用于卫星遥测的Michelson干涉仪测试台演示器的数字

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:
为欧氏空间遥测的同相位系统实验室演示器建立数字控制系统，用于将遥测臂之间的光学路径差维持在10nm之内，这是确保有效卫星操作的必要条件。这个任务需要按照西欧军备组织（WEAO）研究小组颁布的Euclid CEPA 9 RTP 9.9 合同来实行。

The Solution:
使用控制算法交互、利用C++语言编写并且嵌入到动态链接库中，使用NI LabVIEW中的调用库函数节点交互来自NI DAQ板卡的数据（来自ADC 的测量值和发送到DAC 的指令）。

概述
欧氏空间望远镜是为高分辨率光学检测而优化的干涉仪仪器，利用对成孔径技术对地理静态轨道进行检测。

为了获得需要的同相位、所需的分辨率，就要使用复杂的计量和控制系统，以便确保光学配置具有必要的稳定性。集成了一个演示器（称为MIT，Michelson 干涉仪测试台）用于对欧氏空间望远镜的两个关键系统进行验证，以便达到同相位条件，以及在Michelson干涉仪仪器中达到的稳定边缘图案样式。

本文包含了对欧氏空间望远镜的概述、MIT性能的简单描述以及完成的目标。

欧氏空间望远镜
例如欧氏空间望远镜等多孔径望远镜配置为达到大型孔径光学系统提出了一种独特的可行方法。开发多个独立望远镜孔径的动机是为了提供从空间进行高分辨率的观测，避免在大型孔径（大重量）情况下以及使用自适应波前控制导致的局限性。多个望远镜光学镜片可以比单筒大型镜片直径缩小许多，这是在重量以及外形上的重要改进。

带有Fizeau 类型组合光学配置的Michelson 干涉仪被选用实现合成孔径技术。望远镜配置包含了八个子望远镜阵列和光束组合望远镜位于阵列的中央，用来采集来自子望远镜的光线，并且可以在聚焦平面上产生干涉图像。光学延迟线可以均衡来自每个子望远镜不同波前进入路径的差别，最后到达覆盖在上面的聚焦平面。干涉边缘图案样式在聚焦平面上形成，并且具有良好的可见度，在干涉仪臂之间的光学路径差（OPD）被保持在比相干长度小的范围之内。随着OPD 的增加，边缘图案变得越来越黯淡，即其可见度越来越低。这是因为干涉仪并非工作在单一的波长上，而是工作在有限的频带上。

图1.Michelson 干涉仪的计量线

为了让边缘图案具有更好的可见度，光束经过Michelson干涉仪八个臂的光学路径长度（OPL）必须进行均衡，其误差需要在工作频带相干长度的范围之内。对于一定的Michelson 干涉仪任务而言，经过八个臂的光束的OPL必须将误差均衡在100 nm之内。如果达到了这个条件，就可以称为干涉仪达到了“同相位”。在达到同相位条件之后，就可以使用望远镜进行观测。在聚焦平面的图像集成时间之内，干涉仪的八个臂之间的OPD 必须控制在观测波长范围之内（即OPDij 10 nm），以便避免边界“跳跃”或是边界模式相位出现较大变化，造成得到的图形出现对比度损失。如果这种情况在观测过程中出现，得到的干涉仪图像就会完全模糊，为了重建目标原始图像所需的必要信息也将丢失。

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