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

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

一項(xiàng)革命性的技術(shù)：微快門

為了進(jìn)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(jì)劃發(fā)射下一代詹姆士韋伯（James Webb）太空望遠(yuǎn)鏡。在韋伯望遠(yuǎn)鏡上，NASA將采用新的材料來(lái)研制更大的光圈，采用最新技術(shù)采集微弱光信號(hào)，并在其中集成微快門陣列來(lái)同時(shí)獲取上百個(gè)光譜信號(hào)。其在多項(xiàng)研究功能上，都將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越著名的哈勃望遠(yuǎn)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(jì)上，能阻隔空間中離望遠(yuǎn)鏡較近的物體發(fā)出的多余光線，使來(lái)自遙遠(yuǎn)物體的光亮通過(guò)（想像你在強(qiáng)光下，瞇起眼睛看東西的情景）。這就使韋伯能對(duì)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(cè)到更久遠(yuǎn)的宇宙歷史。而韋伯運(yùn)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(hù)。

這項(xiàng)運(yùn)用在韋伯上的“微快門”技術(shù)，需要由上萬(wàn)個(gè)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(dú)立地打開或者關(guān)閉，以創(chuàng)建一個(gè)基于傳感器感興趣區(qū)域的圖像掩模。這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證都提出了極大的挑戰(zhàn)。在實(shí)際運(yùn)行的時(shí)候，當(dāng)被觀察物體存在的時(shí)候開關(guān)元件被打開，當(dāng)探測(cè)器中被觀察物體之間存在干涉和沖突的時(shí)開關(guān)元件被關(guān)閉。

NASA采用磁體來(lái)控制開關(guān)，當(dāng)磁體經(jīng)過(guò)開關(guān)元件表面的時(shí)候，開關(guān)被打開，同時(shí)，NASA在開關(guān)元件相應(yīng)的行列位置加上一個(gè)電壓，這樣當(dāng)磁鐵越過(guò)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(duì)這項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行了反復(fù)的測(cè)試，不斷進(jìn)行反饋與設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(cè)試方案

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

在NI團(tuán)隊(duì)的幫助下，他們最終采用的測(cè)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(tái)，用戶可以配置和運(yùn)行自定義的開關(guān)激勵(lì)程序并同時(shí)對(duì)于測(cè)試環(huán)境做監(jiān)視和控制。

微快門陣列測(cè)試系統(tǒng)：利用LabVIEW FPGA控制磁鐵運(yùn)動(dòng)與電場(chǎng)開關(guān)的精確同步

在一分鐘內(nèi)開啟和關(guān)閉所有62000個(gè)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(shí)間，降低開發(fā)成本

在NI LabVIEW平臺(tái)下，NASA完美的建立了測(cè)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(yáng)產(chǎn)生的熱擾動(dòng)因素也考慮在內(nèi)。在該環(huán)境中，利用LabVIEW FPGA及運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，可以達(dá)到對(duì)“微快門”復(fù)雜的開關(guān)陣列進(jìn)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(cè)試，又可以評(píng)估單個(gè)開關(guān)壽命，使“微快門”系統(tǒng)設(shè)計(jì)日臻完美。

帶有微快門技術(shù)的近紅外分光計(jì)使得科學(xué)家們能夠同時(shí)通過(guò)韋伯太空望遠(yuǎn)鏡分辨出數(shù)百個(gè)不同的光譜。這項(xiàng)新技術(shù)將保證NASA捕獲現(xiàn)今無(wú)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(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)能夠提供用戶可以自定義的測(cè)試步驟，并且可以以最小的工作量快速調(diào)試到不同的測(cè)試儀器中，幫助了NASA研究“微快門”的性能并驗(yàn)證其可行性。通過(guò)LabVIEW，NASA快速開發(fā)出模塊化的測(cè)試應(yīng)用，提供了充足的時(shí)間，并在開發(fā)的早期階段就能發(fā)現(xiàn)和診斷出問(wèn)題。

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

-David McAndrew,美國(guó)航空航天局

審核編輯 ：李倩