紅外地球敏感器光電組件測(cè)試技術(shù)研究

孫向平 趙 輝 李 妍

(北京普瑞姆賽斯科技有限公司，北京 102206)

1 引 言

圓錐掃描式紅外地球敏感器(以下簡(jiǎn)稱地球敏感器)是測(cè)量衛(wèi)星本體與地球間的姿態(tài)偏差的核心單元，在通信衛(wèi)星中它給星上天線提供了指地基準(zhǔn)，在衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程中捕獲地球等功能，它的技術(shù)指標(biāo)直接影響著衛(wèi)星的精度及可靠性[1,2]。本文提出了一種地球敏感器光電組件設(shè)計(jì)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)的專用地面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以實(shí)現(xiàn)光柵信號(hào)、基準(zhǔn)信號(hào)的幅度、頻率、動(dòng)態(tài)頻率等參數(shù)的精確測(cè)量。

2 光電組件測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 光電組件工作原理

地球敏感器姿態(tài)測(cè)量原理如圖1所示,敏感器將光電組件用固體潤(rùn)滑軸承作為旋轉(zhuǎn)支承固定于Z軸周期性旋轉(zhuǎn)，正常轉(zhuǎn)速為1m/s，若不考慮安裝誤差,在如下坐標(biāo)系中；敏感器軸沿衛(wèi)星俯仰軸安裝，視線和敏感器軸夾角為β，按右手法則視線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[3]。俯仰軸的姿態(tài)偏差記為Δy，即

視線掃描弦寬為Ω，等于圍y繞軸由Hi到H0轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。掃入點(diǎn)Hi到基準(zhǔn)點(diǎn)G的角度寬度記為Wi,基準(zhǔn)點(diǎn)H0的角度記為W0。

圖1 地球敏感器的姿態(tài)測(cè)量幾何關(guān)系示意圖Fig.1 The geometric relationship of the earth sensor attitude measurement

2.2 光電組件測(cè)試系統(tǒng)總體方案

地球敏感器光電組件地面測(cè)試系統(tǒng)主要用于敏感器設(shè)計(jì)過(guò)程中光電組件的調(diào)試和性能測(cè)試，光電組件包含動(dòng)靜光柵對(duì)，分別產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)和光柵信號(hào)，前者是利用動(dòng)光柵外圈上的通光窄縫工作，無(wú)靜光柵；后者利用動(dòng)-靜光柵對(duì)，動(dòng)光柵內(nèi)圈進(jìn)行光學(xué)復(fù)制光柵刻線，刻線10 800條，用以產(chǎn)生位置編碼光脈沖。光柵下面安裝光電三極管接收該光脈沖，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)用于后面的調(diào)試和性能分析，因此對(duì)該光柵信號(hào)、基準(zhǔn)信號(hào)的精確測(cè)量十分必要。

SoC(System on a Chip，多種處理單元于一體的高集成度單一芯片)技術(shù)的出現(xiàn)，使得單位面積的IC運(yùn)算、控制能力增強(qiáng)?；谇度胧絊oC技術(shù)的地球敏感器測(cè)試系統(tǒng)主要由光柵信號(hào)、基準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及系統(tǒng)參數(shù)測(cè)量模塊組成，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 光電組件測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 General structure diagram of photoelectric module test system

