太陽(yáng)閃爍儀設(shè)計(jì)*

楊畫桔，許 駿，許 光，李雪寶，鄭艷芳，黃善杰

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011; 2. 中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049)

測(cè)量夜間的視寧度可以利用測(cè)量夜間恒星的閃爍效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，同理白日視寧度也可以通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)的閃爍效應(yīng)實(shí)現(xiàn)[1-2]。但是太陽(yáng)是一個(gè)面源，閃爍效應(yīng)是由許多獨(dú)立子源平均的結(jié)果，一般認(rèn)為太陽(yáng)的閃爍效應(yīng)被整個(gè)大氣平滑而不易測(cè)量。美國(guó)國(guó)立太陽(yáng)天文臺(tái)的J Beckers教授及其同事用一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)閃爍的測(cè)量，在了解這個(gè)裝置的工作原理并參考國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)[3]之后，經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，制作了這樣一臺(tái)太陽(yáng)閃爍儀，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試，得到了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 原 理

中國(guó)科學(xué)院云南天文臺(tái)的劉忠研究員和美國(guó)國(guó)立太陽(yáng)天文臺(tái)的J Beckers教授在撫仙湖老鷹地為1 m紅外太陽(yáng)塔選址時(shí)，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)的閃爍和視寧度有很好的相關(guān)關(guān)系[4]：

(1)

(2)

α和(1-α)分別是靠近地面的大氣和稍高層大氣對(duì)視寧度的影響系數(shù)，其中α的范圍在0到1之間，對(duì)于山地環(huán)境和湖泊環(huán)境其值變化規(guī)律不同[4]，可以聯(lián)合太陽(yáng)差分像運(yùn)動(dòng)監(jiān)視儀(Solar Differential Image Motion Method, SDIMM)實(shí)測(cè)對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)。從(2)式可以看出，如果測(cè)定了σ1的大小，就可以大致估計(jì)近地面大氣視寧度參數(shù)r0的值。

2 硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)閃爍儀的硬件設(shè)計(jì)主要分3部分：光電信號(hào)轉(zhuǎn)換部分、濾波器部分和信號(hào)采集傳輸部分。

硬件電路的基本構(gòu)成是：光電二極管將太陽(yáng)光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，由電流電壓變換電路得到一個(gè)隨太陽(yáng)光強(qiáng)變化而線性變化的電壓。由于需要記錄太陽(yáng)相對(duì)亮度漲落的均方根值，而太陽(yáng)光強(qiáng)信號(hào)是直流分量與交流信號(hào)的疊加，因此設(shè)計(jì)了有源濾波器將電壓信號(hào)中的直流分量與交流分量分離出來(lái)，通過(guò)模擬通道選擇器后輸入到14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)中進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集處理，得到帶正負(fù)號(hào)的字符型數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)中的接收程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行接收保存。整個(gè)流程如圖1。

圖1 太陽(yáng)閃爍儀原理

Fig.1 Principle of the solar scintillometer

2.1 光電信號(hào)轉(zhuǎn)換部分

光電二極管可以將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。針對(duì)太陽(yáng)閃爍的特性，選擇了日本濱松公司生產(chǎn)的S1227-1010BR型硅光電二極管。它的響應(yīng)頻率高、線性度好，接收面積為10 mm×10 mm，能很好地符合探測(cè)太陽(yáng)光強(qiáng)閃爍的要求。

光電二極管裝在金屬圓筒內(nèi)，圓筒開(kāi)口處被濾光片和毛玻璃覆蓋，使得一定波長(zhǎng)的入射太陽(yáng)光可以均勻地照射在探測(cè)器接收面上。其引腳由Q9接頭引出，通過(guò)屏蔽線與采集電路連接，減少外部信號(hào)的干擾。

根據(jù)光電二極管的特性，在特定光強(qiáng)的照射下，會(huì)產(chǎn)生特定的反向電流I。這個(gè)電流信號(hào)為毫安級(jí)別，為了方便信號(hào)處理，需要通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路將光電二極管的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為放大的、具有線性關(guān)系的電壓信號(hào)。具體電路如圖2，從中可以推導(dǎo)出Vout=-I(R1+Rv)，通過(guò)改變電位器Rv的大小，可以將Vout的值調(diào)整到模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片的輸入電壓范圍內(nèi)，防止信號(hào)失真。

