用于衛(wèi)星遙測的Michelson干涉儀測試臺演示器的數(shù)字控制

Author(s):
F. Musso - ALCATEL ALENIA SPAZIO
F. Bresciani - ALCATEL ALENIA SPAZIO
L. Bonino - ALCATEL ALENIA SPAZIO
S. Cesare - ALCATEL ALENIA SPAZIO

Industry:
Aerospace/Avionics

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
為歐氏空間遙測的同相位系統(tǒng)實驗室演示器建立數(shù)字控制系統(tǒng)，用于將遙測臂之間的光學路徑差維持在10nm之內(nèi)，這是確保有效衛(wèi)星操作的必要條件。這個任務需要按照西歐軍備組織（WEAO）研究小組頒布的Euclid CEPA 9 RTP 9.9 合同來實行。

The Solution:
使用控制算法交互、利用C++語言編寫并且嵌入到動態(tài)鏈接庫中，使用NI LabVIEW中的調用庫函數(shù)節(jié)點交互來自NI DAQ板卡的數(shù)據(jù)（來自ADC 的測量值和發(fā)送到DAC 的指令）。

概述
歐氏空間望遠鏡是為高分辨率光學檢測而優(yōu)化的干涉儀儀器，利用對成孔徑技術對地理靜態(tài)軌道進行檢測。

為了獲得需要的同相位、所需的分辨率，就要使用復雜的計量和控制系統(tǒng)，以便確保光學配置具有必要的穩(wěn)定性。集成了一個演示器（稱為MIT，Michelson 干涉儀測試臺）用于對歐氏空間望遠鏡的兩個關鍵系統(tǒng)進行驗證，以便達到同相位條件，以及在Michelson干涉儀儀器中達到的穩(wěn)定邊緣圖案樣式。

本文包含了對歐氏空間望遠鏡的概述、MIT性能的簡單描述以及完成的目標。

歐氏空間望遠鏡
例如歐氏空間望遠鏡等多孔徑望遠鏡配置為達到大型孔徑光學系統(tǒng)提出了一種獨特的可行方法。開發(fā)多個獨立望遠鏡孔徑的動機是為了提供從空間進行高分辨率的觀測，避免在大型孔徑（大重量）情況下以及使用自適應波前控制導致的局限性。多個望遠鏡光學鏡片可以比單筒大型鏡片直徑縮小許多，這是在重量以及外形上的重要改進。

帶有Fizeau 類型組合光學配置的Michelson 干涉儀被選用實現(xiàn)合成孔徑技術。望遠鏡配置包含了八個子望遠鏡陣列和光束組合望遠鏡位于陣列的中央，用來采集來自子望遠鏡的光線，并且可以在聚焦平面上產(chǎn)生干涉圖像。光學延遲線可以均衡來自每個子望遠鏡不同波前進入路徑的差別，最后到達覆蓋在上面的聚焦平面。干涉邊緣圖案樣式在聚焦平面上形成，并且具有良好的可見度，在干涉儀臂之間的光學路徑差（OPD）被保持在比相干長度小的范圍之內(nèi)。隨著OPD 的增加，邊緣圖案變得越來越黯淡，即其可見度越來越低。這是因為干涉儀并非工作在單一的波長上，而是工作在有限的頻帶上。

圖1.Michelson 干涉儀的計量線

為了讓邊緣圖案具有更好的可見度，光束經(jīng)過Michelson干涉儀八個臂的光學路徑長度（OPL）必須進行均衡，其誤差需要在工作頻帶相干長度的范圍之內(nèi)。對于一定的Michelson 干涉儀任務而言，經(jīng)過八個臂的光束的OPL必須將誤差均衡在100 nm之內(nèi)。如果達到了這個條件，就可以稱為干涉儀達到了“同相位”。在達到同相位條件之后，就可以使用望遠鏡進行觀測。在聚焦平面的圖像集成時間之內(nèi)，干涉儀的八個臂之間的OPD 必須控制在觀測波長范圍之內(nèi)（即OPDij < 10 nm），以便避免邊界“跳躍”或是邊界模式相位出現(xiàn)較大變化，造成得到的圖形出現(xiàn)對比度損失。如果這種情況在觀測過程中出現(xiàn)，得到的干涉儀圖像就會完全模糊，為了重建目標原始圖像所需的必要信息也將丟失。

