Jason Spyromilio,欧洲南方天文台
使用商用现成(COTS)解决方案,支持特大型望远镜主动自适应光学实时控制中的高性能计算(HPC)。
将NI LabVIEW图形化编程环境和多核处理器结合在一起,开发实时控制系统,证明COTS技术能够用于控制欧洲特大型望远镜(E-ELT)中的光学系统,目前E-ELT还处于设计和原型验证阶段。
欧洲南方天文台(ESO)是一家受到13个欧洲国家支持的天文研究机构,已经开发并部署了一些先进望远镜,可称得上是世界之最。我们机构目前在运营智利的安第斯山地区的三个站点:La Silla、Paranal以及Chajnantor天文台。采用高度创新的技术是我们一贯的坚持,例如在La Silla的3.6米望远镜上使用第一个通用用户自适应光学系统,在La Silla的3.5米新技术望远镜(NTT)上部署主动光学系统,以及在Paranal集成运用超大望远镜(VLT)和关联干涉仪。此外,我们还和北美、东亚的合作伙伴合作建立了阿塔卡玛大型毫米波阵(ALMA),它是一个耗资10亿美元的66天线亚毫米望远镜,计划于2012年在Llano de Chajnantor建成。
我们计划设计的下一个项目是E-ELT。这个主镜面直径达到42米的望远镜设计已经进入了B阶段,获得了1亿美元的初期设计和原型验证资金。在完成B阶段之后,预计会于2010年底开始建造。
42米望远镜吸取了ESO和天文界在主动、自适应光学与分节镜方面的经验。主动光学系统包含了传感器、执行器和控制系统,使望远镜能够维持正确的镜面形状,也就是正确的准直。我们可以主动维护望远镜的正确配置,减少光学设计中的残余像差,提高效率和容错性。这些望远镜在夜间每分钟都需要进行主动光学校正,因此成像只会受到大气效应的影响。
自适应光学系统使用相似的方法,在数百赫兹的频率下监测大气效应,并使用经过特殊加工的变形薄镜面加以校正。涡流尺度长度决定了这些可变形镜面上的执行器数量。波前传感器快速运行,对大气进行采样,将所有像差转换为相应的镜面动作指令。这就要求硬件和软件的速度要非常之快。
控制复杂的系统需要十分强大的处理能力。在过去,为了控制部署的系统,我们基于虚拟机环境(VME)实时控制开发了专用的控制系统,这样不但十分昂贵,还十分耗时。现在,我们与NI工程师们合作,使用COTS软件和硬件,设立E-ELT主分节镜(称为M1)的控制系统基准。我们还携手研究基于COTS的可能解决方案,用于望远镜自适应镜面实时控制(称为M4)。
M1是由984个六边形镜面组成的分节镜(图1),总直径达到42米,每个镜面的重量约为330磅,直径在1.5至2米之间。与之相比,哈勃空间望远镜主镜面的直径不过2.4米。E-ELT的单个主镜面就是世界上最大光学望远镜的4倍,并且还将与五个这样的镜面协同工作(图2)。
在M1操作中,相邻的镜面分节可能会相对于其他分节倾斜。我们使用边缘传感器和执行器支架来监测这种偏差,必要时,执行器支架可以向任意方向将分节移动3度。984个镜面分节由3,000个执行器和6,000个传感器组成(图3)。
系统由LabVIEW软件控制,必须读取传感器以确定镜面分节位置,如果分节发生位移,要使用执行器进行重新对齐。LabVIEW需要计算3,000×6,000的矩阵与长度为6,000的矢量积,并且每秒必须完成500至1,000次这样的运算处理,才能完成有效的镜面调整。
传感器和执行器还可控制M4自适应镜面。然而,M4是一个可变形的薄镜面,直径为2.5米,横跨8,000个执行器(图4)。它的问题与M1主动控制相似,但不必像M1一样保持形状不变,反而要根据波前成像数据的测量结果调整形状。波前数据映射到一个具有14,000个值的向量中,我们必须每隔几毫秒就对8,000个执行器进行一次更新,得到矩阵向量乘积,即8,000×14,000的控制矩阵与长度为14,000的向量之积。如果将该计运算处理难度提高到9,000×15,000的乘积,所需的运算处理能力大约相当于大型分节M1控制器的15倍。