2.2 濾波器部分

圖2I/V轉(zhuǎn)換電路

Fig.2I-to-Vcircuit

電流電壓轉(zhuǎn)換電路得到的隨太陽(yáng)光強(qiáng)變化而變化的電壓信號(hào)既包含直流分量又包含交流分量。從前面知道，測(cè)量太陽(yáng)相對(duì)亮度漲落方差需要得到交流分量與直流分量之比。因此需要在電路中加入有源濾波器將其中的直流分量與交流分量分離。從相關(guān)文獻(xiàn)中了解到只需留下頻率在0.1 Hz到700 Hz左右的交流分量和頻率低于0.3 Hz的直流分量[3]。

太陽(yáng)閃爍造成的交流分量幅度最大僅有直流分量幅度的0.2%，十分微弱，不方便檢測(cè)。因此交流分量濾波器設(shè)計(jì)成帶有放大倍數(shù)的四階有源帶通濾波器,頻率響應(yīng)曲線如圖3(a)。濾波電路采用Filterlab軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通帶頻率為0.13 Hz到670 Hz，從I/V轉(zhuǎn)換電路來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波電路之后，直流分量被濾除，只剩下交流分量，在此過(guò)程中信號(hào)被放大113倍，從輸出端輸出到后級(jí)的模擬通道選擇器。

直流濾波使用的是二階低通有源濾波器，頻率響應(yīng)曲線如圖3(b)，其-3 dB截止頻率為0.32 Hz。直流分量的幅值較大，為了能夠使其范圍在模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片的輸入范圍之內(nèi)，在直流分量濾波電路后端加入了反向比例運(yùn)算電路，將其幅值縮小為四分之一后再輸入到模擬通道選擇器，具體電路如圖3(c)。

模擬通道選擇器選用的是MPC508A，如圖3(c)，它有8個(gè)通道，其中只使用1、2兩個(gè)通道即可。單片機(jī)通過(guò)A0端和EN端控制模擬通道選擇器選擇導(dǎo)通直流分量或交流分量以獲得想要輸出的電壓信號(hào)。模擬通道選擇器本身有1 kΩ的阻值，為了和后端的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片電阻匹配，在輸出端加入了一個(gè)電壓跟隨器，得到的輸出電壓out_AD輸入到采集電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片輸入端。

2.3 信號(hào)采集傳輸部分

從帶通濾波器出來(lái)的電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，通過(guò)14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，由單片機(jī)進(jìn)行讀取，處理成字符型的數(shù)據(jù)后通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。由于采用的是14位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，采集的數(shù)據(jù)有正負(fù)之分，因此接收的數(shù)據(jù)范圍是-8 191到+8 191。

14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片是TI公司生產(chǎn)的AD7894BR-3，8腳SOIC封裝。采用5 V單電源供電，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至5 us一次，含片上采樣保持放大器，數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制補(bǔ)碼的方式通過(guò)串行接口輸出。輸入電壓范圍在-Vref與+Vref之間，適合采集從濾波器中出來(lái)的正負(fù)電壓信號(hào)。在此設(shè)計(jì)中Vref是2.5 V，由REF3125芯片產(chǎn)生并接到AD7894BR-3的參考電壓輸入端。

單片機(jī)輸出的是生存時(shí)間(Time To Live, TTL) 電平，上位機(jī)是RS232電平，兩者之間不匹配，必須通過(guò)MAX232芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換才可以和上位機(jī)進(jìn)行串口通信，所以在硬件電路中加入了MAX232芯片。詳細(xì)的采集電路如圖4。

濾波電路的模擬通道選擇器端口出來(lái)的電壓信號(hào)out_AD從VIN口進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換被單片機(jī)采集處理之后從串口發(fā)送。

單片機(jī)采用的是Atmel公司的51系列單片機(jī)AT89C2051，20個(gè)引腳，含有一個(gè)串口模塊，非常適合本設(shè)計(jì)的使用要求。

