地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀電子學(xué)系統(tǒng)

梁少林，王詠梅，石恩濤，王天放，王后茂，楊曉君

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀電子學(xué)系統(tǒng)

梁少林1，2，王詠梅1，石恩濤1，王天放1，王后茂1，楊曉君1，2

（1.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)北京100049）

為利用紫外-可見光連續(xù)光譜對氣溶膠進行觀測，研制了基于被動光學(xué)遙感技術(shù)的地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀。介紹了儀器的電子學(xué)系統(tǒng)，硬件上包括望遠鏡、控制器、探測器和電控箱4個部分，軟件上基于LabVIEW設(shè)計了儀器的控制系統(tǒng)，并采用CCD的局部感光技術(shù)對紫外-可見光光譜分別采集。實驗表明，該電子學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀的自動化觀測，并能得到紫外-可見光波段有效的光譜數(shù)據(jù)。

氣溶膠；紫外-可見光；電子學(xué)系統(tǒng)；控制；感光區(qū)

被動光學(xué)遙感是指利用太陽光或星光等自然光源作為光波信號，通過光輻射的特征對所攜帶的目標信息進行探測的技術(shù)[1]。目前，基于被動光學(xué)遙感進行氣溶膠地基觀測，國內(nèi)外已有幾十年的發(fā)展歷史。如美國NASA利用CE318太陽光度計在全球范圍內(nèi)建立的氣溶膠自動觀測網(wǎng)絡(luò)AERONET，該儀器只對可見光-近紅外內(nèi)的幾個非連續(xù)波段進行觀測[2]。而德國Bremen大學(xué)利用差分吸收光譜儀MAX-DOAS建立了DOAS地基觀測網(wǎng)絡(luò)，雖然覆蓋紫外-可見光連續(xù)波段，但是由于定標難度的問題，儀器只能對天空散射光進行探測[3]。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制的地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀既要求能實現(xiàn)紫外-可見光連續(xù)光譜的觀測，又可同時探測天空散射和太陽直射光。因此，對其電子學(xué)系統(tǒng)提出了更高的要求。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀電子學(xué)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

根據(jù)各環(huán)節(jié)的功能不同，可以將電子學(xué)系統(tǒng)分為4個主要部分：望遠鏡電子系統(tǒng)、探測器、控制器和電控箱。其中，望遠鏡部分主要完成天空散射口和太陽直射口的選擇。探測器部分完成光信號的傳輸，分光和捕捉。控制器部分主要完成整機的控制如太陽跟蹤和天空掃描的實現(xiàn)、光譜儀的控制、CCD數(shù)據(jù)的讀取、以及各種采樣信號和環(huán)境監(jiān)測信號的處理。電控箱中采樣電路主要對各種原始信號進行采樣，電源模塊對儀器各部分供電。外圍設(shè)備如太陽跟蹤和天空掃描系統(tǒng)選用SOLYS Gear Drive型太陽跟蹤器，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備則包括雨雪傳感器和風(fēng)速計。

圖1 地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀電子學(xué)系統(tǒng)框圖

1.1 望遠鏡

望遠鏡電子學(xué)部分包括步進電機及其驅(qū)動器、積分球、限位開關(guān)、霍爾元件及磁鐵、位置檢測單元等，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 望遠鏡電子學(xué)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 電機帶動積分球在導(dǎo)軌上運動

在儀器剛開機時，步進電機帶動積分球在導(dǎo)軌上向右移動，如圖3所示。限位開關(guān)位于導(dǎo)軌的右側(cè)終點，當(dāng)積分球觸碰到限位開關(guān)時，限位開關(guān)導(dǎo)通，積分球停止運動完成復(fù)位。在積分球的左右兩邊各有一磁鐵，當(dāng)積分球移動，霍爾元件感應(yīng)到左側(cè)磁鐵時，入光口與天空散射口重合，而當(dāng)霍爾元件感應(yīng)到右側(cè)磁鐵時，入光口與太陽直射口重合，因此完成望遠鏡入射通道的切換[4]。

