使用LabVIEW開發(fā)世界最大望遠(yuǎn)鏡的實(shí)時控制系統(tǒng)

Author(s):
Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
使用商業(yè)購買即可使用（COTS）的解決方案，用于特大型望遠(yuǎn)鏡自適應(yīng)光學(xué)實(shí)時控制中的高性能計算（HPC）。

The Solution:
將NI LabVIEW的圖形化編程環(huán)境和多核處理器結(jié)合在一起，開發(fā)實(shí)時控制系統(tǒng)，證明COTS 技術(shù)能夠用于控制歐洲特大型望遠(yuǎn)鏡（E-ELT），目前E-ELT 處于原型設(shè)計階段。

為了進(jìn)行尺寸對比，兩個人和一輛汽車位于E-ELT 邊上。M1 主鏡面的直徑是42 米，其鏡面的制造是分段完成的

概述
歐洲南方天文臺（ESO）是由13 個歐洲國家支持的天文研究機(jī)構(gòu)。我們已經(jīng)開發(fā)并部署了一些世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡。我們目前在智利的安第斯山地區(qū)分布著三個站點(diǎn)，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 天文臺。我們總是采用創(chuàng)新技術(shù)，例如在La Silla 的3.6米望遠(yuǎn)鏡上使用第一個通用用戶自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，在La Silla 的3.5米新技術(shù)望遠(yuǎn)鏡（NTT）上部署主動光學(xué)系統(tǒng)，以及在Paranal 運(yùn)用大型望遠(yuǎn)鏡（VLT）的整合操作和關(guān)聯(lián)干涉儀。此外，我們還和北美、東亞合作伙伴進(jìn)行合作，建立Atacama大型毫米陣列（ALMA），它是耗資十億美元的66 天線亞毫米望遠(yuǎn)鏡，計劃于2012 年在Chajnantor 大草原建成。

我們的下一個項(xiàng)目是E-ELT。這個主鏡直徑42 米的望遠(yuǎn)鏡設(shè)計已經(jīng)進(jìn)入了階段B，并且獲得了1 億美元的資金，用于初期設(shè)計和原型開發(fā)。在階段B 之后，預(yù)計在2010 年底開始進(jìn)行建造。

大規(guī)模主動、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)
42 米望遠(yuǎn)鏡吸收了ESO和天文界在主動自適應(yīng)光學(xué)與分段鏡面方面的經(jīng)驗(yàn)。主動光學(xué)系統(tǒng)包含了傳感器、促動器和控制系統(tǒng)，從而使望遠(yuǎn)鏡能夠維持正確的鏡面形狀。我們可以自動維護(hù)望遠(yuǎn)鏡的正確配置，減少在光學(xué)設(shè)計中的任何殘留象差，提高效率和容錯性。這些望遠(yuǎn)鏡在夜間需要每分鐘都進(jìn)行主動光學(xué)系統(tǒng)校正，從而確保成像只受到大氣效應(yīng)的影響。

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)使用相似的方法，在數(shù)百赫茲的頻率下監(jiān)視大氣效應(yīng)，并使用經(jīng)過特殊加工的可變形薄型鏡面加以校正。擾動尺度決定了這些可變形鏡面上促動器的數(shù)量。波前傳感器快速運(yùn)行，對大氣進(jìn)行采樣，將所有失真轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的鏡面動作指令。這需要支持高速計算的硬件和軟件。

控制復(fù)雜的系統(tǒng)需要十分強(qiáng)大的處理能力。對于在過去部署的控制系統(tǒng)而言，我們基于虛擬機(jī)環(huán)境（VME）實(shí)時控制可以開發(fā)專用的控制系統(tǒng)，這不但十分昂貴而且十分耗時。我們現(xiàn)在與NI 工程師們一起合作， 使用COTS軟件和硬件，使E-ELT 上的主分段鏡面的控制系統(tǒng)（稱為M1）性能達(dá)到新的高度。同時我們也在研究基于COTS 的可能解決方案，用于望遠(yuǎn)鏡鏡面自適應(yīng)實(shí)時控制（稱為M4）。

M1是包含984 個六邊形鏡面的分段鏡面，總直徑達(dá)到42 米，每個鏡面的重量約為330 磅，直徑在1.5 至2 米之間。與之相比，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主鏡面的直徑不過2.4 米。E-ELT 的一個單體主鏡面本身就比世界上最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡大三倍，并且五個這樣的鏡面將協(xié)同工作。