使用LabVIEW開發世界最大望遠鏡的實時控制系統

Author(s):
Jason Spyromilio - European Southern Observatory

Industry:
Research, Aerospace/Avionics

Products:
LabVIEW, Real-Time Module

The Challenge:
使用商業購買即可使用（COTS）的解決方案，用于特大型望遠鏡自適應光學實時控制中的高性能計算（HPC）。

The Solution:
將NI LabVIEW的圖形化編程環境和多核處理器結合在一起，開發實時控制系統，證明COTS 技術能夠用于控制歐洲特大型望遠鏡（E-ELT），目前E-ELT 處于原型設計階段。

為了進行尺寸對比，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構。我們已經開發并部署了一些世界上最先進的望遠鏡。我們目前在智利的安第斯山地區分布著三個站點，即La Silla、Paranal 以及Chajnantor 天文臺。我們總是采用創新技術，例如在La Silla 的3.6米望遠鏡上使用第一個通用用戶自適應光學系統，在La Silla 的3.5米新技術望遠鏡（NTT）上部署主動光學系統，以及在Paranal 運用大型望遠鏡（VLT）的整合操作和關聯干涉儀。此外，我們還和北美、東亞合作伙伴進行合作，建立Atacama大型毫米陣列（ALMA），它是耗資十億美元的66 天線亞毫米望遠鏡，計劃于2012 年在Chajnantor 大草原建成。

我們的下一個項目是E-ELT。這個主鏡直徑42 米的望遠鏡設計已經進入了階段B，并且獲得了1 億美元的資金，用于初期設計和原型開發。在階段B 之后，預計在2010 年底開始進行建造。

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

自適應光學系統使用相似的方法，在數百赫茲的頻率下監視大氣效應，并使用經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量。波前傳感器快速運行，對大氣進行采樣，將所有失真轉換為相應的鏡面動作指令。這需要支持高速計算的硬件和軟件。

控制復雜的系統需要十分強大的處理能力。對于在過去部署的控制系統而言，我們基于虛擬機環境（VME）實時控制可以開發專用的控制系統，這不但十分昂貴而且十分耗時。我們現在與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（稱為M1）性能達到新的高度。同時我們也在研究基于COTS 的可能解決方案，用于望遠鏡鏡面自適應實時控制（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望遠鏡大三倍，并且五個這樣的鏡面將協同工作。