擺鏡平臺壽命試驗(yàn)

王景宇，戴妍峰，姜愛民

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；2.中國科學(xué)院太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家天文臺)，北京 100012)

擺鏡平臺壽命試驗(yàn)

王景宇1，2，戴妍峰1，2，姜愛民1，2

(1.中國科學(xué)院國家天文臺，北京 100012；2.中國科學(xué)院太陽活動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國家天文臺)，北京 100012)

擺鏡平臺是大口徑空間天文望遠(yuǎn)鏡圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的一個(gè)活動部件，為評估其壽命，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了擺鏡平臺壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了擺鏡平臺壽命試驗(yàn)，得到了初步的試驗(yàn)結(jié)果。分析了擺鏡平臺所處的空間環(huán)境和工作條件，給出了擺鏡平臺驅(qū)動信號的產(chǎn)生方法和試驗(yàn)加速方法。在分析擺鏡平臺位移特性的基礎(chǔ)上，給出了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法和失效準(zhǔn)則。初步試驗(yàn)的結(jié)果表明，擺鏡平臺在一年的時(shí)間里運(yùn)行正常，在加速因子為5.5的情況下，等效擺鏡平臺已在衛(wèi)星上正常工作五年半。

擺鏡平臺；壽命試驗(yàn)；位移測量

CN53－1189/P ISSN1672－7673

大口徑空間天文望遠(yuǎn)鏡為達(dá)到衍射極限成像，對焦平面上相機(jī)的穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，一般來說，僅靠衛(wèi)星平臺姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)難以滿足衍射極限成像的穩(wěn)定條件，需要加入圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)，構(gòu)成望遠(yuǎn)鏡兩級光軸指向系統(tǒng)。目前正在運(yùn)行的美國SOHO和日本Hindoe空間太陽望遠(yuǎn)鏡都配有圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)[1－2]。國家天文臺已研制出圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)工程樣機(jī)，并將用于空間天文望遠(yuǎn)鏡。為滿足空間天文望遠(yuǎn)鏡的壽命要求，需要對運(yùn)行在空間環(huán)境下的圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)的壽命進(jìn)行評估。

圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)一般由探測單元、計(jì)算控制單元和校正單元組成，如圖1。探測單元和計(jì)算控制單元為電子學(xué)系統(tǒng)，國內(nèi)外已對空間電子學(xué)系統(tǒng)的可靠性和壽命進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，掌握了空間電子系統(tǒng)的壽命規(guī)律，對其壽命評估已不存在問題。因此，圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)壽命評估主要是校正單元壽命評估。校正單元由平面鏡和擺鏡平臺組成，其壽命主要取決于擺鏡平臺。國外對擺鏡平臺壽命的研究主要集中在擺鏡平臺中的組件促動器的壽命評估上[3－5]，而對擺鏡平臺整體壽命研究得很少。為評估擺鏡平臺壽命，根據(jù)圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)的工作環(huán)境和工作條件，設(shè)計(jì)了擺鏡平臺壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上進(jìn)行了擺鏡平臺壽命試驗(yàn)，到目前為止試驗(yàn)已進(jìn)行了近一年，取得了初步的試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)Fig.1 Illustration of the imaging-stability control system

1 擺鏡平臺壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 壽命試驗(yàn)系統(tǒng)

圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)所用的擺鏡平臺為德國PI公司擺鏡平臺，由一對壓電陶瓷促動器、臺面、底座、外殼和驅(qū)動電纜線組成，如圖2，通過驅(qū)動電纜線施加電壓信號可以控制擺鏡平臺臺面擺動。

由于擺鏡平臺成本較高價(jià)格昂貴，因此，在擺鏡平臺壽命試驗(yàn)中只用一個(gè)樣品，采用定時(shí)截尾壽命試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為兩年。擺鏡平臺壽命試驗(yàn)系統(tǒng)由任意信號發(fā)生器、擺鏡驅(qū)動器、電容式位移測量儀、雙頻激光干涉儀、控制計(jì)算機(jī)、溫度濕度傳感器和UPS電源組成，如圖3。

擺鏡平臺壽命試驗(yàn)的關(guān)鍵是使擺鏡平臺的工作環(huán)境和工作狀態(tài)盡可能地與衛(wèi)星上的真實(shí)情況相同。擺鏡平臺所處的空間環(huán)境，主要包括真空、熱、輻射、微流星體和空間碎片、原子氧等環(huán)境[6]。實(shí)驗(yàn)室可以模擬真空和熱環(huán)境，但考慮到影響擺鏡平臺壽命的最大因素是濕度，以及擺鏡平臺在衛(wèi)星上的工作環(huán)境溫度在20℃左右，與實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度基本相同，擺鏡平臺中的PICMA (PI Ceramic co-fired multilayer actuators)促動器可以工作在10－9hPa的超高真空中，因此，可以不模擬真空和熱環(huán)境。由于非真空中存在濕度會減少擺鏡平臺的壽命。因此，如果在非真空環(huán)境下擺鏡平臺能夠達(dá)到壽命要求，那么在真空條件下也能達(dá)到這一壽命要求。

