用于測量圓頂視寧度的微溫脈動儀的研制

王紅帥，李 志，劉威衛(wèi)

(1.中國科學院國家天文臺云南天文臺，云南 昆明 650011；2.中國科學院研究生院，北京 100049)

大氣視寧度影響天文觀測的分辨率。為了獲得更好的成像質量，通常需要通過天文選址，將天文觀測設備放在大氣視寧度較好的地區(qū)。但如果天文建筑設計不當，造成的局部視寧度可能會比整層大氣所造成的像質衰減還要嚴重，也就無法體現(xiàn)出好的天文臺址和望遠鏡的效力。云南天文臺麗江2.4m望遠鏡的圓頂在設計時采取了許多措施來減少圓頂視寧度的影響，包括圓頂內強制通風、加開側窗、圓頂和觀測室加隔離層等。為了綜合考察這些措施的效果，需要能夠測量圓頂內不同位置大氣湍流的強度，得到溫度結構常數(shù)以及折射率結構常數(shù)的強度和分布情況。

大氣湍流的強度可以通過目視觀測衍射環(huán)、恒星閃爍、較差像運動測量儀(DIMM)、聲雷達等方法來測量[1]，但以上方法反映的是整層或高層大氣的湍流情況。對于近地面湍流，主要通過直接測量大氣的微溫脈動得到湍流強度。微溫脈動測量的常用手段是金屬絲微溫脈動儀和超聲風溫儀。前者常用鉑絲作為傳感器，具有響應速度快、線性度好、分辨率高、體積小、易損壞等特點。超聲風溫儀頻率響應快，工作穩(wěn)定，不易損壞，但容易受水平風速和濕度影響，且價格較高[2]?？紤]到測量裝置最終要放置在圓頂?shù)奶齑案浇约俺杀究刂疲瑳Q定采用金屬絲的微溫脈動儀。目前國內有安徽光學精密機械研究所[3]和北京大學制作過類似的儀器。

1 儀器原理

根據(jù)Kolmogrov湍流各向同性假設，當大氣中兩點之間的距離位于大氣湍流的慣性區(qū)時，其溫度結構常數(shù)滿足下列關系式：

CT2(r)=<[T(x)-T(x+r)]2>r-2/3.

(1)

其中T(x)、T(x+r)分別為空間兩點的溫度；r為二者之間的距離。

在光學波段，折射率結構常數(shù)和溫度結構常數(shù)的關系可表示為：

Cn2(r)=[79.2×10-6×P/T2]2CT2(r)

(2)

其中P、T分別是空間測量點的氣壓(mb)和絕對溫度(K)。

根據(jù)上面的公式，通過測量空間兩點的溫度差值(微溫脈動)、平均氣壓和平均溫度，可以得出折射率結構常數(shù)。在圓頂里面，望遠鏡前方光路的不同距離處，放置幾組傳感器，同時進行微溫脈動的測量，然后對折射率結構常數(shù)在光路上積分，最終可以得到圓頂內的大氣相干長度r0和FWHM。

(3)

FWHM=0.976λ/r0

(4)

h1,h2為傳感器離地面的高度。

2 儀器組成描述

本套儀器的特點是同時采集8個微溫傳感器的數(shù)據(jù)，存儲在各自的存儲器(64K)中，再由指令控制下分時傳送到主計算機，確保采集的同時性。該儀器由8個微溫傳感器、8個溫度傳感器和4個氣壓傳感器組成。這些傳感器分為4組，每組有2個微溫傳感器、2個溫度傳感器和1個氣壓傳感器。微溫測量采用20μm的鉑絲，長約15cm。溫度測量采用AD590M型溫度傳感器，分辨率±0.3℃。氣壓測量采用FKS-111型氣壓傳感器，分辨率±1Pa。每組兩個測量點之間的距離由實驗確定，使其位于湍流的慣性區(qū)。鉑絲傳感器通過電橋，放大，V/F轉換，單片機計數(shù)將溫度的變化量轉化為輸出頻率的變化。然后經串口通訊將測得的頻率傳輸?shù)絇C機。溫度和氣壓傳感器讀數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡進行AD轉換，原理如圖1。其中V/F轉換采用TC9401芯片，儀表放大器輸出的電壓作為V/F轉換的輸入端，通過調整參考電壓和電容，控制單位溫度變化對應的輸出頻率值。采用AT89S52單片機對輸出脈動進行計數(shù)。AD轉換采用PCI卡,型號為AC6622。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件分為PC機和單片機兩部分。

單片機中的程序主要測量頻率值，使用MCS-51匯編語言編寫。V/F轉換器TC9401的輸出范圍是0～100KHz。當輸出為100Hz時，每個脈沖周期為10μs。采樣周期取50Hz，這是由于鉑絲裸露在空氣中，工業(yè)電流在上面感應出了幅值約0.2mv，頻率50Hz的電動勢，因此需要取20ms的間隔去掉這個干擾。如果單片機直接對脈沖計數(shù)，單片機的晶振頻率為11.0592MHz，每個機器周期為1.085μs，在20ms的時間間隔內將會有一個計數(shù)脈沖的誤差，而1個計數(shù)脈沖最小為10個機器周期，這樣就損失了傳感器的分辨率。因此這里采用了一種新的方法，計數(shù)器的初值設為0FFH，工作方式2，自動重載，一個脈沖產生一次中斷，在中斷處理程序中利用一個寄存器來記錄脈沖的個數(shù)，計時器初值設為0。打開計數(shù)器，當?shù)谝粋€脈沖到來時產生中斷，打開計時器，返回。在接下來的中斷處理程序中，判斷計時器的值是否達到20ms，如果沒到，用來計數(shù)的寄存器加1，程序返回，繼續(xù)等待下一次中斷；如果計時器達到20ms，關掉計時器和計數(shù)器。利用此時的計時器的值以及計數(shù)的寄存器中脈沖的個數(shù)，就可以計算頻率值。

