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

作者: 時間:2009-07-14 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

帶有激光計量系統(tǒng),以便測量臂之間的光學(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)可以對激光進(jìn)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(qiáng)的探測器上。探測器上的光強(qiáng)是干涉光線(波)的相對相位的函數(shù),他們可以相互增強(qiáng),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(jī)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(jìn)行光學(xué)干涉,利用控制系統(tǒng)對延遲線發(fā)出指令進(jìn)行電子學(xué)層面的交互。

絕對計量用來支持達(dá)到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(dá)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(dá)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 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(jìn)行補(bǔ)償,它來自于熱學(xué)負(fù)載或是發(fā)生在內(nèi)部的振動(例如方向控制系統(tǒng))等造成的結(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(jìn)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(dá)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(dá)到同相位條件。精調(diào)器用來在達(dá)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(jìn)行驅(qū)動,操作員觀察在絕對計量監(jiān)視器上,達(dá)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(dá)到同相位狀態(tài)。在下圖中,顯示了達(dá)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(jī)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(jìn)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(jìn)行驅(qū)動。干擾發(fā)生算法與控制算法一起,并行運(yùn)行在相同的便攜式計算機(jī)上。

圖2.達(dá)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(jìn)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(diǎn)使用NI LabVIEW 與NI DAQ 板卡進(jìn)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(jìn)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(jìn)行編寫,編譯為DLL 文件。圖5 顯示了控制系統(tǒng)的方塊圖。

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