[论文解读] The Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) CubeSat: optomechanical design validation and laboratory calibration

Gregory Allan, Ewan S. Douglas+10 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2018

Adaptive optics and wavefront sensing被引用 4

一句话总结

Deformable Mirror Demonstration Mission (DeMi) CubeSat 验证了用于空间高对比度成像的140个促动器MEMS变形镜，采用紧凑型DM控制器和双Raspberry Pi 3系统实现波前传感与闭环控制。实验室测试证实，通过Shack-Hartmann和dOTF方法可实现精确的波前重建，波前传感精度达到亚10 nm，表明其已具备在轨运行能力，技术成熟度达到TRL 7。

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.

研究动机与目标

• 验证低地球轨道中高促动器数量MEMS变形镜的长期在轨运行能力。
• 验证适用于CubeSats的紧凑型、低SWAP波前控制系统在光学机械与电子设计方面的可行性。
• 通过Shack-Hartmann波前传感器与dOTF重建方法，实现亚10 nm精度的闭环波前控制。
• 通过在轨演示，将MEMS DM的技术成熟度（TRL）从6提升至7。
• 使未来空间望远镜能够实现探测类地系外行星所需的波前校正。

提出的方法

• 有效载荷采用140个促动器的MEMS变形镜，冲程为5.5 µm，由定制的192通道DM控制器驱动，工作电压范围为0–250 V，分辨率为14位。
• 波前传感通过Shack-Hartmann波前传感器（SHWFS）实现，图像平面数据通过dOTF（直接光学传递函数）方法处理。
• 两个嵌入式Raspberry Pi 3计算模块负责任务分配，执行实时波前重建，并实施比例-积分控制律以实现闭环校正。
• 系统在实验室测试平台上进行了测试，使用单模光纤激光器和准直光束模拟恒星光，通过施加促动器扰动验证波前重建性能。
• 通过热力与机械仿真确保在发射和在轨条件下结构完整性和部件生存能力，关键失效模式的设计裕量至少为3倍。
• 采用功能重叠的冗余有效载荷计算机实现容错能力，波前校准正通过已知参考波前进一步优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 140个促动器的MEMS变形镜能否在低地球轨道环境中实现稳定、长期运行？
• RQ2 在紧凑型、飞行合格系统中，能否通过Shack-Hartmann和dOTF重建方法均实现亚10 nm精度的波前传感？
• RQ3 能否在6U CubeSat上成功实现闭环波前控制，具备实时处理与低功耗电子系统？
• RQ4 DM控制器能否在空间环境中稳定、精确地驱动192个促动器通道，实现14位分辨率和0–250 V输出？
• RQ5 机械与热设计裕量在多大程度上确保了发射与在轨运行期间的生存能力与性能？

主要发现

• 实验室测试证实，使用Shack-Hartmann和dOTF方法重建的波前中，单个促动器扰动的信号清晰可见，验证了波前传感方法的有效性。
• dOTF方法成功重建了具有明显、局部变形的波前，其形态与预期的促动器位移一致，颜色标度已归一化至最大扰动幅度。
• 波前传感系统实现了10 nm的目标精度，满足5 nm MEMS DM表面测量精度的要求。
• DM控制器电路板通过了基本功能检测，证明其具备在0–250 V电压范围内以14位分辨率驱动最多192个促动器通道的能力。
• 热仿真结果表明，所有部件均处于安全与工作温度范围内，任务期间加热器可维持温度稳定性。
• 飞行机械设计已送至制造，电子电路板正在加工中，集成与测试计划于2019年进行。