地球敏感器專用地面測(cè)試系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光電組件、信號(hào)調(diào)理電路、SoC主控制器、觸摸顯示屏等模塊。通過(guò)觸摸屏幕設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速后，DAC根據(jù)設(shè)定值輸出相應(yīng)電壓值，經(jīng)過(guò)光電耦合電路隔離后進(jìn)入跟隨器；跟隨單元輸出到加法單元，加法單元的輸出與方波比較單元的輸出進(jìn)行比較；比較器輸出可變占空比的方波信號(hào)，該信號(hào)與三相控制單元中的與非門陣列中的門電路組合后，輸出到功率MOS管,功率MOS管即可帶動(dòng)電機(jī)并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。電機(jī)的霍爾反饋單元輸出經(jīng)過(guò)濾波后，作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)加法單元的輸入量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。經(jīng)過(guò)門電路的組合后，三相霍爾反饋單元的輸出組合為一個(gè)脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓、放大、跟隨限幅后輸入到SoC控制器中的等精度測(cè)頻模塊即可精確測(cè)得該電機(jī)的轉(zhuǎn)速；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中與功率MOS管并聯(lián)的功率電阻上的電流經(jīng)過(guò)I/V整形、高階濾波器濾波后進(jìn)入差分驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器輸出到A/D轉(zhuǎn)換器中，SoC主控制器即可驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器得到電機(jī)遙測(cè)電流值。

電機(jī)帶動(dòng)光電對(duì)旋轉(zhuǎn)，輔助控制器控制電阻陣列模塊即可選通光電對(duì)輸出光柵信號(hào)或基準(zhǔn)信號(hào)，電阻陣列模塊中阻值的切換可以控制光柵或基準(zhǔn)信號(hào)的大小，光柵/基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)差分放大器后輸入到AD轉(zhuǎn)換器中，SoC主控制器中ADC驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)ADC即可得到光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的數(shù)據(jù)；同時(shí)，ADC驅(qū)動(dòng)在光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)穩(wěn)定后調(diào)節(jié)增益控制模塊，使光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)幅度達(dá)到AD轉(zhuǎn)換器的最佳性能分辨率處，從而保證更精確、穩(wěn)定、可靠的光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)測(cè)量結(jié)果。

2.3 光電組件測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

光電組件測(cè)試系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖3所示，系統(tǒng)上電啟動(dòng)Linux系統(tǒng)后啟動(dòng)應(yīng)用程序，應(yīng)用程序執(zhí)行流程如下圖所示。應(yīng)用程序開(kāi)始后配置FPGA內(nèi)部ADC驅(qū)動(dòng)、頻率測(cè)量模塊驅(qū)動(dòng)，初始化各外設(shè)，運(yùn)行TCP服務(wù)器并監(jiān)聽(tīng)設(shè)定端口；ADC、頻率測(cè)量模塊得到的數(shù)據(jù)傳到ARM Linux中進(jìn)行處理，ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、加窗、FFT、幅值恢復(fù)及顯示等，頻率結(jié)果直接進(jìn)行修正顯示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件流程圖Fig.3 The software flow chart of photoelectric module test system

3 光電組件測(cè)試系統(tǒng)難點(diǎn)及解決方案

由敏感器的工作原理可知，敏感器的光電對(duì)由電機(jī)承載著沿Z軸做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在Y軸可能存在著一定的角度，由于電機(jī)、光電對(duì)自身特性會(huì)引起如下誤差。

1)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)非線性，導(dǎo)致光電對(duì)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中輸出光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的頻率不是一個(gè)恒定值，因此在測(cè)量過(guò)程中會(huì)使得光柵/基準(zhǔn)信號(hào)的幅度、頻率等測(cè)量結(jié)果精度降低，導(dǎo)致光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的閾值區(qū)域模糊，從而使得敏感器的一致性及穩(wěn)定性降低；

2)電機(jī)平面存在低頻抖動(dòng)，該抖動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起光電信號(hào)輸出波形被削頂/底，造成信號(hào)測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；低頻抖動(dòng)不嚴(yán)重時(shí)，光電信號(hào)輸出上產(chǎn)生遠(yuǎn)低于主要頻率點(diǎn)(如10.8kHz)的干擾信號(hào)，可以通過(guò)硬件/數(shù)字濾波等方法減小誤差引入量；

