基于空間調(diào)制干涉原理的紅外成像光譜儀掃描系統(tǒng)控制研究

張培仲，雷正剛，張若嵐，鄭為建，楊智雄，袁小春

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基于空間調(diào)制干涉原理的紅外成像光譜儀掃描系統(tǒng)控制研究

張培仲，雷正剛，張若嵐，鄭為建，楊智雄，袁小春

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

討論了基于空間調(diào)制干涉原理的紅外成像光譜儀器中高線性大擺鏡掃描系統(tǒng)的控制技術(shù)，詳細(xì)地闡述了各掃描方式的優(yōu)缺點(diǎn)、控制器的基本原理、控制器硬件設(shè)計(jì)，提出了一種基于傳統(tǒng)PID的微分增強(qiáng)型控制算法，分析了掃描系統(tǒng)的掃描效率和線性度。

紅外成像光譜儀；掃描系統(tǒng)；控制器；高線性；微分增強(qiáng)型PID

0 引言

基于空間調(diào)制干涉原理的紅外成像光譜儀已在化學(xué)氣體探測領(lǐng)域獲得應(yīng)用。通過擺鏡掃描方式使被成像空間光譜維的每一列遍歷所有光程差，從而使空間調(diào)制轉(zhuǎn)換成為時(shí)空混合調(diào)制后在探測器焦平面采集干涉圖像數(shù)據(jù)立方體[1]。如圖1所示，擺鏡一般都放置在空間調(diào)制干涉具的前面，其反射面大，質(zhì)量大。同時(shí)，由于反射鏡對光線的2倍角關(guān)系[2]，要求擺鏡每擺過1/2像素對應(yīng)的角度時(shí)，成像電路能實(shí)時(shí)地采集一幀干涉圖像數(shù)據(jù)，擺鏡的掃描過程伴隨著干涉圖像數(shù)據(jù)的采集過程，擺鏡的掃描性能直接影響由干涉圖像數(shù)據(jù)變換得到的光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量。因此，一個(gè)高性能的掃描系統(tǒng)顯得尤為重要。

針對以上應(yīng)用，本文討論了紅外成像光譜儀中擺鏡掃描系統(tǒng)的掃描方式、掃描系統(tǒng)控制原理及控制器的設(shè)計(jì)。

1 掃描方式

紅外成像光譜儀的焦平面探測器確定了光程差范圍，為了讓被成像空間光譜維的每一列遍歷所有的光程差，擺鏡被要求高線性地掃描一倍視場角，每走過1/2像素對應(yīng)的角度時(shí)觸發(fā)成像電路實(shí)時(shí)地采集一幀干涉圖像數(shù)據(jù)，掃描速度由探測器成像的幀頻確定。

圖1 掃描擺鏡與空間調(diào)制干涉具

從掃描系統(tǒng)控制命令出發(fā)，掃描方式主要有鋸齒波和三角波兩種方式，其區(qū)別如圖2所示。

鋸齒波掃描方式時(shí)，擺鏡從初始位置掃描到結(jié)束位置后立刻回到初始位置開始新一周的掃描，只在一個(gè)正程運(yùn)動(dòng)方向存在有效掃描區(qū)間；三角波掃描方式時(shí)，有效掃描區(qū)間存在于擺鏡來回兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向中。三角波掃描方式雖然有比鋸齒波掃描方法更高的掃描效率，但是由于角位置傳感器在正反轉(zhuǎn)之間一般都存在一個(gè)很小的間隙，這個(gè)間隙可能導(dǎo)致紅外圖像中像素的錯(cuò)位，所以本系統(tǒng)選用鋸齒波方式。

