太陽光譜輻照度儀波長掃描設(shè)計

王洋,李新,黃雄豪,劉恩超,張艷娜

(1中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院安徽光學精密機械研究所,中國科學院通用光學定標與表征技術(shù)重點實驗室,安徽 合肥 230031;2中國科學技術(shù)大學,安徽 合肥 230026)

0 引言

近年來,隨著大氣溫度、組成及其動力學相關(guān)測量工作的開展,太陽光子在大氣層面被吸收的理化過程正日漸清晰地呈現(xiàn)出來。隨著大氣模型的日益精確,太陽光譜輻照度作為重要的輸入因素之一,其測量不確定度方面的要求也隨之提高。不同于太陽總輻照度儀獲取太陽輻射總量的變化,太陽光譜輻照度儀分析太陽輻射能量在不同光譜波段內(nèi)的分布變化。精確測量各波段的太陽輻射光譜有助于提高各痕量氣體的反演精度,更準確地理解上述吸收過程,從而進行不同地物特征下的氣候效應評估[1]。因此,太陽光譜輻照儀在測量精度和穩(wěn)定性方面也具有較高的要求。

為實現(xiàn)太陽光譜輻射的高精度測量,太陽光譜輻照度儀采用光譜掃描結(jié)合單元探測器測量光譜輻射的方式,該方法具信噪比高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定、節(jié)省儀器空間等優(yōu)點。色散光譜的高精度測量需要精確的波長定位來保障,掃描機構(gòu)作為活動部件,對波長掃描精度、波長測量重復性以及長期運行的穩(wěn)定性均有顯著影響[2]。傳統(tǒng)的掃描結(jié)構(gòu)中多采用低速同步電機、步進電機等旋轉(zhuǎn)電機作為驅(qū)動裝置,具有機構(gòu)復雜、中間存在間隙、穩(wěn)定性低等缺點,難以實現(xiàn)高精度的掃描定位,并且體積和噪聲較大,不符合輕便化的需求[3]。綜合比較各類電機的功能與性能,最終選擇小型交流伺服電機作為掃描定位的驅(qū)動裝置,它是將超薄型的精密控制減速機Harmonic Drive和超扁平AC伺服電動機一體化的AC伺服執(zhí)行元件,具有體積小、精度高、無滯后等優(yōu)點。為實現(xiàn)高精度的掃描定位控制,采用基于微處理器的方法驅(qū)動CCD,并利用重心法進行質(zhì)心檢測,用于調(diào)整電機的旋轉(zhuǎn)角度,從而形成閉環(huán)控制。最后開展了掃描定位裝置的性能測試,確定掃描定位的精度。

1 基本原理與控制設(shè)計

1.1 測量原理與總體設(shè)計

太陽光譜輻照度儀由光譜測量單元和波長掃描單元組成。光譜測量單元用于實現(xiàn)棱鏡的分光和探測器的測量,波長掃描單元用于準確控制和獲取棱鏡旋轉(zhuǎn)角度。太陽光譜輻照度儀原理框圖如圖1所示,其中波長掃描單元是由入射狹縫、小型交流伺服電機、凹面反射鏡和線陣CCD組成。掃描定位結(jié)構(gòu)圖如圖2所示,棱鏡與凹面鏡共軸,電機帶動凹面鏡旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時,可以通過測量凹面鏡對入射狹縫成像光斑的線位移來確定電機旋轉(zhuǎn)的角度,從而可以獲得棱鏡旋轉(zhuǎn)的角度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單無間隙,電機所帶負載較小,保證了運行時的穩(wěn)定性與可靠性。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of system principle

圖2 掃描定位結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structurediagram of scanning and positioning

為了實現(xiàn)高精度掃描定位控制,利用STM32的微處理方式驅(qū)動線陣CCD工作,對CCD輸出信號進行A/D轉(zhuǎn)換,并計算狹縫成像光斑質(zhì)心位置。采用定時器主從方式控制電機旋轉(zhuǎn)角度,結(jié)合CCD檢測的質(zhì)心位置與預設(shè)位置的偏差調(diào)整電機的旋轉(zhuǎn)角度,形成閉環(huán)控制。