擺鏡平臺主要用來消除衛(wèi)星平臺抖動引起的成像模糊，只要模擬出衛(wèi)星抖動信號，并用來驅(qū)動擺鏡平臺，就可以使擺鏡平臺工作過程接近于真實(shí)情況。

圖2 S-340擺鏡平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.2 A structure diagram of the S-340 tip-tilt platform

圖3 擺鏡平臺壽命試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 A block diagram of the system to test the lifetime of the tip-tilt platform

1.2 擺鏡驅(qū)動信號的生成

圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)為一個(gè)伺服控制系統(tǒng)，采用啟停式的斷續(xù)工作模式。在圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)開環(huán)情況下，擺鏡平臺的驅(qū)動信號為常值電壓，閉環(huán)情況下驅(qū)動信號為常值電壓加隨機(jī)噪聲。隨機(jī)噪聲主要由衛(wèi)星顫振功率譜密度決定。

由于目前無法準(zhǔn)確給出圖像穩(wěn)定控制系統(tǒng)所在衛(wèi)星平臺的顫振功率譜密度，因此，采用歐洲航天局(ESA)的SILEX(Semiconductor Inter-satellite Laser Experiment)衛(wèi)星平臺振動功率譜密度模型，其解析表達(dá)式由(1)式給出。從歐洲航天局的OLYMPUS衛(wèi)星實(shí)測功率譜密度曲線[7]和美國宇航局(NASA)的LANDSAT-4衛(wèi)星實(shí)測功率譜密度曲線[8]可以看出，實(shí)測的功率譜密度曲線與SILEX模型曲線比較接近，因此，采用SILEX模型是合理的。

在已知隨機(jī)噪聲功率譜密度的情況下，可用白噪聲通過線性系統(tǒng)的方法產(chǎn)生此隨機(jī)信號，如圖4。線性系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)為:

采用Matlab中的IIR數(shù)字濾波器實(shí)現(xiàn)上述線性系統(tǒng)，再用高斯白噪聲通過該系統(tǒng)，輸出為所要求的擺鏡平臺驅(qū)動信號，將輸出存為數(shù)據(jù)文件。

圖4 擺鏡驅(qū)動信號產(chǎn)生方法Fig.4 Illustration of the method to generate drive signals for tip-tilt motions

根據(jù)空間天文望遠(yuǎn)鏡成像的工作情況，設(shè)定成像積分時(shí)間為1 s，主成像相機(jī)圖像讀出時(shí)間為10 s，擺鏡平臺以工作1 s停止10 s的方式周期性運(yùn)行，每個(gè)周期為11 s。為使試驗(yàn)加速進(jìn)行，將擺鏡平臺的停止時(shí)間縮短為1 s，運(yùn)行周期變?yōu)? s，試驗(yàn)加速了11/2＝5.5倍，如果兩年的壽命試驗(yàn)結(jié)束時(shí)擺鏡平臺仍能正常工作，認(rèn)為擺鏡平臺的壽命達(dá)到了11年。

為使擺鏡平臺驅(qū)動信號有更好的隨機(jī)性，用Matlab生成一個(gè)200 s的隨機(jī)噪聲，然后用一個(gè)方波取樣，得到一個(gè)斷續(xù)間隔為1 s的隨機(jī)噪聲信號，將此信號制成數(shù)據(jù)文件。圖5為生成的擺鏡平臺X軸和Y軸的驅(qū)動信號。將驅(qū)動信號數(shù)據(jù)文件輸入信號發(fā)生器，并運(yùn)行此文件，信號發(fā)生器輸出的信號經(jīng)過擺鏡驅(qū)動器放大后驅(qū)動擺鏡工作。

1.3 擺鏡平臺的監(jiān)視和測量

對于擺鏡平臺通過采集驅(qū)動器輸出的電壓監(jiān)視擺鏡平臺的工作狀態(tài)，通過測量擺鏡平臺臺面的位移或角度判斷其是否正常工作。

采用capaNCDT6500電容式位移傳感器測量擺鏡平臺位移，采用ZLM800雙頻激光干涉儀測量擺鏡平臺擺角?？刂朴?jì)算機(jī)定時(shí)采集擺鏡平臺位移測量數(shù)據(jù)。