從干涉圖像數(shù)據(jù)采集角度考慮，掃描方式可以分為等時(shí)間間隔方式和等空間間隔方式[3]。等時(shí)間間隔方式默認(rèn)擺鏡在有效掃描區(qū)間內(nèi)掃描速度為一恒定值，相等的時(shí)間間隔就對應(yīng)相等的角度。這種方式雖然實(shí)現(xiàn)起來簡單，但是由于擺鏡軸承上摩擦不均勻等影響因素使得掃描速度不可能是一常量。等空間間隔方式由擺鏡控制器判斷掃描角度并實(shí)時(shí)給出脈沖，成像電路根據(jù)脈沖采集干涉圖像數(shù)據(jù)。等空間間隔方式固然能克服等時(shí)間間隔方式不可避免的缺點(diǎn)，但是實(shí)現(xiàn)起來很困難，故大多數(shù)應(yīng)用都還是等時(shí)間間隔方式，本文提出了一種追趕判斷法較容易地實(shí)現(xiàn)了等空間間隔掃描方式。

2 掃描系統(tǒng)控制原理

掃描系統(tǒng)控制原理如圖3所示，反饋控制是其基本原理[4]?？刂破鲗⒔俏恢梅答亗鞲衅鳈z測到的當(dāng)前位置和當(dāng)前輸入比較處理后輸出控制信號，控制信號經(jīng)過隔離后作用于驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)[5]。圖3中輸入部分包括鋸齒波函數(shù)和掃描系統(tǒng)啟動(dòng)、停止等控制命令；輸出部分主要是對擺鏡實(shí)時(shí)位置的監(jiān)控顯示。

電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有模擬功率運(yùn)放驅(qū)動(dòng)和數(shù)字脈寬調(diào)制（PWM）驅(qū)動(dòng)兩種方式。本系統(tǒng)選用PWM驅(qū)動(dòng)方式，其相對于功率運(yùn)放驅(qū)動(dòng)方式有更高的效率和精度[6]。

角位置反饋傳感器的性能，特別是其精度是影響整個(gè)掃描系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)成像光譜儀的要求，擺鏡掃描系統(tǒng)3.2s內(nèi)高線性的掃描7°，并等角度地給出640個(gè)脈沖，相鄰兩個(gè)脈沖間的角度為0.0109375°。為了保證高線性度，在相鄰兩個(gè)脈沖間設(shè)置10個(gè)控制點(diǎn)，即系統(tǒng)的采樣頻率為2000Hz，每兩個(gè)采樣點(diǎn)間的角度間隔為0.00109375°。這就需要一個(gè)高精度的光電編碼器或者圓光柵，本系統(tǒng)選用海德漢的旋轉(zhuǎn)編碼器EN425，其精度為25位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

3 控制器設(shè)計(jì)

3.1 控制器硬件電路

控制器硬件電路原理圖如圖4所示，控制器的采樣率為2000Hz，通過單片機(jī)C8051F120定時(shí)實(shí)現(xiàn)，C8051F120每500ms讀一次旋轉(zhuǎn)編碼器EN425的數(shù)據(jù)，以25位并口的形式通過中斷觸發(fā)方式傳遞給主控ARM芯片STM32F103，并口相比串口的優(yōu)點(diǎn)是保證采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。STM32F103響應(yīng)中斷后，將收到的當(dāng)前角位置與輸入比較，經(jīng)過PID運(yùn)算后轉(zhuǎn)換為PWM波形，PWM波經(jīng)過隔離芯片ISO7 240m隔離后作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片DRV8432驅(qū)動(dòng)電機(jī)。另外，主控芯片STM32F103實(shí)時(shí)地把當(dāng)前角位置通過RS422發(fā)送給上位機(jī)，在上位機(jī)中曲線清晰地顯示擺鏡的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)等角度地給出脈沖信號觸發(fā)成像電路采集數(shù)據(jù)。

圖2 三角波與鋸齒波掃描方式區(qū)別

圖3 控制原理

圖4 控制器硬件原理圖

3.2 實(shí)時(shí)脈沖產(chǎn)生方法

本系統(tǒng)對觸發(fā)紅外成像電路的脈沖要求非常高，不僅要求高實(shí)時(shí)性，而且不允許脈沖丟失。一般的區(qū)間比較法容易引起脈沖丟失，本文提出了追趕判斷法產(chǎn)生實(shí)時(shí)脈沖，基本原理是這樣的：預(yù)先在主控芯片中存放第一個(gè)脈沖對應(yīng)的理論角位置，因?yàn)橄噜徝}沖間角度的間隔相等，后繼的脈沖都可以由起始角位置和增量來確定。由于每兩個(gè)脈沖之間有10次實(shí)際角位置采樣，那么每次采樣都判斷是否大于當(dāng)前脈沖的理論角位置，如果大于則產(chǎn)生脈沖，然后當(dāng)前理論脈沖角位置自加增量變?yōu)橄乱粋€(gè)理論脈沖角位置等待實(shí)際采樣角位置的追趕。

