LabVIEW開(kāi)發(fā)光線(xiàn)追蹤可視化分段反射器測(cè)試臺(tái)

為了滿(mǎn)足美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）對(duì)未來(lái)望遠(yuǎn)鏡的要求，新的紅外空間天文臺(tái)將在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡使用壽命結(jié)束后取代其。作為HST的繼任者，詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡（JWST），以前被稱(chēng)為下一代太空望遠(yuǎn)鏡（NGST），需要一個(gè)更大的聚光主鏡，能夠探測(cè)來(lái)自第一個(gè)十億年的微弱信號(hào)，即星系形成的時(shí)期。JWST將能夠檢測(cè)波長(zhǎng)在0.6至20毫米范圍內(nèi)的輻射。此外，JWST必須能夠看到比目前使用大型地面紅外望遠(yuǎn)鏡研究的物體暗400倍的物體。

由于與當(dāng)前運(yùn)載火箭相關(guān)的尺寸和重量限制，未來(lái)的任務(wù)，如JWST，將使用分段反射器，而不是由單塊玻璃鑄造的整體反射器。盡管多鏡設(shè)計(jì)具有許多優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)存在許多主要困難。由于干擾，鏡子很容易錯(cuò)位。因此，需要控制器來(lái)維護(hù)鏡面形狀。集成這種先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)望遠(yuǎn)鏡指向的嚴(yán)格要求。

開(kāi)發(fā)了一種光線(xiàn)追蹤算法，為SPACE試驗(yàn)臺(tái)外圍指向架構(gòu)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建提供了便利。本文將介紹LabVIEW中的光線(xiàn)追蹤仿真，該仿真支持開(kāi)發(fā)如此復(fù)雜的復(fù)雜系統(tǒng)的精確指向架構(gòu)。

SPACE測(cè)試臺(tái)模擬了焦距為2.4米的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡，其性能可與實(shí)際的星載系統(tǒng)相媲美。該系統(tǒng)的頂級(jí)要求包括將主鏡的圖形保持在相對(duì)于主鏡標(biāo)稱(chēng)形狀的1微米R(shí)MS畸變以?xún)?nèi)，以及精度為2弧秒的精確指向。

SPACE試驗(yàn)臺(tái)由主鏡、副鏡和輕質(zhì)柔性桁架結(jié)構(gòu)組成。主鏡（安裝在支撐桁架上）由七個(gè)六角形面板組成，每個(gè)面板直徑101厘米。六個(gè)外圍面板由18個(gè)線(xiàn)性電磁致動(dòng)器（每個(gè)有源面板3個(gè)執(zhí)行器）在三個(gè)自由度內(nèi)主動(dòng)控制，第七個(gè)面板用作參考。此外，一組18個(gè)邊緣傳感器用于測(cè)量面板的相對(duì)位移和角度。測(cè)試臺(tái)的活動(dòng)副鏡是一個(gè)六面錐形鏡，用于將光從主鏡反射到中心平面，并通過(guò)三腳架連接到主鏡。整個(gè)測(cè)試臺(tái)由鋁蜂窩芯制成的三角形隔離平臺(tái)支撐，頂部和底部帶有不銹鋼表皮。

太空望遠(yuǎn)鏡測(cè)試臺(tái)需要執(zhí)行精確指向，同時(shí)保持主鏡的拋物線(xiàn)形狀。為了實(shí)現(xiàn)精確到2弧秒的測(cè)試臺(tái)的指向控制，設(shè)計(jì)了一個(gè)外圍指向架構(gòu)（PPA），通過(guò)模擬來(lái)自遠(yuǎn)處物體的光線(xiàn)來(lái)物理演示望遠(yuǎn)鏡指向。

PPA使用六個(gè)激光器的組件來(lái)模擬研究對(duì)象。每個(gè)激光器對(duì)應(yīng)于其獨(dú)立的面板和光學(xué)檢測(cè)器。激光組件位于電動(dòng)尖端/傾斜平臺(tái)上，激光源與平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)或萬(wàn)向節(jié)點(diǎn)重合。

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由于激光源位于平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)上，因此源沒(méi)有平移或位移。當(dāng)電動(dòng)平臺(tái)傾斜或傾斜時(shí)，光源是靜止的，而只有激光束方向受到影響。

使用從平臺(tái)旋轉(zhuǎn)點(diǎn)到每個(gè)執(zhí)行器的距離，（一個(gè)x和一個(gè)y對(duì)于每個(gè)軸上的致動(dòng)器，）和執(zhí)行器位移，計(jì)算出平臺(tái)移動(dòng)一個(gè)角度θ從其在y軸上的零位置開(kāi)始。平臺(tái)的法線(xiàn)矢量也移動(dòng)相同的角度θ從正z軸。

每個(gè)激光器固定在距離平臺(tái)法線(xiàn)（正z軸）22.84°的位置，因此可以根據(jù)電動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)后的法向矢量方向計(jì)算每個(gè)激光器的方向和角度。

Matlab程序是為稱(chēng)為射線(xiàn)1到射線(xiàn)6的每個(gè)單獨(dú)光束開(kāi)發(fā)的。MathScriptNode用于將Matlab代碼轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)abVIEW。例如，Ray2的LabView框圖的一部分如圖9所示。Ray2的LabView前面板的結(jié)果圖如圖10所示。

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為了成功實(shí)現(xiàn)SPACE測(cè)試臺(tái)的整形和指向控制，必須集成所有涉及的組件。目前，Test臺(tái)整形控制是使用DSP執(zhí)行，DSP通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器接收來(lái)自傳感器的信號(hào)，執(zhí)行必要的控制算法，并通過(guò)數(shù)模變器和放大器將信號(hào)發(fā)送到主鏡執(zhí)行器。在單獨(dú)的循環(huán)中，PPA由ESP運(yùn)動(dòng)控制器驅(qū)動(dòng)。目前，這種遠(yuǎn)程通信是通過(guò)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，用于在計(jì)算機(jī)和ESP之間發(fā)送和接收命令和數(shù)據(jù)。為了結(jié)合整形和指向控制，必須直接從控制結(jié)構(gòu)整形的數(shù)字信號(hào)處理器向ESP發(fā)送命令。這將允許完全集成SPACE測(cè)試臺(tái)的整形和指向控制。

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然后這些信號(hào)通過(guò)D/A通道發(fā)送，并由LabVIEW使用。將創(chuàng)建一個(gè)LabviewGUI，從DSP的輸出信號(hào)向ESP模塊發(fā)送適當(dāng)?shù)腁SCII命令。

這是LabVIEW的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用，更多的開(kāi)發(fā)案例，歡迎登錄北京瀚文網(wǎng)星官網(wǎng)，了解更多信息。