低温レーザー干渉計CLIO(28) デジタルシステムの導入III

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1 低温レーザー干渉計CLIO(28) デジタルシステムの導入III
2010/3/22(木) 日本物理学会2010年次大会 於　岡山大学 宮川　治、大石奈緒子（東大宇宙線研）、 辰巳大輔（国立天文台）、 和泉　究（東大天文）、 新井宏二（Caltech） CLIO collaboration 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

2 多自由度で複雑な制御を必要とするLCGTでは
本研究の目的 多自由度で複雑な制御を必要とするLCGTでは デジタル制御は必須である LCGTと同じような制御帯域幅であるCLIOにデジタル制御システムを導入し、実際の干渉計で稼働することにより、デジタル固有の技術を蓄積する CLIOの感度向上のための期間短縮に貢献する デジタルシステムのLIGOグループとの共同開発により、国際協力体制を築く LCGT建設時にスムーズにデジタル制御を導入できるようにする 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

3 CLIOデジタルシステムの稼働状況 CLIOでデジタルシステムが稼働し始めた MCのアラインメント信号の取得 ピコモータードライバ
Per Armのロックアクイジション（透過光による線形化、閾値によるトリガー） Local SPIの制御→斉藤君のトーク を約2週間の間で実施した。明らかに作業効率が上がっている。 麻生氏(3月、4月)、Stefan Ballmar氏(4月)のCLIO訪問など、デジタルシステムを通した他機関との協力体制もできつつある LCGT R&DをまとめるPLUS計画では、低温（サファイア）、RSE、防振の三大重点R&Dをつなぐ重要開発項目としてデジタルの開発を推進していくことが決定 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

4 EPICS 主にスイッチ (gain, filter設定)
CLIOデジタルシステムの概念図 干渉計 サンプリングレート16kHzで走るリアルタイムコアの速いループが常に動いていて、そこに負担をかけないFrame Builderを使った速いアクセスと、EPICSを使う主にモニター用の遅いアクセスがある 別に用意したモニタ用PCからTCP/IPネットワークを通してデータ、制御にアクセス このシステムの一番の肝は、干渉計制御に非常に便利なヒューマンインターフェースを提供することである PD等各種センサー SUS等各種アクチュエータ whitening 16kHz loop dewhitening Real time PC AA AI ADC DAC 共振器長制御 Suspension control 角度制御 EPICS　主にスイッチ (gain, filter設定) Frame Builder 主にリアルタイムデータ 64Hz 16kHz TCP / IP Data storage 16kHz full data(数日) 1second data 1minute data（永久） PC PC PC PC JGW-G10000xx 2010/3/5 重力波研究交流会 宮川　治

5 実際の導入の流れ ハード(前回までの発表) ソフト(今回の発表)
計算機のセットアップ (Linux+リアルタイムコード+EPICSなどの各種ソフト) PCIe拡張ボックスにADC/DACカードをのせる タイミング信号によるカードの同期 Anti Aliasing/Anti Imaging, whitenng/dewhiteningなどの回路の準備 ソフト(今回の発表) 制御対象にあわせたリアルタイムコードを書く (Matlab上) MEDM（制御を見渡すためのGUI）画面を作る 制御対象の入力信号（ADC）と出力信号（DAC）を配線をして、実際の制御をかける 各種測定、パラメータの調整、自動化など 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

6 Pictures Anti Imaging filters timing Differential receiver DAC adapter
driver Anti Alias filters ADC adapter Real time PC CentOS 5.2+real time kernel 4core x 2 Xeon PCIe接続 Timing slave board ADC/DAC In Expansion Chassis To ADC adapter ADC:32ch/枚、$4K DAC:16ch/枚、$3.5K Binary Output:32ch/枚、$250 From DAC adapter To NIM modules 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

7 Real time code on Matlab, Simulink
test DAC 光路長 制御 ADC Laser MC LSPI Alignment 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