1.2 探測器

從望遠鏡出射的光信號經(jīng)光纖傳輸后首先進入光譜儀分光系統(tǒng)。考慮到儀器的工作波段設(shè)置（300～500 nm）及光譜分辨率要求（0.6～0.8 nm），設(shè)計了基于車爾尼-特納結(jié)構(gòu)的平面光柵光譜儀分光系統(tǒng)，其波長覆蓋范圍0～1400 nm，精度±0.2 nm，波段的選擇通過設(shè)置中心波長實現(xiàn)。

由于太陽光強在紫外段（300～340 nm）比可見光段（340～500 nm）低2～3個數(shù)量級[5]，因此需要選用在紫外段量子效率較高的探測器。PI公司2K系列背照式紫外增強型CCD在紫外段量子效率達60%～70%，制冷溫度最低達-70℃，熱噪聲較小，保證了較高的信噪比。此外，該CCD還具有獨特的雙AD轉(zhuǎn)換通道設(shè)計，每個通道下的電子增益倍數(shù)均可調(diào)，適合探測強度動態(tài)范圍較大的光信號[6]，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 PI-2KBUV相機主要參數(shù)

其中，轉(zhuǎn)換增益即像素電子數(shù)與電壓讀數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，如4e-/c意為每4個電子產(chǎn)生一個電壓讀數(shù)計數(shù)值（count），而電壓讀數(shù)計數(shù)值阱深為65 535。

1.3 控制器

控制器執(zhí)行整機的工作程序，使儀器各部件按流程工作?；诙嘣O(shè)備控制需求，選用NI公司工控機。其接口種類豐富包括USB接口、串口、網(wǎng)口、數(shù)字IO以及模擬采樣輸入等，且使用靈活性強，板卡可根據(jù)需要自由配置。由該型工控機組成的控制器連接示意圖如圖4所示。

其中，數(shù)據(jù)采集卡包括16路模擬采樣輸入，24路數(shù)字IO，通過接線盒可以實現(xiàn)對多路信號的采集和多種設(shè)備的控制。雙核處理器對光譜儀的控制和CCD的數(shù)據(jù)采集則通過USB2.0接口實現(xiàn)[7]。此外，將該處理器的以太網(wǎng)RJ45接口和太陽跟蹤器的以太網(wǎng)接口接入路由器的不同WAN口，并利用處理器作為路由器的管理主機以建立局域網(wǎng)內(nèi)通信，處理器就可以通過IP尋址的方式實現(xiàn)對太陽跟蹤器的控制[8]。

圖4 控制器組成連接

1.4 電控箱

電控箱主要裝載電源模塊和采樣電路。其中電源模塊連接如圖5所示，一級220 V電源常開，負責(zé)給工控機供電。在白天工作期間，工控機控制繼電器1使二級220 V電源導(dǎo)通，分別給光譜儀、CCD和太陽跟蹤器供電，并經(jīng)過變壓成12 V后給采樣電路供電。工控機控制另外一路繼電器2導(dǎo)通，使220 V變壓成24 V后給環(huán)境監(jiān)測設(shè)備供電。而若天氣惡劣，繼電器1斷開，繼電器2仍導(dǎo)通，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備一直工作直到天氣恢復(fù)，才使繼電器1導(dǎo)通，儀器重新工作。夜晚時，繼電器1，2均斷開，工控機關(guān)機。

圖5 電源模塊連接圖

圖6 采樣電路基本單元

采樣電路主要完成電源模塊電壓和儀器溫度的采集，其基本單元如圖6所示。其中電源VCC和電阻R2位為可變部件，當(dāng)VCC為電源模塊電壓而R2不變時，可以對電源模塊電壓采樣，而當(dāng)VCC不變而R2換成熱敏電阻時，就可對儀器溫度采樣。

2 軟件設(shè)計

儀器主要工作流程如圖7所示，通過對工控機BIOS系統(tǒng)的設(shè)置[9]，可使其在每天一個固定時間開機。開機后，電源模塊導(dǎo)通，環(huán)境監(jiān)測設(shè)備即開始工作，各部件開始初始化。初始化完成后，儀器進入工作狀態(tài)，電機，太陽跟蹤器，探測器協(xié)調(diào)動作，完成太陽直射光和天空散射光的探測。一天工作循環(huán)完成后，儀器復(fù)位，包括電機復(fù)位和太陽跟蹤器復(fù)位，然后電源模塊斷電，工控機關(guān)機[10]。