3)光電組件輸出信號(hào)為交直流混合信號(hào)，通常將信號(hào)緩沖后采用硬件/數(shù)字濾波、交流耦合將兩信號(hào)分別測(cè)量，該方案不僅電路更復(fù)雜，由于硬件低通濾波的高延遲，會(huì)使得直流測(cè)量嚴(yán)重滯后交流測(cè)量結(jié)果，無(wú)法準(zhǔn)確判斷光電組件性能。本文采用直接采集加數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)同時(shí)計(jì)算出交/直流信號(hào)幅度等信息。

地球敏感器光電組件中光柵刻度為10.8k格[4]，電機(jī)轉(zhuǎn)速60rad/min的情況下輸出光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的頻率值對(duì)應(yīng)約為10.8kHz，由于電阻陣列接入每只電阻的阻值從100Ω～5kΩ變化，導(dǎo)致光柵信號(hào)的交流分量幅度值1mV～12V變化，直流分

量從(0～8)V變化，要同時(shí)精確測(cè)量出該光電組件中交/直流信號(hào)并具備波形顯示存儲(chǔ)功能并沒(méi)有現(xiàn)成的儀器可用。

3.1 交直流分量的準(zhǔn)確測(cè)量

本文通過(guò)多通道高精度數(shù)據(jù)采集的辦法獲得ADC數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)一系列算法處理，數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程框圖Fig.4 Data processing flow

在圖4中，ADC數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Fir濾波器濾除50kHz以上的高頻干擾信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)加窗處理，加窗后的數(shù)據(jù)進(jìn)行9 182點(diǎn)定點(diǎn)FFT計(jì)算得到該信號(hào)的頻譜數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)直流峰值幅度計(jì)算、峰值幅度點(diǎn)頻率值計(jì)算、直流分量幅度計(jì)算、10.8kHz/43.2kHz固定頻率段幅度計(jì)算便得到了交、直流分量的幅度及頻率等信息。

結(jié)合電機(jī)及光電組件的特性(頻率值不穩(wěn)定)，本文采用了Flat top 248D窗函數(shù)，F(xiàn)lat top窗是頻譜分析中具有最小柵欄損失的窗函數(shù)之一，參考美國(guó)SRS頻譜儀SR785[5]中所用的Flat top窗函數(shù)的定義式如式(1)，式(1)中各參量的實(shí)際取值見(jiàn)表1。

(1)

圖5 Flat top窗的權(quán)值及頻譜圖Fig.5 Flat top window weight and spectrum diagram

Flat top窗的權(quán)值及頻譜如圖5所示。 圖5(a)為該Flat top歸一化權(quán)值，圖5(b)為對(duì)應(yīng)的頻譜，其3dB帶寬為5.5個(gè)頻率分辨率區(qū)間，第一個(gè)0點(diǎn)位于第11個(gè)頻率分辨率點(diǎn)，其他點(diǎn)幅度為-248dB，在精確得到該頻率段的幅度的同時(shí)大大抑制了高低頻噪聲[6]。圖5(c)為采集到的實(shí)際信號(hào)，包含直流分量為2V；光柵信號(hào)為1.5V，頻率500Hz；基準(zhǔn)信號(hào)為2.5V，頻率為4kHz，圖5(e)為該信號(hào)進(jìn)行FFT計(jì)算后的幅度譜，圖中可看到各峰值能量的泄露較為嚴(yán)重，直接得到信號(hào)精確的幅度幾乎不可能；圖5(d)為原始信號(hào)加窗后的新信號(hào)；圖5(f)為加窗后信號(hào)的頻譜圖，三個(gè)峰值分別為1.999 9V，1.500 2V，2.500 6V，最大誤差為2.5×10-4，能夠較精確地分辨出光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)。

由于光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的頻率不一定準(zhǔn)確地落在分辨率點(diǎn)上，根據(jù)Flat top窗的特性，將該頻率點(diǎn)附近的最大峰值與次大峰值進(jìn)行平均，就能更逼近真值，如式(3)所示

(3)

