Noise in the LISA phasemeter
- verfasst von
- Christoph Heimo Bode
- betreut von
- Gerhard Heinzel
- Abstract
Die Laser Interferometer Space Antenna (LISA) ist eine von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) geleitete Satellitenmission, mit geplantem Start im Jahr 2035. Sie hat zum Ziel, Gravitationswellen im Millihertz-Bereich zu detektieren und auf diese Weise neue Erkenntnisse über das Universum zu erlangen. LISA basiert auf heterodyner Laserinterferometrie zwischen frei fallenden Testmassen, wobei das Gravitationswellensignal eine winzige Phasenänderung im Interferenzsignal erzeugt. Aufgrund dieses minimalen Effekts muss die Phase des optischen Signals mit höchster Präzision ausgelesen werden. Ein wichtiger Bestandteil des komplexen LISA-Systems ist das sogenannte Phasenmeter (PM). Dieses verarbeitet das Signal nach der Umwandlung vom optischen in den analogen Bereich. Das PM implementiert viele verschiedene Funktionen, wobei die Phasenauslese des Eingangssignals seine Kernfunktion ist. Wie alle LISA-Teilsysteme, darf auch das Phasenmeter ein definiertes Rauschlevel nicht überschreiten. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Rauschquellen im Phasenmeter analysiert und vermessen. Zunächst wird der digitale Teil des Phasenmeters in Hinblick auf die Phasenauslese analysiert, der sogenannte digitale Auslesekern. Insbesondere der Hauptauslesealgorithmus, die Phasenregelschleife, sowie die Dezimationsfilter zur Reduktion der Datenrate werden analysiert. Diese Analyse beinhaltet ein Rauschmodell des gesamten digitalen Auslesekerns, und berücksichtigt unter anderem Quantisierungsrauschen, Aliasing-Effekte und nichtlineare Effekte. Viele weitere Rauschquellen haben ihren Ursprung außerhalb des digitalen Systems. Ein kritischer Teil des PMs ist die sogenannte Back-End-Elektronik (BEE), das die zur Phasenauslese benötigten analogen Komponenten beinhaltet. Neben analogen Rauschquellen, können auch das Umgebungsrauschen wie z.B. thermisches Rauschen oder Limitierungen durch das Signal selbst in die Phasenauslese koppeln. Fundamentale und kritische Rauschquellen werden im zweiten Teil dieser Arbeit diskutiert. Der experimentelle Teil der vorliegenden Arbeit verifiziert und quantifiziert die erarbeiteten Rauschmodelle. Das beinhaltet die Verifikation des Rauschmodells vom digitalen Auslesekern, sowie Experimente die auf die Quantifizierung von potentiell limitierenden Effekten im Phasenmeter abzielen. Weiterhin wird die Rauschleistung von kritischen Komponenten, alternativen Auslesemethoden sowie eines Instruments zum Testen des PMs analysiert. Im finalen Teil dieser Arbeit werden verschiedene PM-Prototypen hinsichtlich ihrer Rauschleistung charakterisiert. Das beinhaltet sowohl Prototypen, die mit handelsüblichen Komponenten, als auch solche, die mit weltraumtauglicher Hardware gebaut wurden. Einige dieser Prototypen werden auch im Vakuum getestet.
- Organisationseinheit(en)
-
Institut für Gravitationsphysik
QUEST Leibniz Forschungsschule
- Typ
- Dissertation
- Anzahl der Seiten
- 159
- Publikationsdatum
- 2024
- Publikationsstatus
- Veröffentlicht
- Elektronische Version(en)
-
https://doi.org/10.15488/17997 (Zugang:
Offen)
