The Challenge:

　　為歐氏空間遙測的同相位系統實(shí)驗室演示器建立數字控制系統，用于將遙測臂之間的光學(xué)路徑差維持在10nm之內，這是確保有效衛星操作的必要條件。這個(gè)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(lái)實(shí)行。

　　The Solution:

　　使用控制算法交互、利用C++語(yǔ)言編寫(xiě)并且嵌入到動(dòng)態(tài)鏈接庫中，使用NI LabVIEW中的調用庫函數節點(diǎn)交互來(lái)自NI DAQ板卡的數據（來(lái)自ADC 的測量值和發(fā)送到DAC 的指令）。

　　"通過(guò)調用庫函數節點(diǎn)使用NI LabVIEW與NI DAQ板卡進(jìn)行數據交換，可以非常方便地與實(shí)驗室NI DAQ硬件進(jìn)行連接，而無(wú)需使用實(shí)際使用的硬件，這樣就節省大量的時(shí)間和金錢(qián)。"

　　概述

　　歐氏空間望遠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(jìn)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，以便確保光學(xué)配置具有必要的穩定性。集成了一個(gè)演示器（稱(chēng)為MIT，Michelson 干涉儀測試臺）用于對歐氏空間望遠鏡的兩個(gè)關(guān)鍵系統進(jìn)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(jiǎn)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(xué)系統提出了一種獨特的可行方法。開(kāi)發(fā)多個(gè)獨立望遠鏡孔徑的動(dòng)機是為了提供從空間進(jìn)行高分辨率的觀(guān)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(gè)望遠鏡光學(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(jìn)。

　　帶有Fizeau 類(lèi)型組合光學(xué)配置的Michelson 干涉儀被選用實(shí)現合成孔徑技術(shù)。望遠鏡配置包含了八個(gè)子望遠鏡陣列和光束組合望遠鏡位于陣列的中央，用來(lái)采集來(lái)自子望遠鏡的光線(xiàn)，并且可以在聚焦平面上產(chǎn)生干涉圖像。光學(xué)延遲線(xiàn)可以均衡來(lái)自每個(gè)子望遠鏡不同波前進(jìn)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(jiàn)度，在干涉儀臂之間的光學(xué)路徑差（OPD）被保持在比相干長(cháng)度小的范圍之內。隨著(zhù)OPD 的增加，邊緣圖案變得越來(lái)越黯淡，即其可見(jiàn)度越來(lái)越低。這是因為干涉儀并非工作在單一的波長(cháng)上，而是工作在有限的頻帶上。

圖1.Michelson 干涉儀的計量線(xiàn)

　　為了讓邊緣圖案具有更好的可見(jiàn)度，光束經(jīng)過(guò)Michelson干涉儀八個(gè)臂的光學(xué)路徑長(cháng)度（OPL）必須進(jìn)行均衡，其誤差需要在工作頻帶相干長(cháng)度的范圍之內。對于一定的Michelson 干涉儀任務(wù)而言，經(jīng)過(guò)八個(gè)臂的光束的OPL必須將誤差均衡在100 nm之內。如果達到了這個(gè)條件，就可以稱(chēng)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(jìn)行觀(guān)測。在聚焦平面的圖像集成時(shí)間之內，干涉儀的八個(gè)臂之間的OPD 必須控制在觀(guān)測波長(cháng)范圍之內（即OPDij < 10 nm），以便避免邊界“跳躍”或是邊界模式相位出現較大變化，造成得到的圖形出現對比度損失。如果這種情況在觀(guān)測過(guò)程中出現，得到的干涉儀圖像就會(huì )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，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(dòng)延遲線(xiàn)控制光學(xué)路徑差?？刂葡到y可以對激光干涉儀進(jìn)行測量，將指令發(fā)送到延遲線(xiàn)上。

　　激光干涉法是至今為止用于測量長(cháng)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(gè)光源發(fā)出的兩束或多束光線(xiàn)通過(guò)不同長(cháng)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(xiàn)（波）的相對相位的函數，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(gè)臂之間的長(cháng)度差，最終的方法就是使用Michelson類(lèi)型的激光干涉儀。激光干涉儀包括兩種類(lèi)型的激光計量：

　　● 絕對計量系統（由位于葡萄牙里斯本的INETI機構開(kāi)發(fā)），提供了兩個(gè)干涉儀臂之間光學(xué)路徑差的實(shí)際數值，分辨率較低。

　　● 相對計量系統（由位于意大利都靈的Alcatel Alenia Space Italia開(kāi)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。

　　兩種計量系統都利用光學(xué)干涉儀原型進(jìn)行光學(xué)干涉，利用控制系統對延遲線(xiàn)發(fā)出指令進(jìn)行電子學(xué)層面的交互。

　　絕對計量用來(lái)支持達到Michelson干涉儀的同相位條件，它是由干涉儀多個(gè)臂之間的光學(xué)路徑達到相干距離范圍之內而構成的，因此較高可見(jiàn)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(gè)給定的初始值開(kāi)始（這個(gè)數值是在達到同相位操作之后的數值），這個(gè)數值被控制系統利通過(guò)電動(dòng)延遲線(xiàn)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(guān)測過(guò)程中進(jìn)行補償，它來(lái)自于熱學(xué)負載或是發(fā)生在衛星內部的振動(dòng)（例如方向控制系統）等造成的衛星結構變化，通過(guò)儀器結構，傳遞至干涉儀鏡面。