式中：f——該點(diǎn)頻率值；Fs——采樣頻率；N——FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)。

圖6 4kHz信號(hào)的幅度頻譜圖Fig.6 The amplitude spectrum diagram of 4kHz signal

以4kHz和500Hz的頻率點(diǎn)為例，分別繪制各點(diǎn)幅度譜圖，如圖6所示。其中，4kHz例中，峰值為2.500 68V，次峰值為2.499 45V，其平均值為2.500 065V，最大允許誤差為0.3×10-4，計(jì)算結(jié)果較為精確，能夠代表該光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)幅度值。

3.2 頻率的精密測(cè)量

由于光電組件輸出的光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的頻率值不穩(wěn)定，常規(guī)的無(wú)源測(cè)頻法、有源比較法、電子計(jì)數(shù)器等方法無(wú)法達(dá)到較高的精度。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出不固定閘門時(shí)間、以設(shè)定閘門時(shí)間附近被測(cè)信號(hào)的整數(shù)倍周期時(shí)間作為閘門時(shí)間的方法，保證了預(yù)設(shè)閘門時(shí)間后的第一個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)頻率與被測(cè)信號(hào)的高度同步，即等精度頻率測(cè)量法，其原理如圖7所示。

圖7 等精度頻率測(cè)量原理示意圖Fig.7 The principle of equal precision frequency measurement

該方法解決了測(cè)量被測(cè)信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的同步問(wèn)題，提高了頻率測(cè)量精度。同時(shí)，預(yù)置閘門時(shí)間可以由觸摸液晶屏進(jìn)行設(shè)置，閘門時(shí)間越長(zhǎng)，權(quán)值越高，對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻?qū)е鹿鈻判盘?hào)/基準(zhǔn)信號(hào)的頻率測(cè)量誤差就越小，該方法同時(shí)適用于電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量。

4 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證本光電組件測(cè)試系統(tǒng)，搭建了同等驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證系統(tǒng)組成見(jiàn)表2。

表2 驗(yàn)證系統(tǒng)的組成設(shè)備及用途列表Tab.2 The instrument and purpose list of The Equal Verify System名稱型號(hào)廠家用途示波器DS2302ARigol觀察光電組件輸出波形數(shù)字多用表DM3068Rigol測(cè)量光電組件中光柵/基準(zhǔn)輸出信號(hào)的直流分量數(shù)字多用表DM3068Rigol測(cè)量光電組件中光柵/基準(zhǔn)輸出信號(hào)的交流分量頻率計(jì)53131AAgilent測(cè)量光電組件中光柵/基準(zhǔn)輸出信號(hào)的頻率

本文設(shè)計(jì)的地球敏感器光電組件地面測(cè)試系統(tǒng)與同等驗(yàn)證系統(tǒng)頻率測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差如圖8所示。

圖8 頻率測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差對(duì)比圖Fig.8 Comparison chart of relative errors of frequency measurement results

幅值測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差如圖9所示，測(cè)試點(diǎn)為0.1V～10V，頻率為DC，400Hz，1kHz，10kHz。

圖9 幅度測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差圖Fig.9 Relative error diagram of amplitude measurement results

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的地球敏感器地面測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該敏感器研制過(guò)程中光柵信號(hào)/基準(zhǔn)信號(hào)幅度、頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量，測(cè)試結(jié)果優(yōu)于任務(wù)指標(biāo)。從上面的分析計(jì)算不難看出地球敏感器的研制過(guò)程包含復(fù)雜的技術(shù)，包括機(jī)、光、電等技術(shù)，因此，要提高系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性等因素，需綜合且均衡地考慮各方面的影響因素。本文設(shè)計(jì)的地球敏感器地面測(cè)試系統(tǒng)不僅適用于該敏感器研制過(guò)程中的各種測(cè)試工作，還能夠滿足雙圓錐掃描式紅外地球敏感器系統(tǒng)中的敏感器匹配工作。