1.2 交流伺服電機的控制

為了滿足高精度、高分辨率、大行程和結(jié)構(gòu)簡單等要求,采用哈默納克的小型交流伺服電機作為掃描機構(gòu)的驅(qū)動。交流伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵,驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場,轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動。在選擇交流伺服電機時,主要考慮以下幾個參數(shù)[4]:1)分辨率:交流伺服電機輸出的軸分辨率取決于電動機軸編碼器4倍頻時的分辨率和減速比,本次選用電機的輸出軸分辨率為240000 p/rev,即1個脈沖轉(zhuǎn)0.0015?;2)定位精度:指在固定的旋轉(zhuǎn)方向上不斷進行定位,在各個位置計算相對于基準位置的實際旋轉(zhuǎn)角度與應旋轉(zhuǎn)角度之差;3)帶載能力:由于交流伺服電機具有較強的過載能力、較小的轉(zhuǎn)動慣量和較大的轉(zhuǎn)矩,而本系統(tǒng)帶載較小,故滿足要求。

綜合上述因素,最終選擇型號為FHA-8C-30-E200A-CK的交流伺服電機作為驅(qū)動裝置,其主要參數(shù)如表1所示。

表1 交流伺服電機的主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of AC servo motor

1.2.1 電機驅(qū)動設(shè)計

為更好地與交流伺服電機匹配,選擇美國Copley control公司生產(chǎn)的APM-090-30伺服驅(qū)動器,其內(nèi)部集成度高、穩(wěn)定可靠、操作方便。為使電機正常平穩(wěn)運行,驅(qū)動器需要與電機的參數(shù)進行配置。設(shè)置電機為數(shù)字量輸入、位置控制等,并進行關(guān)鍵的PID參數(shù)整定[5],伺服電機的PID參數(shù)整定主要包括電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)。PID參數(shù)的整定過程如圖3所示,根據(jù)工程上常用的試湊法,先整定內(nèi)部的電流環(huán),再依次整定速度環(huán)和位置環(huán)。

圖3 PID參數(shù)整定過程圖Fig.3 Diagram of PID parameter tuning process

依據(jù)驅(qū)動器手冊及接口板的定義,脈沖接收引腳和方向設(shè)置引腳依次為IN7、IN8,在驅(qū)動器接口處設(shè)計74AHC14施密特觸發(fā)器,外接10 k?的上拉電阻提升輸入電壓至+5 V。本次主控芯片是ST公司生產(chǎn)的STM32F103ZET6,其引腳設(shè)置為推挽輸出時電流最大可達20 mA,但引腳輸出電壓不能滿足驅(qū)動器引腳+5 V要求,故采用芯片74HCT245,將輸出電壓提高至+5 V,如圖4所示。

圖4 驅(qū)動接口電路設(shè)計Fig.4 Design of driver interface circuit

32CP1、32DIR1連接到STM32的PA6與PA7引腳。PA6、PA7分別對應STM32定時器3的CH1、CH2。在軟件上,需要給對應的脈沖口發(fā)送一定數(shù)量的脈沖。為使得脈沖發(fā)送的數(shù)量準確性高,采用主從定時器方式來發(fā)送PWM波,通過一個定時器觸發(fā)另一個定時器,該方法的優(yōu)點是控制精度高,不需要頻繁進入中斷而增加主控制器的負擔。其中發(fā)出觸發(fā)信號的定時器工作于主模式,接收觸發(fā)信號而啟動的定時器工作于從模式。本次采用TIM3為主模式,TIM1為從模式,程序上用TIM3設(shè)置頻率,TIM1設(shè)置脈沖個數(shù)。

1.2.2 波長閉環(huán)控制

電機輸出軸分辨率為240000 p/rev,可以計算出電機每接收到1個脈沖,旋轉(zhuǎn)角度為θ1=360?/240000=0.0015?。參考光路的光路圖如圖5所示。

圖5 參考光路圖Fig.5 Diagram of reference optical path

CCD距離凹面鏡的距離為400 mm,入射光經(jīng)過凹面鏡反射,設(shè)凹面鏡反射角為θ2,由于凹面鏡反射角是電機旋轉(zhuǎn)角度的兩倍,即θ2=2θ1=0.003?,電機每接收一個脈沖,其光斑在CCD上的移動距離為

