空间引力波探测中关于信号处理分析的研究

Abstract

1916年,爱因斯坦正式发表了广义相对论,在理论上预言了引力波的存在。引力波是时空几何动力学的重要现象,可以看做时空曲率扰动以波动的形式在时空背景中的传播。经过了一个世纪的发展,2016年2月11日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布探测到了引力波信号,该信号是由双黑洞并合释放出来的。引力波源的种类十分丰富,释放引力波的频段范围也十分宽广。虽然地面探测器的精度在不断提高,但是由于地表震动等原因并不能探测到低频引力波。所以在20世纪90年代,美国宇航局和欧空局合作提出了空间引力波探测项目(LISA)。我国也在积极开展空间引力波探测的研究,经过两期科学院先导科技专项空间科学预研究课题的开展,通过权衡技术可行性和科学目标的需求,给出了我国空间引力波探测计划的初步设计。探测到引力波信号并不是我们的最终目的,我们需要通过探测到的引力波信号了解波源以及波形的信息。为了促进空间引力波探测的发展,LISA国际科学组织在LISA国际会议上提出了模拟LISA数据挑战(MLDC)。为迎接新一轮的MLDC挑战做准备,本文根据中国科学院两期先导研究的任务设计进行模拟实验。 本文重点研究模拟探测器的输出数据和引力波数据处理方面的工作。因为我国空间引力波探测计划一直处于研究阶段还没有发射到太空中,没有真实的输出数据,所以文中按照MLDC的模拟数据的标准进行数据模拟。本文选取空间探测目标波源中的一种,即双白矮星系统,按照中国科学院两期先导研究的任务设计进行模拟探测器输出数据,主要模拟了探测器的轨道、双白矮星释放的引力波信号、探测器的仪器噪声等。然后再对模拟出来的数据进行处理,因为双白矮星系统的波源是单频信号,需要估计的参数空间比较简单,只需要对7个参数进行估计便可以知道波源的一些性质。 在进行数据处理的过程中,主要使用了匹配滤波、F- Statistic的方法进行参数估计。匹配滤波技术主要用于在噪声中提取引力波信号,我们考虑将噪声数据和引力波信号做内积,将最大内积对应的物理参数作为估计值。F- Statistic主要用来降低参数空间,把7维的参数空间降低成3维的参数空间,最后再计算出4个外部参数。最后,我们考虑采用MLDC的评估标准来评估整个实验的结果。

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