圖7 儀器主要工作流程

圖8 軟件前面板設(shè)計

基于LabVIEW的儀器控制軟件前面板設(shè)計如圖8所示[11]，根據(jù)儀器各部件功能分為以下幾個模塊：儀器狀態(tài)欄主要顯示當(dāng)前時間和開關(guān)機狀態(tài)；工作狀態(tài)欄顯示電壓和溫度采集結(jié)果以及當(dāng)前天氣狀態(tài)；望遠鏡部分顯示各部件如電機、霍爾探測器和限位開關(guān)的通斷狀態(tài)，并指出當(dāng)前的入射通道選擇；探測器部分主要設(shè)置光譜儀和CCD的工作參數(shù)，如光譜儀光柵選擇，移動速度和中心波長，CCD曝光時間和制冷溫度；太陽跟蹤器部分輸入IP地址和TCP端口以建立太陽跟蹤器和處理器的局域網(wǎng)內(nèi)通信[12]，各顯示控件顯示太陽跟蹤器當(dāng)前的運行狀態(tài)，指向位置和傳感器光強等；軟件采集到的數(shù)據(jù)則存放到存儲路徑中。

3 實驗與分析

本儀器的特點是可以實現(xiàn)對紫外-可見光波段太陽直射和天空散射光的測量，這就要求儀器有足夠大的動態(tài)范圍和對紫外弱信號有足夠高的靈敏度[13]。為此，設(shè)計中，利用CCD的雙讀出通道以及不同轉(zhuǎn)換增益的特點，采用CCD的局部感光技術(shù)（region of interest）對紫外-可見光光譜分別采集。紫外和可見光部分分別采用不同增益和讀出通道，保證了對強光不飽和而弱光又盡可能高的信噪比[14]，采集完成后，將圖像合并得到完整的圖像和計數(shù)值譜線，如圖9和10所示。

圖9 外場試驗采集圖像

圖10 外場試驗采集圖像像元合并后計數(shù)值分布譜線

通過與理論模擬分析比較表明，采用CCD不同增益和讀出通道對太陽直射或天空散射光進行探測，其紫外和可見波段輻射強度分布的精細結(jié)構(gòu)均得以保留，表明該方案可以兼顧紫外弱信號和可見光較強信號的探測。

4 結(jié) 論

地基紫外吸收性氣溶膠監(jiān)測儀電子學(xué)系統(tǒng)硬件上通過不同入光通道的切換，實現(xiàn)了太陽直射光和天空散射光的交替測量。選用紫外增強型CCD并在軟件上采用紫外和可見光波段分別曝光的技術(shù)，使紫外和可見光波段CCD計數(shù)值譜線信息得到有效的保留。通過進一步的輻亮度定標后[15]，就可以得到紫外-可見波段連續(xù)的太陽譜線，并用于氣溶膠尤其是紫外吸收性氣溶膠的反演。

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Electronics system of the ground?based ultraviolet absorbent aerosol monitor

LIANGShao?lin1，2，WANGYong?mei1，SHIEn?tao1，WANGTian?fang1，WANGHou?mao1，YANGXiao?jun1，2
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing100190，China）

In order to observe the aerosol via the ultraviolet?visible continuous spectrum，the groundbased ultraviolet absorbent aerosol monitor has been developed on the basis of passive optical remote sensing technology.The electronics system of the instrument is introduced，it’s hardware includes telescope，controller，detector and electric cabinet，and it’s control system is designed by using the LabVIEW software，the region of interest of the CCD is also set up to collect the ultraviolet?visible spectrum signal respectively.The experiment result shows that this electronics system can realize the automatic observation of the ground?based ultraviolet absorbent aerosol monitor，and also can get the effective spectrum data of ultraviolet?visible band.

aerosol；ultraviolet?visible light；electronics system；control；region of interest

TN65

A

1674-6236（2017）22-0097-04

2016-09-24稿件編號：201609223

梁少林（1992—），男，安徽阜陽人，博士研究生。研究方向：空間環(huán)境探測技術(shù)，包括光電探測系統(tǒng)設(shè)計、智能儀器儀表技術(shù)等。