圖3 濾波電路

Fig.3 Filter circuit

圖4 采集發(fā)送電路

Fig.4 Sampling and transmitting circuits

單片機(jī)采集程序流程如圖5。單片機(jī)初始化結(jié)束之后等待10 s使電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，之后如果接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的開(kāi)始采集的命令‘K’，則開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。在采集的過(guò)程中，如果接收到停止采集的命令‘G’，就停止采集，進(jìn)入到等待下一次開(kāi)啟命令的狀態(tài)。其中需要說(shuō)明的是當(dāng)間隔20 ms到了之后先采集交流電壓緊接著采集直流電壓。采集的方式是對(duì)同一電壓連續(xù)進(jìn)行4次采集，然后對(duì)采集的數(shù)據(jù)求平均，這樣做一方面采集頻率是50 Hz，可以有效地減少工頻干擾；另一方面求平均也可以有效地抑制異常信號(hào),減小噪聲。而且交流電壓與直流電壓交替采集不只方便了后期的數(shù)據(jù)處理，也保證了得到的太陽(yáng)相對(duì)亮度具有實(shí)時(shí)性。

2.4 電源

電路中總共有3組不同的電壓：+5 V、+12 V和-12 V。其中運(yùn)算放大器TL084由+12 V和-12 V 雙電源供電，其它芯片由+5 V供電。電路只使用一個(gè)變壓器從220 V電壓得到+5 V電壓，然后通過(guò)一個(gè)直流/直流模塊(NR5D12/300C)將變壓器出來(lái)的+5 V電壓變換為+12 V和-12 V，每一路電壓都通過(guò)濾波電容之后再給各個(gè)器件供電，各器件電壓輸入端應(yīng)接有0.1 uf去耦電容，這樣做可以有效濾除電壓中的毛刺，減小電路噪聲。

圖5 MCU程序流程圖

Fig.5 Flowchart of the MCU program

2.5 屏蔽

電流電壓轉(zhuǎn)換電路和有源帶通濾波器均引入了放大倍數(shù)，前端極其微弱的干擾信號(hào)到了模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入端都有可能被放大上萬(wàn)倍，因此整個(gè)電路板做好之后必須采取相應(yīng)的屏蔽措施：將電路板放在金屬盒子之中且其地端要和盒子相連；電路板和探測(cè)器(光電二極管)之間也必須由屏蔽線進(jìn)行連接。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)表明，采取這些措施之后，電路的干擾可以明顯減弱。

3 接收軟件

上位機(jī)只需要給單片機(jī)發(fā)送開(kāi)啟‘K’和關(guān)閉‘G’的命令并將單片機(jī)串口發(fā)送的數(shù)據(jù)接收保存，沒(méi)有很特殊的操作，因此選擇了“串口調(diào)試助手V3.6”。它可以將數(shù)據(jù)邊接收邊保存成文本文件(Text File, TXT)，十分方便于后期的數(shù)據(jù)處理。

4 測(cè)試結(jié)果

2011年9月1日上午和下午在澄江撫仙湖太陽(yáng)塔進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，通過(guò)Matlab對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的處理。采集的數(shù)據(jù)如圖6(a)、(b)，其中需要說(shuō)明的是每幅圖的上方都是直接獲得的交流電壓與直流電壓數(shù)字量之比，也就是太陽(yáng)相對(duì)亮度值，每幅圖的中間都是每3 000個(gè)點(diǎn)(1 min)做一次相對(duì)亮度均方根值得到的百分比閃爍數(shù)據(jù)，而每幅圖的下方是由此估計(jì)的ro值。

從圖6(a)可以看出9月1日上午10∶20～11∶20太陽(yáng)相對(duì)亮度漲落百分比在0.05%和0.15%左右，近地面大氣視寧度參數(shù)ro平均值大約是6 cm。而圖6(b)顯示下午15∶10～15∶55太陽(yáng)相對(duì)亮度漲落百分比在0.02%到0.06%之間，近地面大氣視寧度參數(shù)ro平均值大約為9 cm。

ro的準(zhǔn)確性依賴于理論(2)式中α值的大小。α值在一天當(dāng)中是不斷變化的[4]，要想準(zhǔn)確地得出一天當(dāng)中α值的變化規(guī)律，必須聯(lián)合太陽(yáng)差分像運(yùn)動(dòng)監(jiān)視儀，通過(guò)二者的同時(shí)測(cè)量，得到α值在不同時(shí)間的變化規(guī)律，才能有效地估計(jì)ro。

圖6 測(cè)試結(jié)果

Fig.6 Test results

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了太陽(yáng)閃爍儀的原理、設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)，并給出了初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)具有估測(cè)近地面大氣視寧度的功能。太陽(yáng)閃爍儀是太陽(yáng)選址常用儀器之一，選址的順利開(kāi)展依靠的是各種設(shè)備之間的密切配合，在以后的選址工作中，可以根據(jù)實(shí)際使用情況對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和完善。

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