高精度惯性传感器研究中的地面振动影响及其抑制方法研究

The detection of the gravitational wave and the test of the preinciple of equivalence are very significant in the veridation of the general relativity. There are many obvious advantages to implement these experiments in space. The high precision inertial sensor is the most important payload in these space experiments . This type of inertial sensor has excellent resolution but poor dynamic range, so the researches about it will be affected by the seismic noise. The seismic effect can be attenuate with a 2-stage pendulum scheme, which is a type of inertial sensor test method using a fiber to suspend its proof mass. Howerever, the seismic effect is still higher than the requirement of these experiments, so the further vibration isolation is necessary in researches about high precision inertial sensor on ground. In this item, we propose to analyze the seismic effect based on the 2-stage pendulum scheme of the inertial sensor, find the couple path of the seismic noise, then constructure a pendlum stage by hang the inertial sensor test bench up, so the acceleration of the ground in high frequency can be isolated by the pendulum structure. At the same time, the velocity or acceleration of the pendulum stage is monitored by a precision equipment, and the stage is also controlled by a feedback loop, so the resonant freuqency of the pendulum stage can be moved to a lower frequency because of the feedback control. It is expected that the resonant peak can be set to about several mHz, and the residual acceleration of the pendulum stage can be suppressed about -40dB in the frequency range above 10mHz. At last, the effect of the seismic nosie coupled to the inertial sensor can be controlled under the requirement of the ground-base researches about inertial sensor in the space gravitational experiments.

探测引力波及检验等效原理对于验证广义相对论具有非常重要的意义,在空间环境中进行这些实验具有非常明显的优势。高精度的惯性传感器是这些实验计划中的关键载荷，其分辨率非常高，在地面上对其进行研究时不可避免地会受到地面振动噪声的影响。采用悬丝悬挂检验质量构成二级扭摆的方案能够有效地抑制该影响，但仍无法满足上述实验的需求，因而需要发展更进一步的地面振动隔离技术。本项目拟在惯性传感器二级扭摆方案的基础上分析地面振动耦合进入惯性传感器的途径，并采用将加速度计测试平台悬挂起来构成摆台的方法来隔离地面高频振动，同时用高精度的振动传感装置监视平台的残余加速度，采用主动反馈控制技术降低摆台的共振频率，从而实现低频水平振动的隔离，预计将摆台的共振频率降低到mHz量级，从而在10 mHz 以上频带达到约-40 dB的隔振效果，最终满足空间引力实验中的高精度惯性传感器的地面研究需求。

高精度的惯性传感器是空间引力波探测等引力实验中的关键载荷。这类传感器的量程小，分辨率高，在地面上对其进行研究时不可避免地会受到地面振动噪声的影响。为了抑制地面振动的影响，我们发展了悬丝悬挂检验质量构成二级扭摆的方案，有效地将地面振动的影响抑制约4～6个量级，然而这离空间引力波探测的需求尚有约2个量级的差距，因此我们需要进一步发展地面振动隔离技术。本项目的主要研究内容是将空间惯性传感器测试平台整体悬挂起来并加以控制，直接对地面振动进行抑制，营造一个水平振动噪声比地脉动噪声低2个量级的局部环境。.本项目的实施分为三个步骤，首先是测量与分析实验室地面振动水平，选择出合适的摆台安装地点，搭建基于四线悬挂的被动隔振摆台。该被动隔振摆台的悬挂机构可有效地抑制摆台扭转运动，降低其扭转运动对平动的干扰，该被动隔振摆台的共振频率约为0.4 Hz，对地面振动的抑制效果与理论预期非常吻合。.然后是搭建基于地震计、高灵敏度的前置放大和采集系统的摆台运动监测分系统，对摆台运动信号进行处理的控制分系统，以及将控制器的输出信号转换成摆台控制力的执行机分系统，并分别对这三个分系统进行测试与调节。通过反复调节与改进，各分系统工作性能均达到预期目标。.最后，我们将摆台控制环路闭合，调节控制分系统的各项参数，使其在稳定前提下的共振频率尽可能向低频方向移动，最终将隔振频带向低频方向扩展。在大量测量，仿真与调试后，我们选取的参数可使摆台的共振频率降低到10 mHz附近，其在0.04 Hz附近的隔振效果达到了约-40 dB。.综上，本项目构建了一套精巧的主动隔振摆台，在闭环工作时，摆台台面的加速噪声水平在40 mHz到4 Hz的带宽内接近3×10-9 m/s2/Hz1/2。结合二级扭摆系统的振动抑制效果，惯性传感器受地面振动的影响可以被降低到约3×10-14 m/s2/Hz1/2，满足空间引力波探测惯性传感器的研究需求。