干涉儀帶有激光計量系統(tǒng)，以便測量干涉儀臂之間的光學路徑差（絕對差和相對差），從而使用電動延遲線控制光學路徑差?？刂葡到y(tǒng)可以對激光干涉儀進行測量，將指令發(fā)送到延遲線上。

激光干涉法是至今為止用于測量長距離變化的最佳方法?？梢允褂枚喾N干涉方法，但是所有方法都是基于干涉原理的：由同一個光源發(fā)出的兩束或多束光線通過不同長度的路徑最終交匯（匯聚）在用于測量光強的探測器上。探測器上的光強是干涉光線（波）的相對相位的函數(shù)，他們可以相互增強，也可以相互減弱。在對干涉信號的分析中，可以得出關于不同光束路徑差的信息。為了測量光學干涉儀兩個臂之間的長度差，最終的方法就是使用Michelson類型的激光干涉儀。激光干涉儀包括兩種類型的激光計量：

● 絕對計量系統(tǒng)（由位于葡萄牙里斯本的INETI機構開發(fā)），提供了兩個干涉儀臂之間光學路徑差的實際數(shù)值，分辨率較低。

● 相對計量系統(tǒng)（由位于意大利都靈的Alcatel Alenia Space Italia開發(fā)），提供了干涉儀臂之間光學路徑差的變化（相對于給定初始值的變化），分辨率較高。

兩種計量系統(tǒng)都利用光學干涉儀原型進行光學干涉，利用控制系統(tǒng)對延遲線發(fā)出指令進行電子學層面的交互。

絕對計量用來支持達到Michelson干涉儀的同相位條件，它是由干涉儀多個臂之間的光學路徑達到相干距離范圍之內(nèi)而構成的，因此較高可見度的邊緣模式在儀器的聚焦平面上形成。

相對計量提供了對OPL變化的測量，從一個給定的初始值開始（這個數(shù)值是在達到同相位操作之后的數(shù)值），這個數(shù)值被控制系統(tǒng)利通過電動延遲線的精調級用于固定邊界圖案（OPD 10 nm）。相對計量是基于Michelson 干涉儀計量的，具有納米級別的分辨率。OPD 干擾需要在對象觀測過程中進行補償，它來自于熱學負載或是發(fā)生在衛(wèi)星內(nèi)部的振動（例如方向控制系統(tǒng)）等造成的衛(wèi)星結構變化，通過儀器結構，傳遞至干涉儀鏡面。

同相位系統(tǒng)實驗室演示器
同相位系統(tǒng)是望遠鏡設計最為關鍵的部分。為了測試并且演示同相位系統(tǒng)的概念，即將干涉儀臂之間的OPL 通過一個自由度的延遲線進行均衡，實現(xiàn)了一個實驗室演示器。MIT演示器由一個簡化的實驗室尺寸的光學干涉儀原型組成，實現(xiàn)了與高分辨率衛(wèi)星望遠鏡相同的光學配置拓撲。

由于同相位系統(tǒng)概念是要控制望遠鏡臂之間的OPD變化，同相位系統(tǒng)的實驗室演示器帶有一條控制延遲線（CDL）能夠在（主要）臂上工作，它跟蹤另一條（從屬）臂的OPL 變化，還帶有一條擾動延遲線（DDL）作用在（從屬）臂上，和預測的體現(xiàn)在衛(wèi)星望遠鏡上的擾動PSD 相似，引入具有相同功率譜密度（PSD）的OPL擾動。實驗室演示器需要達到的性能必須與衛(wèi)星望遠鏡要求的性能一致。

控制延遲線由兩個執(zhí)行器組成：一個粗調臺式電動平移器和一個精調臺式壓電變換器。擾動線僅由壓電變換器組成。粗調器用來從比較大的OPD（例如1 mm）開始達到同相位條件。精調器用來在達到同相位狀態(tài)之后，控制并保持兩個干涉儀臂之間的OPD。

