用于衛(wèi)星遙測(cè)的Michelson干涉儀測(cè)試臺(tái)演示器的數(shù)字控制

干涉儀帶有激光計(jì)量系統(tǒng)，以便測(cè)量干涉儀臂之間的光學(xué)路徑差（絕對(duì)差和相對(duì)差），從而使用電動(dòng)延遲線控制光學(xué)路徑差?？刂葡到y(tǒng)可以對(duì)激光干涉儀進(jìn)行測(cè)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(cè)量長(zhǎng)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通過(guò)不同長(zhǎng)度的路徑最終交匯（匯聚）在用于測(cè)量光強(qiáng)的探測(cè)器上。探測(cè)器上的光強(qiáng)是干涉光線（波）的相對(duì)相位的函數(shù)，他們可以相互增強(qiáng)，也可以相互減弱。在對(duì)干涉信號(hào)的分析中，可以得出關(guān)于不同光束路徑差的信息。為了測(cè)量光學(xué)干涉儀兩個(gè)臂之間的長(zhǎng)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(jì)量：

● 絕對(duì)計(jì)量系統(tǒng)（由位于葡萄牙里斯本的INETI機(jī)構(gòu)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(shù)值，分辨率較低。

● 相對(duì)計(jì)量系統(tǒng)（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(duì)于給定初始值的變化），分辨率較高。

兩種計(jì)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(duì)延遲線發(fā)出指令進(jìn)行電子學(xué)層面的交互。

絕對(duì)計(jì)量用來(lái)支持達(dá)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(dá)到相干距離范圍之內(nèi)而構(gòu)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(duì)計(jì)量提供了對(duì)OPL變化的測(cè)量，從一個(gè)給定的初始值開(kāi)始（這個(gè)數(shù)值是在達(dá)到同相位操作之后的數(shù)值），這個(gè)數(shù)值被控制系統(tǒng)利通過(guò)電動(dòng)延遲線的精調(diào)級(jí)用于固定邊界圖案（OPD 10 nm）。相對(duì)計(jì)量是基于Michelson 干涉儀計(jì)量的，具有納米級(jí)別的分辨率。OPD 干擾需要在對(duì)象觀測(cè)過(guò)程中進(jìn)行補(bǔ)償，它來(lái)自于熱學(xué)負(fù)載或是發(fā)生在衛(wèi)星內(nèi)部的振動(dòng)（例如方向控制系統(tǒng)）等造成的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)變化，通過(guò)儀器結(jié)構(gòu)，傳遞至干涉儀鏡面。

同相位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室演示器
同相位系統(tǒng)是望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵的部分。為了測(cè)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(guò)一個(gè)自由度的延遲線進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室演示器。MIT演示器由一個(gè)簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)室尺寸的光學(xué)干涉儀原型組成，實(shí)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(shí)驗(yàn)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(dòng)延遲線（DDL）作用在（從屬）臂上，和預(yù)測(cè)的體現(xiàn)在衛(wèi)星望遠(yuǎn)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(yàn)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(gè)執(zhí)行器組成：一個(gè)粗調(diào)臺(tái)式電動(dòng)平移器和一個(gè)精調(diào)臺(tái)式壓電變換器。擾動(dòng)線僅由壓電變換器組成。粗調(diào)器用來(lái)從比較大的OPD（例如1 mm）開(kāi)始達(dá)到同相位條件。精調(diào)器用來(lái)在達(dá)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(tǒng)僅僅使用了相對(duì)計(jì)量測(cè)量，在閉環(huán)狀態(tài)下驅(qū)動(dòng)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(kāi)環(huán)下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，操作員觀察在絕對(duì)計(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行連接。軟件接口在NI LabVIEW 中實(shí)現(xiàn)，用于設(shè)置所有必要的參數(shù)，對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行編程，并設(shè)置位移指令。執(zhí)行器的絕對(duì)位置一直標(biāo)識(shí)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(shí)驗(yàn)干涉圖。

同相位控制系統(tǒng)硬件式基于便攜式計(jì)算機(jī)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(shù)據(jù)采集板卡并非實(shí)時(shí)設(shè)備，還是可以通過(guò)數(shù)字控制閉環(huán)，以1 ms 的控制步長(zhǎng)進(jìn)行控制（可見(jiàn)這并非硬實(shí)時(shí)性能）。干擾延遲線執(zhí)行器使用相同的DAQPad-6052E 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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(jì)算機(jī)上。

圖2.達(dá)到同相位狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)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(duì)計(jì)量電子的兩個(gè)信號(hào)，它們用于重建OPD 變化。一個(gè)DAC用于驅(qū)動(dòng)精調(diào)器控制延遲線的壓電驅(qū)動(dòng)器，另一個(gè)DAC 驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)延遲線的壓電驅(qū)動(dòng)器。

控制算法設(shè)計(jì)根據(jù)相同的模型觀測(cè)器進(jìn)行執(zhí)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(xiàn)?？刂扑惴ǔ绦虮痪幾g為動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL），通過(guò)調(diào)用庫(kù)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(lái)自ADC 的測(cè)量和發(fā)送至DAC 的指令）。這種解決方案可以測(cè)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(yàn)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(jié)省大量的時(shí)間和金錢(qián)。同樣，擾動(dòng)發(fā)生算法實(shí)現(xiàn)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(tǒng)的方塊圖。