1.4 擺鏡平臺測量數(shù)據(jù)的處理方法和失效判據(jù)

擺鏡平臺采用的是壓電陶瓷促動器，存在磁滯效應(yīng)和蠕動效應(yīng)，使得驅(qū)動電壓與擺鏡平臺位移或擺角成非線性關(guān)系，而且這種關(guān)系無法用解析式表達(dá)，采用比較擺鏡驅(qū)動電壓信號和測量所得位移或角度信號的方法判斷擺鏡平臺是否正常工作存在一定的問題。對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砜上艤?yīng)和蠕動效應(yīng)對數(shù)據(jù)比較的影響，避免上述問題。因此，試驗(yàn)采用實(shí)際測量數(shù)據(jù)間相對比較的方法判斷擺鏡平臺是否正常工作，具體過程如下所述。

擺鏡驅(qū)動信號是一個(gè)周期為200 s的信號，控制計(jì)算機(jī)每6 h采集一次位移傳感器的測量數(shù)據(jù)，每次采集的數(shù)據(jù)長度大于200 s，包含一個(gè)完整的周期，通過比較不同時(shí)間段采集的長度為一個(gè)周期的數(shù)據(jù)是否相同判定擺鏡平臺是否正常工作。對于周期信號中兩個(gè)長度為一個(gè)周期的信號段，如果它們的相位相同，則兩者之差為零，否則不為零。壽命試驗(yàn)在不同時(shí)間采集的200 s數(shù)據(jù)存在相位差，為了便于比較，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，先從采集的數(shù)據(jù)中提取一個(gè)200 s的數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行循環(huán)移位，使得它的相位與第1次采集的200 s數(shù)據(jù)的相位相同，循環(huán)移位量是通過計(jì)算兩組數(shù)據(jù)循環(huán)互相關(guān)函數(shù)最大值的位置得到的。

擺鏡平臺沒有通用的失效準(zhǔn)則，擺鏡平臺內(nèi)也沒有集成可測量PICMA位移和壓電性能的傳感器，因此，無法通過測量擺鏡平臺壓電性能物理量判斷平臺是否失效。目前是通過觀察每次采集數(shù)據(jù)的波形曲線，以及與第1次采集數(shù)據(jù)間差值方差曲線的變化范圍，設(shè)定一個(gè)閾值進(jìn)行判別的。

圖5 擺鏡平臺X軸和Y軸的驅(qū)動信號Fig.5 The drive signals for the motions of the X and Y axes of the tip-tilt platform

設(shè)Sk(n)為控制計(jì)算機(jī)第k次采集的數(shù)據(jù)，其中k＝1，2，…；n＝0，1，…，N－1；N＝200/ΔT，ΔT為位移傳感器測量數(shù)據(jù)采樣間隔，n≥N時(shí)，Sk(n)＝0，判斷擺鏡工作是否正常的數(shù)據(jù)處理算法如下:

對k≥2的Sk(n)

(1)計(jì)算S1(n)與Sk(n)的互相關(guān)函數(shù):

(2)計(jì)算互相關(guān)函數(shù)RS1Sk(m)的最大值:

(3)計(jì)算S1(n)與Sk(n＋m0)的差，并擬合為一條直線dfit(t)

(4)計(jì)算

(5)計(jì)算dk(n)的均值和方差:

(6)若k≥3，如果σk＜2σ2，認(rèn)為擺鏡平臺工作正常，若σk≥2σ2，則擺鏡平臺失效。

2 壽命試驗(yàn)初步結(jié)果和討論

擺鏡平臺壽命試驗(yàn)系統(tǒng)從2013年1月1日開始正式運(yùn)行，在擺鏡驅(qū)動信號的作用下擺鏡平臺連續(xù)不斷地?cái)[動，計(jì)算控制計(jì)算機(jī)控制capaNCDT6500位移傳感器和溫濕度傳感器每6 h采集一次位移數(shù)據(jù)和試驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度，試驗(yàn)已進(jìn)行了1年，采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。(a)樣本均值；(b)樣本方差；(c)試驗(yàn)環(huán)境溫度；(d)試驗(yàn)環(huán)境濕度Fig.6 Data collected in the test of the lifetime.(a)The mean displacements(of the platform plate)sampled on different days. (b)The rms displacements(of the platform plate)sampled on different days.(c)The environment temperatures of the platform measured on different days.(d)The environment humidity values of the platform measured on different days