同相位控制系統(tǒng)僅僅使用了相對計量測量，在閉環(huán)狀態(tài)下驅動精調器的控制延遲線。粗調器的延遲線直接由操作員在開環(huán)下進行驅動，操作員觀察在絕對計量監(jiān)視器上，達到同相位條件所需要的位移。粗調器的執(zhí)行器使用RS232 與便攜式計算機進行連接。軟件接口在NI LabVIEW 中實現(xiàn)，用于設置所有必要的參數(shù)，對執(zhí)行器進行編程，并設置位移指令。執(zhí)行器的絕對位置一直標識在圖表中?？刂拼终{器執(zhí)行器直至達到同相位狀態(tài)。在下圖中，顯示了達到同相位狀態(tài)的實驗干涉圖。

同相位控制系統(tǒng)硬件式基于便攜式計算機的（帶有2 GB RAM的Pentium 4 2.66 GHz），它通過IEEE 1394接口連接到便攜式NI DAQPad-6052E端口上。即便這個類型的數(shù)據(jù)采集板卡并非實時設備，還是可以通過數(shù)字控制閉環(huán)，以1 ms 的控制步長進行控制（可見這并非硬實時性能）。干擾延遲線執(zhí)行器使用相同的DAQPad-6052E 進行驅動。干擾發(fā)生算法與控制算法一起，并行運行在相同的便攜式計算機上。

圖2.達到同相位狀態(tài)的實驗干涉圖

使用了兩個ADC 通道和兩個DAC 通道。這兩個ADC 通道采集來自相對計量電子的兩個信號，它們用于重建OPD 變化。一個DAC用于驅動精調器控制延遲線的壓電驅動器，另一個DAC 驅動擾動延遲線的壓電驅動器。

控制算法設計根據(jù)相同的模型觀測器進行執(zhí)行，它基于離散時間狀態(tài)方程，直接用C 語言算法實現(xiàn)?？刂扑惴ǔ绦虮痪幾g為動態(tài)連接庫（DLL），通過調用庫函數(shù)節(jié)點使用NI LabVIEW 與NI DAQ 板卡進行數(shù)據(jù)交換（來自ADC 的測量和發(fā)送至DAC 的指令）。這種解決方案可以測試控制算法（使用C 語言編寫，十分接近最終實際使用的版本），從而可以非常方便地與實驗室NI DAQ 硬件進行連接，而無需使用實際使用的硬件，這樣就節(jié)省大量的時間和金錢。同樣，擾動發(fā)生算法實現(xiàn)為離散狀態(tài)空間方程，并且使用C++ 進行編寫，編譯為DLL 文件。圖5 顯示了控制系統(tǒng)的方塊圖。

圖3.粗調器延遲線軟件界面

圖4.NI DAQPad-6052E 數(shù)據(jù)采集設備

由于我們的系統(tǒng)并非實時系統(tǒng)，我們設計了一個十分簡單的軟件界面，其中不含有圖形和圖形圖標，避免載入控制算法的執(zhí)行。軟件界面包含了一系列按鈕，可以用來啟動或停止相對計量、擾動發(fā)生算法、控制系統(tǒng)算法，一組發(fā)光二極管用來指示控制系統(tǒng)的狀態(tài)。所有重要的控制變量（測量、指令、狀態(tài)變量等等）都存儲在計算機的內(nèi)存中，并在控制對話結束的時候以二進制格式存儲在硬盤上。

圖5.控制系統(tǒng)方塊圖

測試結果十分理想，殘余OPD 為σ =9.5 nm，滿足了要求。圖6給出了沒有控制系統(tǒng)下的OPD 擾動（左圖）以及控制系統(tǒng)作用下的OPD 殘余量（右圖）。

圖6.控制系統(tǒng)測試結果

圖7.Michelson 干涉儀測試臺

為了提高同相位控制系統(tǒng)的性能，未來需要對控制系統(tǒng)硬件進行升級。在下一個開發(fā)中，希望使用NI 實時硬件和LabVIEW 實時模塊軟件將控制步長減少為0.1 ms，并對控制軟件和控制算法進行一定的調整。