8 Real time code on Matlab, Simulink
Feedback filter test 誤差信号 反射光量 線形化と 閾値による トリガー Input Matirx Output Matirx 透過光量 Suspensions 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

9 MEDM --Length sensing and control system
D/A Feedback filters Output to suspensions Demodulated signal from PD mixer A/D 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

10 透過光最大時の1%を超えると制御信号を出す
線形化と、閾値によるトリガー test 誤差信号 割り算 反射光量 透過光量 透過光最大時の1%を超えると制御信号を出す ロックすると１になるようにPDのゲインを調整 ロックしたときに、割り算した信号と生の信号のゲインが同じになり、切り替えが容易になる 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

11 END デジタル上の信号 生の誤差信号 反射光 線形化した誤差信号 透過光
演算した信号を含むこのような信号を、計算機上で過去にさかのぼって、直接見ることができる END 生の誤差信号 反射光 線形領域は １０倍程度に拡大 線形化した誤差信号 透過光 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

12 Digital Filterの設計: 腕ロックfilter

13 END Per arm lock 反射光 線形化した誤差信号 透過光
定量的な評価はしていないが、ロックまでの時間は短くなり、復調位相のずれなどに対する耐性も上がった 線形化信号→生の誤差信号への切り替えも容易 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

14 Open loop TF for Digital vs. Analog
Analog(緑)は普段CLIOの感度を測定している状態でとったもの Digital(青)とはアナログで制御した中に、伝達関数1のデジタルシステムを挿入して、デジタル上のExcitationの加算器の前後で測定したもの デジタルの方は時間遅れから来る位相遅れが加わっているのがわかる 実用的なUGFは400Hz程度 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

15 MCのミスアラインメント検出 END 90度位相がずれた sin波を出すLO Phase shifter MC endを例えば
Yawに5Hzで揺らす MC透過光量 復調した誤差信号の モニター（将来的には フィードバックする） 透過光量を復調する ミキサー 10Hzで揺れる （5Hzは出ない) Yaw 透過光量 5Hz Yawに5Hzで揺らす 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

16 ミスアラインメントに応じた誤差信号（含方向）の取得
ミスアライン時 （エラー信号大） アライン時 アライン時 （エラー信号小） このようなエラー信号をピコモーター用ドライバを介して鏡に返すことで、アラインメントの自動化が実現できる(4月予定) 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

17 Local SPIの制御 END 昼位から30分くらいで作リ、午後には、ロックまでこぎついた。ゲインの微調整ができるので、最適なパラメーターに持っていきやすい。 　→詳しくは斉藤君のトーク Lasers Coil Magnet Actuators cryo base Mirror Active Mirrors PBS 信号 混合 PDs upper mass Mirror 信号 混合 並進用 フィルター 並進用 フィルター 足し算信号 （並進成分） 引き算信号（Yaw成分） Yaw用 フィルター Yaw用 フィルター 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治

18 LCGTに向けて 大型化にともない、いくつか開発しなければならない技術がある（LIGOでも未解決） 今回のCLIO1st の規模
Endまで届けるのに必要 PCIe switch Optical adapter Optical cable Timing master/slave 複数台の計算機をつなぐのに必要 Myrinet switch? Kmクラスの接続 Reflective memory? 大容量データストレージ

19 Summary Mass loopのロックに関してはほとんど問題なく動作することが分かり、LIGOデジタル制御システムの性能がCLIOでも確かめられた アナログのCLIOの感度をデジタル制御で出すことが、次の当面の、かつ一番重要な目標である アラインメントに関しても、ピコモーター用ドライバの開発に成功し、CLIOの現システムを利用して将来的に自動化までできる可能性が高まった 今一番苦労しているビームセンタリングの自動化までできるとCLIOでの実用度が一気に高まってくる LSPIへの応用など、チャンネル数さえ確保できれば、R&D的なものへの応用も可能であることが実証できた LCGTのプロトタイプとして開発を続けていくことが大切である 2010/3/22 日本物理学会於岡山大学, 宮川　治