單位為μm。TCD1703C的像元尺寸為7μm,即電機接收一個脈沖,約等于CCD的3個像元寬度。由于電機的精度為150 arc sec,通過理論計算,該精度下電機每次定位所帶來的最大偏差約為58μm,偏差較大,因此需要線陣CCD作為反饋實現(xiàn)波長閉環(huán)控制,控制框圖如圖6所示,其工作原理主要是比較兩個位置的信息:一個是實時測量的CCD光斑的質(zhì)心值,另一個是預先的設(shè)定值,計算兩者的偏差并轉(zhuǎn)換為脈沖,驅(qū)動電機進行調(diào)整,達到閉環(huán)控制的效果。

圖6 波長校準閉環(huán)反饋控制Fig.6 Closed-loop feedback control of wavelength calibration

1.3 線陣CCD信號采集與質(zhì)心檢測

CCD的信號采集系統(tǒng)主要由線陣CCD、控制電路和信號處理電路組成[6]。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖7所示,工作過程如下:ARM處理器產(chǎn)生驅(qū)動脈沖,通過電平轉(zhuǎn)換之后驅(qū)動線陣CCD工作,線陣CCD的光敏單元受光的激發(fā)產(chǎn)生電信號,在驅(qū)動信號的作用下輸出離散的模擬信號,將此信號經(jīng)過處理后進行A/D轉(zhuǎn)換,同時每接收完一幀CCD的數(shù)據(jù),計算出質(zhì)心位置,并通過上位機進行顯示。

圖7 CCD信號采集系統(tǒng)Fig.7 Signal acquisition system of CCD

1.3.1 線陣CCD驅(qū)動設(shè)計

目前市面上光學傳感器主要是CCD與CMOS兩種。與CMOS傳感器相比,CCD的優(yōu)勢在于靈敏度高、分辨率高以及噪聲小,但缺點在于功耗以及成本較高。由于高靈敏度以及分辨率可以提高定位精度,因此CCD更符合需求。通過調(diào)研和篩選,最終選用東芝生產(chǎn)的TCD1703C線性探測器,它是一種高靈敏度、低暗電流的圖像傳感器[7],具有7500個光敏單元,由7650個PN結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏單元陣列,其中前128個和后16個用作暗電流檢測,中間的7500個像元為有效光敏單元,每個有效光敏單元長度為7μm,感光陣列長度為52.5 mm。

圖8是CCD的時序圖,常用的CCD驅(qū)動方法主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動、可編程邏輯驅(qū)動以及微處理器軟件驅(qū)動等,其中直接數(shù)字電路驅(qū)動和可編程邏輯驅(qū)動的成本較高,需要與不同主控芯片進行轉(zhuǎn)換,集成度不高且體積較大。隨著微處理器技術(shù)的飛速發(fā)展,其性能也得到了提升,通過延時指令、定時中斷等軟件方式,經(jīng)過I/O口即可獲得CCD的驅(qū)動信號,這種方法靈活性好,電路集成度與可靠性高,控制方便,可移植性好。本設(shè)計采用ARM芯片STM31F103ZET6完成CCD的驅(qū)動工作。具體的時序分析如下:SH由PA15設(shè)置高低電平,?1E輸出占空比為0.5的PWM波,?2E、?2B與?1E的信號相反,可以通過反相器SN74LVC3G04取反得到。RS和CP分別由定時器8的Channel1、Channel2、Channel3、Channel4產(chǎn)生。由CCD驅(qū)動時序圖可以看出,在一個信號周期內(nèi)RS和CP信號要先上升后下降,也就是需要在一個周期內(nèi)產(chǎn)生低-高-低電平,而STM32定時器在一個周期內(nèi)只能產(chǎn)生高-低電平或者低-高電平[8]。因此設(shè)計用定時器的兩個通道輸出兩個有相位差的高-低電平,經(jīng)過異或門SN74LVC2G86來生成所需信號。設(shè)置TIM8工作在PWM1模式,自動重裝載值為71,4個通道比較值分別為36、42、46、52,其中RS由Channel1與Channel2經(jīng)過異或門得到,CP由Channel3與Channel4經(jīng)過異或門得到。A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)時序通過TIM5?Channel1產(chǎn)生,與CCD的輸出信號同步。STM32定時器產(chǎn)生PWM波,由Keil軟件內(nèi)部集成的logic analyzer進行仿真,如圖9所示。