PC機上的數(shù)據(jù)采集軟件用VC++寫成，主要用于控制單片機和AD卡上的數(shù)據(jù)采集，為微溫脈動的數(shù)據(jù)采集提供控制信號和同步信號，并保存采集的數(shù)據(jù)。程序開始運行后，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和保存。

4 儀器定標

由于各個傳感器之間存在系統(tǒng)誤差，所以必須對它們進行定標。

對于溫度傳感器，在黃銅塊上鉆一些小孔，將每個要使用的AD590M傳感器編號并全部放在里面。傳感器的外殼采用導熱硅膠連接，以便更好地傳熱。傳感器外部封閉，將黃銅塊放到冰水混合物里，測量此時的讀數(shù)。然后將黃銅塊放到一個裝滿熱水的保溫瓶里，得出在熱水中的傳感器的溫度。通過計算，可得到不同輸出電壓對應的溫度值。

對于氣壓傳感器，由于傳感器本身精度可以達到1Pa，不必進行定標。

對于微溫傳感器，將傳感器放置于密閉的環(huán)境中，盡量減少空氣流動，在一系列不同溫度下分別測得輸出的頻率值，由于頻率輸出與溫度值成正比，對它們進行線性擬合，可以得到輸出頻率差值所對應的溫度變化值。

5 儀器測試

儀器制作完成后，在麗江2.4m望遠鏡圓頂內做了一個簡單測試。傳感器連續(xù)采樣一定個數(shù)的數(shù)據(jù)，完成后將數(shù)據(jù)傳給PC機，然后開始下一次的數(shù)據(jù)采集。經過測試，儀器能夠實現(xiàn)連續(xù)的自動觀測和數(shù)據(jù)傳輸。下面給出了放置在天窗附近的編號為3、4的兩個微溫脈動儀的幾組數(shù)據(jù)。橫坐標表示每次連續(xù)采集1000個數(shù)據(jù)，采樣間隔為20ms。

圖2 4月2日18：40所取得的數(shù)據(jù)，天窗關閉

圖3 4月2日20:21所取得的數(shù)據(jù)，天窗打開，望遠鏡在跟蹤觀測

圖4 4月2日22:38所取得的數(shù)據(jù)，天窗打開 3小時后

圖5 4月3日12:00所取得的數(shù)據(jù)，天窗打開

這兩個傳感器被懸掛于圓頂內天窗附近，高度距地面約8m，距天窗約2m，略偏離望遠鏡的光路，兩者之間間距1m。溫度值為經過定標以后的值?？梢钥闯鰞烧唛g有一定的溫差，說明距離已經超出湍流的慣性亞區(qū)，需要減小兩個傳感器之間的距離。

圖2為天窗還沒有打開時采集的數(shù)據(jù)，4號傳感器更靠近天窗，天窗縫里漏進來的冷空氣使得它的溫度略低。圖3為打開天窗40min后測得的數(shù)據(jù)，可以看出傳感器測得的數(shù)據(jù)波動加劇。圖4為天窗打開3h后的數(shù)據(jù)，溫度波動仍然比較厲害。圖5為第二天中午12:00測得的數(shù)據(jù)，天窗打開，兩者有一定的溫差，溫度波動也比較大。

6 一些經驗

在儀器制作和程序調試過程中，遇到了許多的問題，比較有代表性和參考意義的有以下幾點：

(1) 50Hz的工業(yè)電流在鉑絲傳感器上產生了電磁感應，使測得的頻率值有周期性的波動。如果望遠鏡運行，干擾更大(見圖3，數(shù)據(jù)有一些高頻的跳動)。可將鉑絲傳感器長度減小，這樣能夠有效減少電磁感應產生的噪聲，并保護鉑絲不受損壞。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸采用RS232C，發(fā)現(xiàn)當傳輸距離比較長時(約30m時)，波特率只能達到2400。因此將來考慮將RS232芯片換成RS485.

(3) 由于有多路數(shù)據(jù)同時采集和傳輸，因此連接線必須特別小心。連線的接口處要保持焊接良好。在圓頂內觀測時，由于圓頂轉動和風吹動，如果焊接不好，容易造成數(shù)據(jù)傳輸錯誤。

7 結束語

本套儀器調試成功后，將會根據(jù)運行的實際情況，對它進行不斷完善。在以后的實驗中，結合較差像運動測量儀，通過對兩者的觀測數(shù)據(jù)對比研究，將為研究天文建筑對視寧度的影響，提供有效的工具。

[1] 侯金良.天文選址的主要參數(shù)及測量方法[J].天文學進展，1994，12(2)：126-132.

[2] 杜金林,張宏升,張靄琛.鎢錸絲溫度脈動儀的制作與應用[J].氣象水文海洋儀器,2000,2:1-6.

[3] 吳曉慶,馬成勝, 翁寧泉,等.一種用于天文臺選址的氣象參數(shù)和大氣湍流測量系統(tǒng)[J].量子電子學報,2001,18(2):184-187.