从NI开始解决数学问题和控制问题起,我们就与他们达成了合作,建立高通道数的数据采集和同步系统。NI工程师们现在正在仿真布局,设计控制矩阵和控制循环。所有这些操作的核心是需要一个强大的LabVIEW矩阵-向量函数,可执行大规模运算处理。M1和M4控制需要很高的运算处理能力,为此我们使用了多个多核系统。由于M4控制代表了15个3,000×3,000子矩阵问题,我们需要15台机器,包含尽可能多处理核。因此,控制系统必须能够发出命令执行多核处理。而这正是LabVIEW使用COTS解决方案所提供的功能,从而为该问题的解决提出了很有吸引力的方案。
因为我们需要在实际建造E-ELT之前进行控制系统开发,系统配置可能会对远镜的部分建造特征造成影响。重要的是,我们要对这个解决方案执行彻底的测试,就像它在运行真正的望远镜一样。为了满足这个挑战的需求,NI工程师不仅实现了控制系统,还实现了一个能够对M1镜面进行实时仿真的系统,来执行硬件在环(HIL)的控制系统测试。HIL是一种在汽车和航空航天控制设计中常用的测试方法,通过使用精确的实时系统仿真器对控制器进行验证。NI工程师构建了M1镜面仿真器,能够响应控制系统的输出,并验证其性能。NI团队使用LabVIEW开发了控制系统和镜面仿真系统,并将其部署到运行LabVIEW Real-Time模块的多核PC上,确保执行的确定性。
在相似的实时HPC应用中,通信任务和计算任务是紧密相关的。通信系统中的故障会导致整个系统故障。因此,整个应用程序开发过程包含通信与计算的交叉设计。因为底层网络协议具有不确定性,NI工程师需要在整个系统的核心确立一个快速的确定性数据交换机制,因此当下即确定应用程序不能够依赖标准以太网进行通信。他们使用了LabVIEW Real-Time模块的定时触发网络功能,在控制系统和M1镜面仿真器之间交换数据,得到了速度高达36 MB/s的确定性网络。
NI开发了完整的M1解决方案,整合了两台Dell Precision T7400工作站(每个工作站都有八个处理核)以及一台提供了操作界面的笔记本电脑。该解决方案还包含了两个网络:一个用于将两个实时终端连接到笔记本电脑的标准网络和一个在实时终端之间进行I/O数据交换的1 GB定时触发以太网络(图5)。
在系统性能方面,我们了解到控制器在每个循环中,接收6,000个传感器值,执行控制算法来对齐分段,并且输出3,000个执行器值。NI团队创建的这个控制系统可实现这些结果,并且建立了一个模拟望远镜实际操作的实时仿真系统,称为“镜面”。 “镜面”会接收3,000个执行器输出,加上风力等表示大气扰动的变量,执行镜面算法仿真M1,然后输出6,000个传感器值完成循环。整个控制循环可在不到1 ms之内完成,足以满足控制镜面的要求(图6)。
NI工程师们为其矩阵-向量乘积所确定的基准如下:
M4用于抵消测得的大气波形像差,NI工程师们认为这个问题只能通过使用先进的多核刀片系统来解决。戴尔(Dell)公司邀请NI团队在其M1000(图7)上测试这个解决方案,取得了振奋人心的测试结果,这是一款具有16个刀片的系统。每个M1000刀片系统都包含八个处理核,这意味着工程师将LabVIEW控制任务分散在了128个处理核上。
NI工程师们证明了我们实际上可以使用LabVIEW和LabVIEW Real-Time模块实现基于COTS的解决方案,控制多核运算处理以获取实时结果。因为在性能上取得了突破,我们的团队在E-ELT实现方面为计算机科学和天文学不断设立基准,从整体上将进一步推动科学的进步。
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