基于LabVIEW的微快门测试方案

你的朋友圈被那张“宇宙大片”刷屏了吗？就是NASA韦伯望远镜的第一张全彩深空照片。

这是迄今为止观测到的最深的宇宙红外图像，韦伯太空望远镜装备了250,000多个微快门，用于观察数以千计的遥远星系。在微快门的性能验证上，NI LabVIEW大显身手！

一项革命性的技术：微快门

为了进一步深入研究大爆炸理论，帮助科学家们一窥宇宙起源，NASA计划发射下一代詹姆士韦伯（James Webb）太空望远镜。在韦伯望远镜上，NASA将采用新的材料来研制更大的光圈，采用最新技术采集微弱光信号，并在其中集成微快门阵列来同时获取上百个光谱信号。其在多项研究功能上，都将远远超越著名的哈勃望远镜。

其中，关键创新之一是“微快门”（Microshutter）技术的使用，它被使用在近红外分光计上，能阻隔空间中离望远镜较近的物体发出的多余光线，使来自遥远物体的光亮通过（想像你在强光下，眯起眼睛看东西的情景）。这就使韦伯能对宇宙早期形成的恒星和星系发出的微弱光线具备更好的聚焦功能，从而观测到更久远的宇宙历史。而韦伯运行轨道高度将数千倍于哈勃，几乎不可能派遣航天员维护。

这项运用在韦伯上的“微快门”技术，需要由上万个大小仅100×200微米（几根头发丝的宽度）的开关构成，它们可以独立地打开或者关闭，以创建一个基于传感器感兴趣区域的图像掩模。这对整个系统的设计、验证都提出了极大的挑战。在实际运行的时候，当被观察物体存在的时候开关元件被打开，当探测器中被观察物体之间存在干涉和冲突的时开关元件被关闭。

NASA采用磁体来控制开关，当磁体经过开关元件表面的时候，开关被打开，同时，NASA在开关元件相应的行列位置加上一个电压，这样当磁铁越过之后开关也能够被保持打开，而没有电压的开关则被关闭。

为此，NASA对这项新技术进行了反复的测试，不断进行反馈与设计改进，以充分确保其能顺利执行工作任务。

基于LabVIEW的微快门测试方案

NASA面临的测试挑战是：快速开发一种能够控制上万个微米级大小的开关部件（微快门）的灵活的测试系统。并且能够在上百万次的循环中进行数据记录，采集高分辨率的图像，并对整个测试环境进行监视与控制。

在NI团队的帮助下，他们最终采用的测试方案是：采用NI的基于FPGA和LabVIEW软件的方案，以LabVIEW为软件开发平台，用户可以配置和运行自定义的开关激励程序并同时对于测试环境做监视和控制。

微快门阵列测试系统：利用LabVIEW FPGA控制磁铁运动与电场开关的精确同步

在一分钟内开启和关闭所有62000个快门240次

如果系统不同步，在几分钟内就将造成快门的损坏

硬件采用带有FPGA的PXI R系列I/O模块

缩短开发时间，降低开发成本

在NI LabVIEW平台下，NASA完美的建立了测试所必须的太空仿真环境。由于能够很好的控制温度、压力条件，还可以把太阳产生的热扰动因素也考虑在内。在该环境中，利用LabVIEW FPGA及运动控制技术，可以达到对“微快门”复杂的开关阵列进行灵活、可靠的控制，再结合NI图像采集与处理技术得出判断结果。这样即能够一次性完成整体系统的测试，又可以评估单个开关寿命，使“微快门”系统设计日臻完美。

带有微快门技术的近红外分光计使得科学家们能够同时通过韦伯太空望远镜分辨出数百个不同的光谱。这项新技术将保证NASA捕获现今无法想像的数据，但却需要被证明具备足够的工作寿命。

自动化测试系统能够提供用户可以自定义的测试步骤，并且可以以最小的工作量快速调试到不同的测试仪器中，帮助了NASA研究“微快门”的性能并验证其可行性。通过LabVIEW，NASA快速开发出模块化的测试应用，提供了充足的时间，并在开发的早期阶段就能发现和诊断出问题。

自动化测试系统能够提供用户可以自定义的测试步骤，帮助我们研究“微快门”的性能并验证其可行性。通过LabVIEW，我们快速开发出了模块化的测试应用，给了我们足够的时间在开发的早期阶段就能发现和诊断出问题。

-David McAndrew,美国航空航天局

审核编辑 ：李倩