樣本均值和方差為每次采集200 s位移信號的平均值和方差，圖6(a)和(b)給出了樣本均值和方差與采集時(shí)間的關(guān)系曲線。與采集的溫度與濕度曲線相比較，可以看出樣本均值曲線與溫度曲線有很好的對應(yīng)關(guān)系，溫度變化對樣本的均值和方差影響加大，主要原因是擺鏡放大器受溫度的影響較大，輸出信號隨溫度漂移，導(dǎo)致擺鏡平臺的位移隨溫度漂移。此外，測量位移的電容傳感器對振動非常敏感，整個(gè)試驗(yàn)裝置放在一個(gè)光學(xué)平臺上，沒有隔振裝置，試驗(yàn)期間在光學(xué)平臺下方的實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行改造施工，可能在數(shù)據(jù)自動采集期間剛好存在振動，產(chǎn)生較強(qiáng)的位移干擾信號，使得200 s位移信號的方差較大，圖6(b)和圖7(b)中的幾個(gè)跳變值屬于這種情況。

按照1.4中的數(shù)據(jù)比較算法計(jì)算所得結(jié)果如圖7。從圖7(a)可看出樣本與初始樣本差的均值在10－13μm的量級內(nèi)，非常小，說明擺鏡平臺位移性能沒有顯著變化。

圖7 位移測量數(shù)據(jù)間的比較結(jié)果。(a)樣本均值與初始均值差的均值；(b)樣本均值與初始均值差的方差Fig.7 Comparison between measured displacement data.(a)The mean displacement drifts(of the platform plate)sampled on different days.(b)The rms displacement drifts(of the platform plate)sampled on different days.A displacement drift is the deviation of a sampled displacement from the initially sampled mean displacement

利用(9)式計(jì)算得σ2＝0.042 μm，σk的最大值為0.066 μm，小于2σ2＝0.082 μm，因此，按照規(guī)定的判據(jù)擺鏡平臺工作正常。

3 結(jié) 論

通過對擺鏡平臺近一年的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析，根據(jù)擺鏡平臺失效判定準(zhǔn)則，擺鏡平臺一直處于正常工作狀態(tài)，按照試驗(yàn)所設(shè)定的加速模式，擺鏡平臺已等效正常工作近5.5年。根據(jù)目前得到的試驗(yàn)結(jié)果可以看出溫度對位移測量影響較大，在后續(xù)試驗(yàn)中考慮通過開啟實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空調(diào)將溫度控制在20℃左右，以消除溫度對壽命試驗(yàn)的影響。

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A Test of the Lifetime of a Tip-tilt Platform

Wang Jingyu1，2，Dai Yanfeng1，2，Jiang Aimin1，2
(1.National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China，Email:wangjingyu＠bao.ac.cn；2.Key Laboratory of Solar Activities，National Astronomical Observatories，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100012，China)

An imaging-stability control system is a key subsystem of a large-aperture space telescope.The system comprises a monitoring camera，a computation/control unit，and a correction unit.Both the monitoring camera and the computation/control unit are electronic systems.The correction unit comprises a mirror and a tip-tilt platform，which is the only moveable component in the system.The lifetime of the tip-tilt platform appreciably influences the lifetime of the entire system.We have designed and built a system to test the lifetime of a tip-tilt platform.The lifetime-test system consists of a tip-tilt platform，a platform-motion driver，a waveform generator(with output waveforms arbitrary)，a capacitive non-contact displacement sensor，a dualfrequency laser interferometer，and a control computer.Based on our analysis of the space environments and operation conditions for the tip-tilt platform，we have designed signals to drive the tip-tilt platform.These signals are periodic and are random within its period of 200s.To make the test of the lifetime accomplishable in a reasonable time，we have intentionally shortened the motion period of the tip-tilt platform by 5.5 times. Because there are hysteretic and creeping effects in the tip-tilt platform the relationship between the platform displacement and the drive-signal voltage is nonlinear.We propose a method of evaluating cross correlations between data sampled at different moments to nearly eliminate the influence of the nonlinearity in the statistical analysis of the data in the test.We use the method to compare displacements driven by the signals in different time periods to judge whether the platform works properly，with the criterion of failure of the platform being that the standard deviations of measured displacements exceed a large value.We present preliminary results of the ongoing test of the platform lifetime.The results show that the platform has been working without failure for one year.Taking into account the shortening factor of 5.5 of the motion period，we expect the results to be equivalent to proper running of the tip-tilt platform on a satellite for 5.5 years.We find that environment temperatures appreciably affect platform displacements.We plan to include temperature control in follow-up tests.

Tip-tilt platform；Test of the lifetime；Displacement measurement

TP273

A

1672－7673(2014)04－0410－07

2014－01－09；

2014－02－12

王景宇，男，研究員.研究方向:天文儀器與方法.Email:wangjingyu＠bao.ac.cn