用于卫星遥测的Michelson干涉仪测试台演示器的数字

干涉仪带有激光计量系统，以便测量干涉仪臂之间的光学路径差（绝对差和相对差），从而使用电动延迟线控制光学路径差。控制系统可以对激光干涉仪进行测量，将指令发送到延迟线上。

激光干涉法是至今为止用于测量长距离变化的最佳方法。可以使用多种干涉方法，但是所有方法都是基于干涉原理的：由同一个光源发出的两束或多束光线通过不同长度的路径最终交汇（汇聚）在用于测量光强的探测器上。探测器上的光强是干涉光线（波）的相对相位的函数，他们可以相互增强，也可以相互减弱。在对干涉信号的分析中，可以得出关于不同光束路径差的信息。为了测量光学干涉仪两个臂之间的长度差，最终的方法就是使用Michelson类型的激光干涉仪。激光干涉仪包括两种类型的激光计量：

● 绝对计量系统（由位于葡萄牙里斯本的INETI机构开发），提供了两个干涉仪臂之间光学路径差的实际数值，分辨率较低。

● 相对计量系统（由位于意大利都灵的Alcatel Alenia Space Italia开发），提供了干涉仪臂之间光学路径差的变化（相对于给定初始值的变化），分辨率较高。

两种计量系统都利用光学干涉仪原型进行光学干涉，利用控制系统对延迟线发出指令进行电子学层面的交互。

绝对计量用来支持达到Michelson干涉仪的同相位条件，它是由干涉仪多个臂之间的光学路径达到相干距离范围之内而构成的，因此较高可见度的边缘模式在仪器的聚焦平面上形成。

相对计量提供了对OPL变化的测量，从一个给定的初始值开始（这个数值是在达到同相位操作之后的数值），这个数值被控制系统利通过电动延迟线的精调级用于固定边界图案（OPD 10 nm）。相对计量是基于Michelson 干涉仪计量的，具有纳米级别的分辨率。OPD 干扰需要在对象观测过程中进行补偿，它来自于热学负载或是发生在卫星内部的振动（例如方向控制系统）等造成的卫星结构变化，通过仪器结构，传递至干涉仪镜面。

同相位系统实验室演示器
同相位系统是望远镜设计最为关键的部分。为了测试并且演示同相位系统的概念，即将干涉仪臂之间的OPL 通过一个自由度的延迟线进行均衡，实现了一个实验室演示器。MIT演示器由一个简化的实验室尺寸的光学干涉仪原型组成，实现了与高分辨率卫星望远镜相同的光学配置拓扑。

由于同相位系统概念是要控制望远镜臂之间的OPD变化，同相位系统的实验室演示器带有一条控制延迟线（CDL）能够在（主要）臂上工作，它跟踪另一条（从属）臂的OPL 变化，还带有一条扰动延迟线（DDL）作用在（从属）臂上，和预测的体现在卫星望远镜上的扰动PSD 相似，引入具有相同功率谱密度（PSD）的OPL扰动。实验室演示器需要达到的性能必须与卫星望远镜要求的性能一致。

控制延迟线由两个执行器组成：一个粗调台式电动平移器和一个精调台式压电变换器。扰动线仅由压电变换器组成。粗调器用来从比较大的OPD（例如1 mm）开始达到同相位条件。精调器用来在达到同相位状态之后，控制并保持两个干涉仪臂之间的OPD。

同相位控制系统仅仅使用了相对计量测量，在闭环状态下驱动精调器的控制延迟线。粗调器的延迟线直接由操作员在开环下进行驱动，操作员观察在绝对计量监视器上，达到同相位条件所需要的位移。粗调器的执行器使用RS232 与便携式计算机进行连接。软件接口在NI LabVIEW 中实现，用于设置所有必要的参数，对执行器进行编程，并设置位移指令。执行器的绝对位置一直标识在图表中。控制粗调器执行器直至达到同相位状态。在下图中，显示了达到同相位状态的实验干涉图。

同相位控制系统硬件式基于便携式计算机的（带有2 GB RAM的Pentium 4 2.66 GHz），它通过IEEE 1394接口连接到便携式NI DAQPad-6052E端口上。即便这个类型的数据采集板卡并非实时设备，还是可以通过数字控制闭环，以1 ms 的控制步长进行控制（可见这并非硬实时性能）。干扰延迟线执行器使用相同的DAQPad-6052E 进行驱动。干扰发生算法与控制算法一起，并行运行在相同的便携式计算机上。

图2.达到同相位状态的实验干涉图

使用了两个ADC 通道和两个DAC 通道。这两个ADC 通道采集来自相对计量电子的两个信号，它们用于重建OPD 变化。一个DAC用于驱动精调器控制延迟线的压电驱动器，另一个DAC 驱动扰动延迟线的压电驱动器。

控制算法设计根据相同的模型观测器进行执行，它基于离散时间状态方程，直接用C 语言算法实现。控制算法程序被编译为动态连接库（DLL），通过调用库函数节点使用NI LabVIEW 与NI DAQ 板卡进行数据交换（来自ADC 的测量和发送至DAC 的指令）。这种解决方案可以测试控制算法（使用C 语言编写，十分接近最终实际使用的版本），从而可以非常方便地与实验室NI DAQ 硬件进行连接，而无需使用实际使用的硬件，这样就节省大量的时间和金钱。同样，扰动发生算法实现为离散状态空间方程，并且使用C++ 进行编写，编译为DLL 文件。图5 显示了控制系统的方块图。