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(xué)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(wù)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(diào)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(yuǎn)鏡是為高分辨率光學(xué)檢測而優(yōu)化的干涉儀儀器，利用對成孔徑技術(shù)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(fù)雜的計量和控制系統(tǒng)，以便確保光學(xué)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(yuǎn)鏡的兩個關(guān)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(yuǎn)鏡的概述、MIT性能的簡單描述以及完成的目標(biāo)。

歐氏空間望遠(yuǎn)鏡
例如歐氏空間望遠(yuǎn)鏡等多孔徑望遠(yuǎn)鏡配置為達到大型孔徑光學(xué)系統(tǒng)提出了一種獨特的可行方法。開發(fā)多個獨立望遠(yuǎn)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(yīng)波前控制導(dǎo)致的局限性。多個望遠(yuǎn)鏡光學(xué)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(xué)配置的Michelson 干涉儀被選用實現(xiàn)合成孔徑技術(shù)。望遠(yuǎn)鏡配置包含了八個子望遠(yuǎn)鏡陣列和光束組合望遠(yuǎn)鏡位于陣列的中央，用來采集來自子望遠(yuǎn)鏡的光線，并且可以在聚焦平面上產(chǎn)生干涉圖像。光學(xué)延遲線可以均衡來自每個子望遠(yuǎn)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(xué)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(xué)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(wù)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(yuǎn)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(biāo)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(xué)路徑差（絕對差和相對差），從而使用電動延遲線控制光學(xué)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(guān)于不同光束路徑差的信息。為了測量光學(xué)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(gòu)開發(fā)），提供了兩個干涉儀臂之間光學(xué)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(xué)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(xué)干涉儀原型進行光學(xué)干涉，利用控制系統(tǒng)對延遲線發(fā)出指令進行電子學(xué)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(xué)路徑達到相干距離范圍之內(nèi)而構(gòu)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(diào)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(xué)負(fù)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(jié)構(gòu)變化，通過儀器結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)鏡設(shè)計最為關(guān)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(xué)干涉儀原型組成，實現(xiàn)了與高分辨率衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡相同的光學(xué)配置拓?fù)洹?/p>

由于同相位系統(tǒng)概念是要控制望遠(yuǎn)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(yù)測的體現(xiàn)在衛(wèi)星望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(diào)臺式電動平移器和一個精調(diào)臺式壓電變換器。擾動線僅由壓電變換器組成。粗調(diào)器用來從比較大的OPD（例如1 mm）開始達到同相位條件。精調(diào)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(qū)動精調(diào)器的控制延遲線。粗調(diào)器的延遲線直接由操作員在開環(huán)下進行驅(qū)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(diào)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(shè)置所有必要的參數(shù)，對執(zhí)行器進行編程，并設(shè)置位移指令。執(zhí)行器的絕對位置一直標(biāo)識在圖表中?？刂拼终{(diào)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(shè)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(qū)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(qū)動精調(diào)器控制延遲線的壓電驅(qū)動器，另一個DAC 驅(qū)動擾動延遲線的壓電驅(qū)動器。

控制算法設(shè)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(diào)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(diào)器延遲線軟件界面

圖4.NI DAQPad-6052E 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

由于我們的系統(tǒng)并非實時系統(tǒng)，我們設(shè)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(biāo)，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(jié)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(jié)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(jié)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(diào)整。