這種追趕判斷法在實(shí)際應(yīng)用中即保證了高實(shí)時(shí)性，又確保了沒有脈沖丟失。

3.3 控制算法

經(jīng)典數(shù)字PID如式(1)所示[7]：

式中：()為控制器第次采樣輸出；()為控制器的第次采樣誤差；P為控制器的比例系數(shù)；I為控制器的積分系數(shù)；D為控制器的微分系數(shù)。

本系統(tǒng)的控制算法是基于公式(1)的改進(jìn)，主要的改進(jìn)是變速積分和帶權(quán)重的累加微分。改進(jìn)后的控制算法如公式(2)所示：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

掃描系統(tǒng)的10°階躍響應(yīng)如圖5，圖中時(shí)間坐標(biāo)的數(shù)字表示采樣點(diǎn)數(shù)，其間隔為1ms，縱坐標(biāo)表示角位置。圖5描述了擺鏡從150°突然到160°的階躍響應(yīng)情況，可以看出階躍響應(yīng)快而且沒有超調(diào)和振蕩。

掃描系統(tǒng)實(shí)際掃描過程如圖6所示，有效掃描區(qū)間為163.5°～156.5°，有效掃描時(shí)間3.2s，回程時(shí)間0.2s，掃描效率94.12%。

衡量掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵因素除了掃描效率之外還有另一個(gè)重要因素——線性度。隨機(jī)抽取了一次有效掃描區(qū)間的實(shí)際角位置數(shù)據(jù)與理論角位置數(shù)據(jù)相比較，如圖7所示：兩條直線幾乎重合在一起，統(tǒng)計(jì)得最大偏差為0.018479。非線性度計(jì)算如下式：

式中：為非線性度；Dmax為最大偏差；為最大量程。

計(jì)算得到本掃描系統(tǒng)的非線性度為0.018479/7＝0.26%。

5 結(jié)論

本文針對紅外成像光譜儀的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了其高線性大擺鏡掃描系統(tǒng)的控制器。詳細(xì)闡述了掃描方式，控制原理及控制器硬件的設(shè)計(jì)。提出的基于經(jīng)典數(shù)字PID的微分增強(qiáng)型控制算法在本系統(tǒng)中取得了較好的控制效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該掃描系統(tǒng)的掃描效率高，掃描線性度好，能很好地滿足紅外成像光譜儀的要求。

圖5 階躍響應(yīng)

圖6 實(shí)際掃描過程

圖7 實(shí)際角位置與理論角位置

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Research on the Controller of Scanner Used in Spatially Modulated Infrared Imaging Spectrometer

ZHANG Pei-zhong，LEI Zheng-gang，ZHANG Ruo-lan，ZHENG Wei-jian，YANG Zhi-xiong，YUAN Xiao-chun

(,650223,)

This paper describes the controller of large and high linearity scanner used in spatially modulated infrared imaging spectrometer. The advantages and disadvantages of each scan mode, the basic principles of the controller and the controller hardware design arediscussed in detail. Differential enhanced PID control algorithm is given. Scanning efficiency and linearity of the scanner are analyzed.

infrared imaging spectrometer，scanner，controller，high linearity，differential enhanced PID

TN216

A

1001-8891(2015)02-0130-04

2014-12-17；

2014-12-30.

張培仲（1987-），男，四川簡陽人，在讀研究生，研究方向?yàn)榧t外光電系統(tǒng)伺服控制技術(shù)。E-mail：zhangpeizhongfh@163.com。

國家部委預(yù)研項(xiàng)目基金。