圖8 TCD 1703C的時序圖Fig.8 Thetiming chart of TCD1703C

圖9定時器產(chǎn)生的PWM波形仿真圖Fig.9 Simulation diagram of PWM wave generated by timer

1.3.2 信號處理與采集

CCD驅(qū)動時序提供到TCD1703C中,可以輸出正確的信號。為了更好地完成阻抗匹配,選擇放大器TL072來實現(xiàn)信號的輸入阻抗匹配以及信號放大。TL072是一款具有低功耗、高輸入阻抗以及低噪聲的運算放大器,適合高保真和音頻前置放大器應用。電路設(shè)計如圖10所示,數(shù)模轉(zhuǎn)換工作采用STM32

圖10 輸出信號預處理電路Fig.10 Preprocessing circuit of output signal

內(nèi)部12位高速ADC完成,其采樣頻率可以達到MHz,滿足要求的同時簡化了電路設(shè)計。在進行探測器數(shù)模轉(zhuǎn)換時,將A/D轉(zhuǎn)換引腳與外部引腳連接,并在A/D觸發(fā)時序的下降沿時觸發(fā)外部中斷,在中斷處理函數(shù)中啟動A/D轉(zhuǎn)換,得到數(shù)字信號。A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號與CCD輸出信號如圖11所示,其中SIGN是CCD輸出信號,AD是轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號。

圖11 A/D觸發(fā)信號和輸出信號Fig.11 A/D trigger signal and output signal

1.3.3 光斑質(zhì)心位置檢測

為了獲得狹縫光斑成像對應的準確像元序號,需要對獲取的光斑進行中心位置計算,即質(zhì)心檢測。常用的光斑中心算法有最大值法、截止電壓法、重心法、高斯擬合法等,考慮本實驗光斑灰度值大,選用重心法最為簡單有效[9]。由于通常光斑在中心處亮度較高,為更準確找到質(zhì)心的同時減少計算過程,采用帶窗口的重心法,上位機接收的信號如圖12所示。

圖12 上位機接收波形Fig.12 Receiving waveform of upper computer

帶窗口重心法的具體處理過程如下:1)找到光斑位置對應的電壓最小值Vmin;2)截止電壓V=k1Vmax+k2Vmin,取k1=k2=0.5,得到截止信號N1、N2,構(gòu)建窗口[N1,N2];3)針對窗口內(nèi)的光斑,使用重心法計算光斑位置,計算公式可表示為

式中:X表示光斑質(zhì)心位置;xi為第i個像元位置;f(xi)是第i個像元的灰度值。

1.4 閉環(huán)控制流程

實際調(diào)試掃描機構(gòu)定位精度,通過界面顯示,在較短旋轉(zhuǎn)時間的情況下,精度可以達到預設(shè)點左右2個像元寬度。閉環(huán)反饋控制程序流程圖如圖13,設(shè)計程序執(zhí)行過程如下:1)程序初始化(TIMER、ADC、CAN),電機使能;2)判斷當前CCD的質(zhì)心位置與設(shè)定位置大小,由此讓電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)到達對應位置;3)利用CCD采集,計算電機旋轉(zhuǎn)后光斑在CCD上的質(zhì)心位置,若質(zhì)心位置與設(shè)定值的偏差小于2個像元寬度,則達到預期,單元探測器測量該對應位置的色散光譜輻射;若偏差超出2個像元寬度,反饋控制電機旋轉(zhuǎn),直至達到預期位置,完成對應位置的光譜輻射測量。

圖13 閉環(huán)反饋控制程序流程圖Fig.13 Flow chart of closed loop feedback control program

程序上設(shè)置預設(shè)質(zhì)心為0x060A,對應十進制在1546像元序號,若對應2個像元寬度偏差,則實際質(zhì)心應該在0x0608～0x060C,對應十進制是1544～1548,如圖14所示,像元序號隨電機轉(zhuǎn)動調(diào)整,最終像元序號為1547,滿足要求。

