為歐氏空間遙測(cè)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(cè)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。歐氏空間望遠(yuǎn)鏡是為高分辨率光學(xué)檢測(cè)而優(yōu)化的干涉儀儀器，利用對(duì)成孔徑技術(shù)對(duì)地理靜態(tài)軌道進(jìn)行檢測(cè)。
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(chēng)為 MIT，Michelson 干涉儀測(cè)試臺(tái)）用于對(duì)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(duì)歐氏空間望遠(yuǎn)鏡的概述、MIT性能的簡(jiǎn)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(kāi)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(cè)，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(lèi)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(lái)采集來(lái)自子望遠(yuǎn)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(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(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(zhǎng)度小的范圍之內(nèi)。隨著 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?yàn)楦缮鎯x并非工作在單一的波長(zhǎng)上，而是工作在有限的頻帶上。
圖1.Michelson 干涉儀的計(jì)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(zhǎng)度（OPL）必須進(jìn)行均衡，其誤差需要在工作頻帶相干長(zhǎng)度的范圍之內(nèi)。對(duì)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(nèi)。如果達(dá)到了這個(gè)條件，就可以稱(chēng)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(cè)。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(cè)波長(zhǎng)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(duì)比度損失。如果這種情況在觀測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)，得到的干涉儀圖像就會(huì)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。
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(xiàn)控制光學(xué)路徑差。控制系統(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(xiàn)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。可以使用多種干涉方法，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(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(xiàn)（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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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?/span>
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(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(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。粗調(diào)器的延遲線(xiàn)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。控制粗調(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(xiàn)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(xiàn)的壓電驅(qū)動(dòng)器，另一個(gè)DAC 驅(qū)動(dòng)擾動(dòng)延遲線(xiàn)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)。控制算法程序被編譯為動(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。
圖3.粗調(diào)器延遲線(xiàn)軟件界面
圖4.NI DAQPad-6052E 數(shù)據(jù)采集設(shè)備
由于我們的系統(tǒng)并非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)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(biāo)，避免載入控制算法的執(zhí)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(duì)計(jì)量、擾動(dòng)發(fā)生算法、控制系統(tǒng)算法，一組發(fā)光二極管用來(lái)指示控制系統(tǒng)的狀態(tài)。所有重要的控制變量（測(cè)量、指令、狀態(tài)變量等等）都存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，并在控制對(duì)話(huà)結(jié)束的時(shí)候以二進(jìn)制格式存儲(chǔ)在硬盤(pán)上。
圖5.控制系統(tǒng)方塊圖
測(cè)試結(jié)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(tǒng)下的OPD 擾動(dòng)（左圖）以及控制系統(tǒng)作用下的OPD 殘余量（右圖）。
圖6.控制系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
圖7.Michelson 干涉儀測(cè)試臺(tái)
為了提高同相位控制系統(tǒng)的性能，未來(lái)需要對(duì)控制系統(tǒng)硬件進(jìn)行升級(jí)。
