仿真结果验证了噪声预算和相位提取精度，证实了通过谐波振幅拟合实现实时相位提取的可行性。