圖14 調(diào)試顯示質(zhì)心位置Fig.14 Debugging shows the position of centroid diagram

2 性能測試

2.1 光斑質(zhì)心位置重復性測試

為了使閉環(huán)控制精度滿足需求,需要根據(jù)線陣CCD上的光斑位置計算質(zhì)心,調(diào)整電機旋轉(zhuǎn)角度,從而達到閉環(huán)反饋控制的效果。重復性是指在相同測量條件下,對相同試樣連續(xù)進行多次測量后所得結(jié)果之間的一致性。重復性精度高可以減少因隨機性帶來的誤差,確保測量數(shù)據(jù)的準確性[10]。在同一位置下對CCD光斑質(zhì)心位置進行重復性測試,測試結(jié)果如圖15所示。

圖15 CCD光斑質(zhì)心位置重復性測試Fig.15 Repeatability test of CCD spot centroid position

根據(jù)測試結(jié)果計算其位置平均值為1622.53、最大值為1622.68、最小值為1622.38、標準差為0.0693,由此表明CCD像斑的質(zhì)心位置多次測試時變化較小,保證了測量結(jié)果的準確性。

2.2 波長掃描精度與穩(wěn)定性測試

波長定位掃描結(jié)構(gòu)需要滿足精度與穩(wěn)定性的要求。根據(jù)儀器的應用需求,儀器的波長精度需要優(yōu)于1 nm。為此在閉環(huán)反饋控制下,測試了波長掃描機構(gòu)長時間運行的穩(wěn)定性和精度,根據(jù)測試結(jié)果進行閉環(huán)控制,得到系統(tǒng)性能指標。測試結(jié)果如圖16所示,設(shè)定閉環(huán)反饋控制質(zhì)心預設(shè)位置在1000像元,系統(tǒng)運行時間為30 min。

圖16 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試Fig.16 Stability test of thesystem

2.2.1 波長掃描精度

光學元件棱鏡色散后的長度為34 mm,對應波長范圍是380～2500 nm,由于棱鏡色散的非線性,在1200 nm波長處的光譜分辨率最低,300μm狹縫對應的光譜帶寬小于40 nm,CCD像元寬度(7μm)對應的光譜帶寬小于1 nm。CCD像元質(zhì)心位置精度達到亞像元寬度,根據(jù)CCD質(zhì)心位置確定波長精度優(yōu)于0.1 nm。

2.2.2 波長掃描重復性

通過測試數(shù)據(jù),得到多次閉環(huán)控制后CCD的像元序號，其最大為1001.56、最小為998.52、平均像元序號為1000.25、標準差為0.74像元寬度,取多次掃描的標準差作為波長掃描重復性誤差。根據(jù)結(jié)果,波長掃描重復性誤差小于0.74 nm。

2.2.3 閉環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)指標分析

衡量閉環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)指標包括穩(wěn)定性、暫態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)誤差。在本系統(tǒng)中,將閉環(huán)系統(tǒng)進行長時間的測試,從測試的結(jié)果可以看出穩(wěn)定性較好。暫態(tài)性能主要是描述系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間、峰值時間和上升時間等參數(shù),由于在本系統(tǒng)中,電機每次轉(zhuǎn)到特定位置,其暫態(tài)系統(tǒng)參數(shù)均不相同。閉環(huán)控制的過程主要是為了找到設(shè)定位置點左右14μm的位置,當達到這個位置范圍內(nèi),電機停止運動,至此一個點的閉環(huán)控制過程完成。系統(tǒng)最終達到的閉環(huán)精度為2個像元寬度,可視為穩(wěn)態(tài)誤差,即穩(wěn)態(tài)誤差ess≤14μm。

3 結(jié)論

設(shè)計了基于小型交流伺服電機的精密掃描定位裝置。結(jié)合掃描定位的參數(shù)需求,選取小型交流伺服電機作為掃描機構(gòu)的驅(qū)動,同時利用入射狹縫、線陣CCD和凹面反射鏡建立參考光路,用于反饋電機實際的旋轉(zhuǎn)角度并與預設(shè)位置比較,從而進行偏差調(diào)整,實現(xiàn)掃描裝置的精確定位。針對線陣CCD的質(zhì)心位置檢測進行了重復性測試,計算出標準偏差為0.0693,像元漂移不超過0.3個像元寬度,保證了CCD質(zhì)心位置檢測的可靠性。此外,對掃描定位裝置的閉環(huán)控制也進行了測試,得到長時間運行的定位偏差在預設(shè)點左右2個像元寬度以內(nèi),驗證了其穩(wěn)定性,實現(xiàn)了掃描定位的微米級高精度設(shè)計需求。