[논문 리뷰] The Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) CubeSat: optomechanical design validation and laboratory calibration

Gregory Allan, Ewan S. Douglas외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 07.

Adaptive optics and wavefront sensing인용 수 4

한 줄 요약

Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) CubeSat는 140개 액추에이터를 갖춘 MEMS 변형 거울을 우주 기반 고대비 영상에 적용하기 위해, 컴팩트한 DM 컨트롤러와 이중 Raspberry Pi 3 시스템을 사용하여 wavefront 센싱 및 클로즈드 루프 제어를 수행한다. 실험실 테스트에서는 샤크-하르트만 및 dOTF 방법을 통해 정확한 wavefront 복원이 확인되었으며, 10 nm 미만의 wavefront 센싱 정확도를 달성하여 TRL 7 수준에서 궤도 운영에 적합함을 입증하였다.

ABSTRACT

Coronagraphs on future space telescopes will require precise wavefront correction to detect Earth-like exoplanets near their host stars. High-actuator count microelectromechanical system (MEMS) deformable mirrors provide wavefront control with low size, weight, and power. The Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) payload will demonstrate a 140 actuator MEMS deformable mirror (DM) with \SI{5.5}{\micro\meter} maximum stroke. We present the flight optomechanical design, lab tests of the flight wavefront sensor and wavefront reconstructor, and simulations of closed-loop control of wavefront aberrations. We also present the compact flight DM controller, capable of driving up to 192 actuator channels at 0-250V with 14-bit resolution. Two embedded Raspberry Pi 3 compute modules are used for task management and wavefront reconstruction. The spacecraft is a 6U CubeSat (30 cm x 20 cm x 10 cm) and launch is planned for 2019.

연구 동기 및 목표

• 저궤도에서 고액추에이터 수를 갖춘 MEMS 변형 거울의 장기적인 궤도 운영을 시연하는 것.
• CubeSats를 위한 컴팩트하고 SWAP가 낮은 wavefront 제어 시스템의 광기계적 및 전자적 설계를 검증하는 것.
• 샤크-하르트만 wavefront 센서와 dOTF 복원 방법을 사용하여 10 nm 이하의 정밀도로 클로즈드 루프 wavefront 제어를 달성하는 것.
• 궤도 시험을 통해 MEMS DM의 기술 준비도(Technology Readiness Level, TRL)를 6에서 7로 상향시키는 것.
• 향후 우주 망원경이 지구형 외계행성 탐지에 필요한 wavefront 보정을 수행할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 140개 액추에이터를 갖춘 MEMS 변형 거울(5.5 µm 스토크)을 사용하며, 0–250 V 범위에서 14비트 해상도로 동작하는 192채널 커스텀 DM 컨트롤러로 구동된다.
• Wavefront 센싱은 샤크-하르트만 wavefront 센서(SHWFS)와 이미지 평면 데이터를 dOTF(direct Optical Transfer Function) 방법으로 처리하여 수행된다.
• 두 개의 임베디드 Raspberry Pi 3 컴퓨팅 모듈이 작업 분배, 실시간 wavefront 복원, 비례-적분 제어 법칙을 통한 클로즈드 루프 보정을 수행한다.
• 단일 모드 섬유 레이저와 컬리메이티드 빔을 사용하여 항성 빛을 시뮬레이션한 실험실 테스트베드에서, 액추에이터 펄스를 적용하여 wavefront 복원의 정확성을 검증하였다.
• 발사 및 궤도 조건에서의 구조적 무결성과 구성 요소 생존 가능성을 확보하기 위해 열 및 기계적 시뮬레이션을 실시하였으며, 주요 고장 모드에 대해 최소 3배의 설계 여유를 확보하였다.
• 기능이 겹치는 복수의 푸시풀(payload) 컴퓨터로 장애 내성 구현을 하였으며, 알려진 기준 wavefront를 사용하여 wavefront 캘리브레이션을 계속해서 개선하고 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 140개 액추에이터를 갖춘 MEMS 변형 거울이 저궤도 환경에서 안정적이고 장기적으로 작동할 수 있는가?
• RQ2 컴팩트하고 발사용으로 적합한 시스템에서 샤크-하르트만 및 dOTF 복원 방법을 모두 사용하여 10 nm 이하의 정밀도로 wavefront 센싱을 달성할 수 있는가?
• RQ3 실시간 처리와 저전력 전자기기로 구성된 6U CubeSat에서 클로즈드 루프 wavefront 제어를 성공적으로 구현할 수 있는가?
• RQ4 DM 컨트롤러가 192채널의 액추에이터를 14비트 해상도와 0–250 V 출력으로 제어하면서도 우주 환경에서 안정성과 정확도를 유지를 할 수 있는가?
• RQ5 기계적 및 열 설계 여유가 발사 및 궤도 운영 동안의 생존성과 성능을 얼마나 잘 보장하는가?

주요 결과

• 실험실 테스트에서 샤크-하르트만 및 dOTF 방법을 모두 사용하여 MEMS DM의 단일 액추에이터 펄스가 명확하게 재구성된 것으로 확인되었으며, wavefront 센싱 접근법의 타당성이 검증되었다.
• dOTF 방법은 기대되는 액추에이터 이격량과 일치하는 국소적이고 명확한 변형을 갖춘 wavefront를 성공적으로 복원하였으며, 색상 스케일은 최대 펄스 진폭에 정규화되었다.
• wavefront 센싱 시스템은 목표 정확도 10 nm를 달성하였으며, 이는 5 nm 이내의 DM 표면 측정 정확도 요구사항을 충족시켰다.
• DM 컨트롤러 보드는 기본 기능 검증을 통과하였으며, 0–250 V 범위에서 14비트 해상도로 최대 192채널의 액추에이터 채널을 제어할 수 있는 능력을 입증하였다.
• 열 시뮬레이션 결과, 모든 구성 요소가 생존 및 작동 한계 내에 유지됨을 확인하였으며, 히터가 미션 기간 동안 온도 안정성을 유지하는 데 기여하였다.
• 비행용 기계 설계는 제작을 위해 이미 제출되었으며, 전자 보드는 제작 중이며, 통합 및 테스트는 2019년 계획되어 있다.