O projeto
O projeto SAMplus consiste em um novo módulo de óptica adaptativa para o Southern Astrophysical Research Telescope, chamado pela sigla SOAR, telescópio que fica localizado no deserto do Atacama, no Chile.
Este projeto integra o projeto GMT (Giant Magellan Telescope), conduzido pela equipe do GMTBrO (Giant Magellan Telescope Brasil Office). O projeto foi realizado ao longo de seis anos, dentro do laboratório de óptica do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas da Universidade de São Paulo (IAG-USP). O objetivo do GMT é a construção do Gigante Magalhães, considerado um dos telescópios que fará parte da próxima geração de telescópios gigantes terrestres. Os resultados obtidos no projeto SAMplus serão fundamentais para os próximos avanços na óptica adaptativa do GMT, sendo estes avanços o que há de mais moderno na área. Ao longo do desenvolvimento, um amplo conjunto de profissionais contribuiu para o projeto, desde pós-doutorandos até bolsistas e técnicos em treinamento, além de renomados professores do IAG/USP e empresas associadas ao projeto.
Óptica Adaptativa
A óptica adaptativa é uma técnica utilizada em telescópios e sistemas de imagem para corrigir os efeitos da turbulência atmosférica. A turbulência atmosférica distorce a luz que passa através dela, resultando em imagens borradas e distorcidas, especialmente em telescópios terrestres. A óptica adaptativa compensa tais efeitos de distorção em tempo real, ajustando ativamente elementos ópticos, com espelhos deformáveis, para corrigir as distorções causadas pela atmosfera. Isso permite que os telescópios forneçam imagens mais nítidas e detalhadas de objetos astronômicos, melhorando significativamente a qualidade das observações.
No SOAR, a luz capturada passa por um “Shack Hartmann”, sensor composto pela câmera mais dispositivo com microlentes que cria subdivisões de imagem, também chamadas de sub aberturas. No novo sistema as subdivisões passam a ter, de matrizes 6×6 pixels para 8×8 pixels. São 255 sub aberturas adquiridas pelo sistema, das quais 176 são utilizadas para o controle dos 220 atuadores do espelho deformável. O WFS (Câmera OCAM2) realiza aquisições em 500 Hz mas seu hardware pode chegar à taxa de 2000 Hz de aquisição de quadros. No total, o loop de controle, com todos os cálculos (grande parte realizada no FPGA), ocorre dentro de um intervalo de 2 milissegundos.
O sistema realiza a divisão dos pontos de luz e aplica correções contrárias daquelas que causaram as distorções. Para que se alcance um nível de nitidez bom, são realizados inúmeros cálculos em uma fração de tempo muito pequena. Cálculos de centroides, erro padrão, integral, operações matriciais entre outros, são realizados por softwares com alto potencial de processamento. Assim, a qualidade da imagem é melhorada significativamente.
Veja no vídeo a seguir um pouco mais sobre o Sistema de controle de óptica adaptativa que foi implementado, assim como as tecnologias utilizadas.
Hardware
O SAMplus é uma evolução do Módulo Adaptativo Soar (SAM), integrando sistemas remanescentes juntamente com algumas substituições. O projeto apresenta uma nova estrutura de hardware, com destaque para a separação das tarefas em tempo real e as interfaces gráficas do usuário em dois computadores distintos. Enquanto o PXIe-8840 executa as tarefas em tempo real e envia os dados para as interfaces por meio de uma conexão de rede, outro computador se dedica exclusivamente à exibição das interfaces gráficas, permitindo, assim, uma representação mais rica sem comprometer o desempenho das tarefas em tempo real.
A imagem a seguir é do hardware PXI da NI, sendo testado no laboratório do SOAR:
O hardware do SAMplus inclui diversos componentes com características únicas, com destaque para o Sistema NI, sendo composto por:
- Chassi NI PXI 1082;
- Controlador NI PXIe 8840;
- FPGA NI PXIe 7976R;
- Placa de E/S Multifuncional NI PXIe 6363;
- 2 Placas de E/S Digitais e Contadores NI PXIe 6614;
- Placa NI PXIe 8431 RS422/RS485;
- Adaptador de módulo Câmera Link NI 1483.
O diagrama abaixo relaciona-se aos hardwares utilizados no projeto:
Software
O projeto SAMplus envolve o gerenciamento de logs, interface com usuário, telas de parametrização, protocolos de comunicação com dispositivos, cálculos específicos e otimização do processamento. Para isso ocorrer, há a operação de três softwares distintos em três dispositivos diferentes. A captura da imagem do sensor de frente de onda (protocolo CameraLink) e o loop de controle principal são realizados no FPGA (Field Programmable Gate Array), enquanto outros loops de controle, aquisição de dados e interfaces de hardware são gerenciados no software em tempo real, executado no controlador PXIe-8840 com o sistema operacional Linux-RT. Por outro lado, o software de Interface Gráfica do Usuário opera em um outro computador com o sistema operacional Windows.
A imagem a seguir demonstra as instâncias do projeto:
Em todas as partes do projeto foi utilizada a linguagem de programação gráfica LabVIEW. O sistema foi baseado em PXI com Real Time e FPGA da NI.
Interface Gráfica
Foram desenvolvidas telas de óptica adaptativa que permitem visualizar a imagem coletada pela câmera, ajustar ganhos de controle, rotinas de calibração das matrizes, além de ser possível a verificação da qualidade da atuação do espelho deformável.
SAMplus Supervisório
É interface principal. Exibe as informações gerais de toda a operação, de maneira organizada e com fácil visualização, que permite controlar e visualizar processos como: fluxo no WFS (Wave front sensor), uso de espelho deformável e status de hardware. É nesta tela que também ocorrem as chamadas de outras interfaces, permitindo então que sejam exibidos parâmetros mais específicos. Na interface principal estão presentes botões e visualizadores, como demonstra a imagem a seguir:
A seguir temos a visualização dos sensores do tipo APD (Avalanche Photodiodes), e os parâmetros de controle de TIP/TILT (movimentação do telescópio):
A seguir temos a visualização dos sensores do tipo APD, e os parâmetros de controle de TIP/TILT:
Equipe projeto SAMplus
A equipe atual do projeto é composta pelos físicos Me. Mario Celso Padovan de Almeida, também gerente do projeto; Dr. Tárcio de Almeida Vieira, cientista do projeto; e os engenheiros de controle e automação Me. Hugo da Silva Bernardes Gonçalves e Tommy Lazaneo Zirnberger, ambos responsáveis pelo desenvolvimento de software.
Para conhecer mais
Para conhecer mais sobre este projeto:
- Instagram GMT Brasil:
https://www.instagram.com/p/C5lpAjjNdC_/
- Site GMT | Gigante Magalhães Brasil – IAG :
- NOIRLab:
https://noirlab.edu/public/programs/ctio/soar-telescope/
- Site Inovação Tecnológica:
Para saber mais sobre este e outros projetos entre em contato.
Hugo Bernardes Gonçalves.
São Paulo, Junho de 2024
Atualizado em Março de 2025
