基于LabVIEW的微快門測試方案

你的朋友圈被那張“宇宙大片”刷屏了嗎？就是NASA韋伯望遠鏡的第一張全彩深空照片。

這是迄今為止觀測到的最深的宇宙紅外圖像，韋伯太空望遠鏡裝備了250,000多個微快門，用于觀察數(shù)以千計的遙遠星系。在微快門的性能驗證上，NI LabVIEW大顯身手！

一項革命性的技術(shù)：微快門

為了進一步深入研究大爆炸理論，幫助科學(xué)家們一窺宇宙起源，NASA計劃發(fā)射下一代詹姆士韋伯（James Webb）太空望遠鏡。在韋伯望遠鏡上，NASA將采用新的材料來研制更大的光圈，采用最新技術(shù)采集微弱光信號，并在其中集成微快門陣列來同時獲取上百個光譜信號。其在多項研究功能上，都將遠遠超越著名的哈勃望遠鏡。

其中，關(guān)鍵創(chuàng)新之一是“微快門”（Microshutter）技術(shù)的使用，它被使用在近紅外分光計上，能阻隔空間中離望遠鏡較近的物體發(fā)出的多余光線，使來自遙遠物體的光亮通過（想像你在強光下，瞇起眼睛看東西的情景）。這就使韋伯能對宇宙早期形成的恒星和星系發(fā)出的微弱光線具備更好的聚焦功能，從而觀測到更久遠的宇宙歷史。而韋伯運行軌道高度將數(shù)千倍于哈勃，幾乎不可能派遣航天員維護。

這項運用在韋伯上的“微快門”技術(shù)，需要由上萬個大小僅100×200微米（幾根頭發(fā)絲的寬度）的開關(guān)構(gòu)成，它們可以獨立地打開或者關(guān)閉，以創(chuàng)建一個基于傳感器感興趣區(qū)域的圖像掩模。這對整個系統(tǒng)的設(shè)計、驗證都提出了極大的挑戰(zhàn)。在實際運行的時候，當(dāng)被觀察物體存在的時候開關(guān)元件被打開，當(dāng)探測器中被觀察物體之間存在干涉和沖突的時開關(guān)元件被關(guān)閉。

NASA采用磁體來控制開關(guān)，當(dāng)磁體經(jīng)過開關(guān)元件表面的時候，開關(guān)被打開，同時，NASA在開關(guān)元件相應(yīng)的行列位置加上一個電壓，這樣當(dāng)磁鐵越過之后開關(guān)也能夠被保持打開，而沒有電壓的開關(guān)則被關(guān)閉。

為此，NASA對這項新技術(shù)進行了反復(fù)的測試，不斷進行反饋與設(shè)計改進，以充分確保其能順利執(zhí)行工作任務(wù)。

基于LabVIEW的微快門測試方案

NASA面臨的測試挑戰(zhàn)是：快速開發(fā)一種能夠控制上萬個微米級大小的開關(guān)部件（微快門）的靈活的測試系統(tǒng)。并且能夠在上百萬次的循環(huán)中進行數(shù)據(jù)記錄，采集高分辨率的圖像，并對整個測試環(huán)境進行監(jiān)視與控制。

在NI團隊的幫助下，他們最終采用的測試方案是：采用NI的基于FPGA和LabVIEW軟件的方案，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，用戶可以配置和運行自定義的開關(guān)激勵程序并同時對于測試環(huán)境做監(jiān)視和控制。

微快門陣列測試系統(tǒng)：利用LabVIEW FPGA控制磁鐵運動與電場開關(guān)的精確同步

在一分鐘內(nèi)開啟和關(guān)閉所有62000個快門240次

如果系統(tǒng)不同步，在幾分鐘內(nèi)就將造成快門的損壞

硬件采用帶有FPGA的PXI R系列I/O模塊

縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本

在NI LabVIEW平臺下，NASA完美的建立了測試所必須的太空仿真環(huán)境。由于能夠很好的控制溫度、壓力條件，還可以把太陽產(chǎn)生的熱擾動因素也考慮在內(nèi)。在該環(huán)境中，利用LabVIEW FPGA及運動控制技術(shù)，可以達到對“微快門”復(fù)雜的開關(guān)陣列進行靈活、可靠的控制，再結(jié)合NI圖像采集與處理技術(shù)得出判斷結(jié)果。這樣即能夠一次性完成整體系統(tǒng)的測試，又可以評估單個開關(guān)壽命，使“微快門”系統(tǒng)設(shè)計日臻完美。

帶有微快門技術(shù)的近紅外分光計使得科學(xué)家們能夠同時通過韋伯太空望遠鏡分辨出數(shù)百個不同的光譜。這項新技術(shù)將保證NASA捕獲現(xiàn)今無法想像的數(shù)據(jù)，但卻需要被證明具備足夠的工作壽命。

自動化測試系統(tǒng)能夠提供用戶可以自定義的測試步驟，并且可以以最小的工作量快速調(diào)試到不同的測試儀器中，幫助了NASA研究“微快門”的性能并驗證其可行性。通過LabVIEW，NASA快速開發(fā)出模塊化的測試應(yīng)用，提供了充足的時間，并在開發(fā)的早期階段就能發(fā)現(xiàn)和診斷出問題。

自動化測試系統(tǒng)能夠提供用戶可以自定義的測試步驟，幫助我們研究“微快門”的性能并驗證其可行性。通過LabVIEW，我們快速開發(fā)出了模塊化的測試應(yīng)用，給了我們足夠的時間在開發(fā)的早期階段就能發(fā)現(xiàn)和診斷出問題。

-David McAndrew,美國航空航天局

審核編輯 ：李倩