　　同相位系統實(shí)驗室演示器

　　同相位系統是望遠鏡設計最為關(guān)鍵的部分。為了測試并且演示同相位系統的概念，即將干涉儀臂之間的OPL 通過(guò)一個(gè)自由度的延遲線(xiàn)進(jìn)行均衡，實(shí)現了一個(gè)實(shí)驗室演示器。MIT演示器由一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)驗室尺寸的光學(xué)干涉儀原型組成，實(shí)現了與高分辨率衛星望遠鏡相同的光學(xué)配置拓撲。

　　由于同相位系統概念是要控制望遠鏡臂之間的OPD變化，同相位系統的實(shí)驗室演示器帶有一條控制延遲線(xiàn)（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(dòng)延遲線(xiàn)（DDL）作用在（從屬）臂上，和預測的體現在衛星望遠鏡上的擾動(dòng)PSD 相似，引入具有相同功率譜密度（PSD）的OPL擾動(dòng)。實(shí)驗室演示器需要達到的性能必須與衛星望遠鏡要求的性能一致。

　　控制延遲線(xiàn)由兩個(gè)執行器組成：一個(gè)粗調臺式電動(dòng)平移器和一個(gè)精調臺式壓電變換器。擾動(dòng)線(xiàn)僅由壓電變換器組成。粗調器用來(lái)從比較大的OPD（例如1 mm）開(kāi)始達到同相位條件。精調器用來(lái)在達到同相位狀態(tài)之后，控制并保持兩個(gè)干涉儀臂之間的OPD。

　　同相位控制系統僅僅使用了相對計量測量，在閉環(huán)狀態(tài)下驅動(dòng)精調器的控制延遲線(xiàn)。粗調器的延遲線(xiàn)直接由操作員在開(kāi)環(huán)下進(jìn)行驅動(dòng)，操作員觀(guān)察在絕對計量監視器上，達到同相位條件所需要的位移。粗調器的執行器使用RS232 與便攜式計算機進(jìn)行連接。軟件接口在NI LabVIEW 中實(shí)現，用于設置所有必要的參數，對執行器進(jìn)行編程，并設置位移指令。執行器的絕對位置一直標識在圖表中?？刂拼终{器執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(shí)驗干涉圖。

　　同相位控制系統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(guò)IEEE 1394接口連接到便攜式NI DAQPad-6052E端口上。即便這個(gè)類(lèi)型的數據采集板卡并非實(shí)時(shí)設備，還是可以通過(guò)數字控制閉環(huán)，以1 ms 的控制步長(cháng)進(jìn)行控制（可見(jiàn)這并非硬實(shí)時(shí)性能）。干擾延遲線(xiàn)執行器使用相同的DAQPad-6052E 進(jìn)行驅動(dòng)。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(shí)驗干涉圖

　　使用了兩個(gè)ADC 通道和兩個(gè)DAC 通道。這兩個(gè)ADC 通道采集來(lái)自相對計量電子的兩個(gè)信號，它們用于重建OPD 變化。一個(gè)DAC用于驅動(dòng)精調器控制延遲線(xiàn)的壓電驅動(dòng)器，另一個(gè)DAC 驅動(dòng)擾動(dòng)延遲線(xiàn)的壓電驅動(dòng)器。

　　控制算法設計根據相同的模型觀(guān)測器進(jìn)行執行，它基于離散時(shí)間狀態(tài)方程，直接用C 語(yǔ)言算法實(shí)現?？刂扑惴ǔ绦虮痪幾g為動(dòng)態(tài)連接庫（DLL），通過(guò)調用庫函數節點(diǎn)使用NI LabVIEW 與NI DAQ 板卡進(jìn)行數據交換（來(lái)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(yǔ)言編寫(xiě)，十分接近最終實(shí)際使用的版本），從而可以非常方便地與實(shí)驗室NI DAQ 硬件進(jìn)行連接，而無(wú)需使用實(shí)際使用的硬件，這樣就節省大量的時(shí)間和金錢(qián)。同樣，擾動(dòng)發(fā)生算法實(shí)現為離散狀態(tài)空間方程，并且使用C++ 進(jìn)行編寫(xiě)，編譯為DLL 文件。圖5 顯示了控制系統的方塊圖。

圖3.粗調器延遲線(xiàn)軟件界面

圖4.NI DAQPad-6052E 數據采集設備

　　由于我們的系統并非實(shí)時(shí)系統，我們設計了一個(gè)十分簡(jiǎn)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行。軟件界面包含了一系列按鈕，可以用來(lái)啟動(dòng)或停止相對計量、擾動(dòng)發(fā)生算法、控制系統算法，一組發(fā)光二極管用來(lái)指示控制系統的狀態(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存中，并在控制對話(huà)結束的時(shí)候以二進(jìn)制格式存儲在硬盤(pán)上。

圖5.控制系統方塊圖

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

圖6.控制系統測試結果

圖7.Michelson 干涉儀測試臺　　

　　為了提高同相位控制系統的性能，未來(lái)需要對控制系統硬件進(jìn)行升級。在下一個(gè)開(kāi)發(fā)中，希望使用NI 實(shí)時(shí)硬件和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊軟件將控制步長(cháng)減少為0.1 ms，并對控制軟件和控制算法進(jìn)行一定的調整。