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(shí)驗(yàn)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(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 合同來實(shí)行。

The Solution:
使用控制算法交互、利用C++語言編寫并且嵌入到動(dòng)態(tài)鏈接庫中，使用NI LabVIEW中的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)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(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(fù)雜的計(jì)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(gè)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(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，以便達(dá)到同相位條件，以及在Michelson干涉儀儀器中達(dá)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(dá)到大型孔徑光學(xué)系統(tǒng)提出了一種獨(dú)特的可行方法。開發(fā)多個(gè)獨(dú)立望遠(yuǎn)鏡孔徑的動(dòng)機(jī)是為了提供從空間進(jìn)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(gè)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(jìn)。

帶有Fizeau 類型組合光學(xué)配置的Michelson 干涉儀被選用實(shí)現(xiàn)合成孔徑技術(shù)。望遠(yuǎn)鏡配置包含了八個(gè)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(gè)子望遠(yuǎn)鏡不同波前進(jìn)入路徑的差別，最后到達(dá)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?yàn)楦缮鎯x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(jì)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(gè)臂的光學(xué)路徑長度（OPL）必須進(jìn)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(gè)臂的光束的OPL必須將誤差均衡在100 nm之內(nèi)。如果達(dá)到了這個(gè)條件，就可以稱為干涉儀達(dá)到了“同相位”。在達(dá)到同相位條件之后，就可以使用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行觀測。在聚焦平面的圖像集成時(shí)間之內(nèi)，干涉儀的八個(gè)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。