紅外地球敏感器光電組件測試技術研究

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(以下簡稱地球敏感器)是測量衛星本體與地球間的姿態偏差的核心單元，在通信衛星中它給星上天線提供了指地基準，在衛星發射過程中捕獲地球等功能，它的技術指標直接影響著衛星的精度及可靠性[1,2]。本文提出了一種地球敏感器光電組件設計過程中自動調整設計參數的專用地面測試系統設計方案，以實現光柵信號、基準信號的幅度、頻率、動態頻率等參數的精確測量。

2 光電組件測試系統實現

2.1 光電組件工作原理

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

視線掃描弦寬為Ω，等于圍y繞軸由Hi到H0轉動的角度。掃入點Hi到基準點G的角度寬度記為Wi,基準點H0的角度記為W0。

圖1 地球敏感器的姿態測量幾何關系示意圖Fig.1 The geometric relationship of the earth sensor attitude measurement

2.2 光電組件測試系統總體方案

地球敏感器光電組件地面測試系統主要用于敏感器設計過程中光電組件的調試和性能測試，光電組件包含動靜光柵對，分別產生基準信號和光柵信號，前者是利用動光柵外圈上的通光窄縫工作，無靜光柵；后者利用動-靜光柵對，動光柵內圈進行光學復制光柵刻線，刻線10 800條，用以產生位置編碼光脈沖。光柵下面安裝光電三極管接收該光脈沖，將其轉換為電信號用于后面的調試和性能分析，因此對該光柵信號、基準信號的精確測量十分必要。

SoC(System on a Chip，多種處理單元于一體的高集成度單一芯片)技術的出現，使得單位面積的IC運算、控制能力增強。基于嵌入式SoC技術的地球敏感器測試系統主要由光柵信號、基準信號測量模塊、電機驅動模塊及系統參數測量模塊組成，其總體結構圖如圖2所示。

圖2 光電組件測試系統總體結構框圖Fig.2 General structure diagram of photoelectric module test system

地球敏感器專用地面測試系統包括電機驅動系統、光電組件、信號調理電路、SoC主控制器、觸摸顯示屏等模塊。通過觸摸屏幕設置電機轉速后，DAC根據設定值輸出相應電壓值，經過光電耦合電路隔離后進入跟隨器；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行比較；比較器輸出可變占空比的方波信號，該信號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管即可帶動電機并實現轉速調節。電機的霍爾反饋單元輸出經過濾波后，作為轉速調節加法單元的輸入量，實現電機轉速的閉環反饋調節。經過門電路的組合后，三相霍爾反饋單元的輸出組合為一個脈沖信號，該脈沖信號經過穩壓、放大、跟隨限幅后輸入到SoC控制器中的等精度測頻模塊即可精確測得該電機的轉速；電機驅動電路中與功率MOS管并聯的功率電阻上的電流經過I/V整形、高階濾波器濾波后進入差分驅動器，驅動器輸出到A/D轉換器中，SoC主控制器即可驅動A/D轉換器得到電機遙測電流值。

電機帶動光電對旋轉，輔助控制器控制電阻陣列模塊即可選通光電對輸出光柵信號或基準信號，電阻陣列模塊中阻值的切換可以控制光柵或基準信號的大小，光柵/基準信號經過差分放大器后輸入到AD轉換器中，SoC主控制器中ADC驅動模塊驅動ADC即可得到光柵信號/基準信號的數據；同時，ADC驅動在光柵信號/基準信號穩定后調節增益控制模塊，使光柵信號/基準信號幅度達到AD轉換器的最佳性能分辨率處，從而保證更精確、穩定、可靠的光柵信號/基準信號測量結果。

2.3 光電組件測試系統軟件設計

光電組件測試系統軟件總體流程圖如圖3所示，系統上電啟動Linux系統后啟動應用程序，應用程序執行流程如下圖所示。應用程序開始后配置FPGA內部ADC驅動、頻率測量模塊驅動，初始化各外設，運行TCP服務器并監聽設定端口；ADC、頻率測量模塊得到的數據傳到ARM Linux中進行處理，ADC數據進行濾波、加窗、FFT、幅值恢復及顯示等，頻率結果直接進行修正顯示。

圖3 測試系統軟件流程圖Fig.3 The software flow chart of photoelectric module test system

3 光電組件測試系統難點及解決方案

由敏感器的工作原理可知，敏感器的光電對由電機承載著沿Z軸做圓周運動，同時在Y軸可能存在著一定的角度，由于電機、光電對自身特性會引起如下誤差。

1)電機轉動非線性，導致光電對旋轉過程中輸出光柵信號/基準信號的頻率不是一個恒定值，因此在測量過程中會使得光柵/基準信號的幅度、頻率等測量結果精度降低，導致光柵信號/基準信號的閾值區域模糊，從而使得敏感器的一致性及穩定性降低；

2)電機平面存在低頻抖動，該抖動嚴重時會引起光電信號輸出波形被削頂/底，造成信號測量結果不準確；低頻抖動不嚴重時，光電信號輸出上產生遠低于主要頻率點(如10.8kHz)的干擾信號，可以通過硬件/數字濾波等方法減小誤差引入量；

3)光電組件輸出信號為交直流混合信號，通常將信號緩沖后采用硬件/數字濾波、交流耦合將兩信號分別測量，該方案不僅電路更復雜，由于硬件低通濾波的高延遲，會使得直流測量嚴重滯后交流測量結果，無法準確判斷光電組件性能。本文采用直接采集加數字信號處理技術同時計算出交/直流信號幅度等信息。

地球敏感器光電組件中光柵刻度為10.8k格[4]，電機轉速60rad/min的情況下輸出光柵信號/基準信號的頻率值對應約為10.8kHz，由于電阻陣列接入每只電阻的阻值從100Ω～5kΩ變化，導致光柵信號的交流分量幅度值1mV～12V變化，直流分

量從(0～8)V變化，要同時精確測量出該光電組件中交/直流信號并具備波形顯示存儲功能并沒有現成的儀器可用。

3.1 交直流分量的準確測量

本文通過多通道高精度數據采集的辦法獲得ADC數據，然后經過一系列算法處理，數據處理流程如圖4所示。

圖4 數據處理流程框圖Fig.4 Data processing flow

在圖4中，ADC數據經過Fir濾波器濾除50kHz以上的高頻干擾信號，然后經過加窗處理，加窗后的數據進行9 182點定點FFT計算得到該信號的頻譜數據，經過直流峰值幅度計算、峰值幅度點頻率值計算、直流分量幅度計算、10.8kHz/43.2kHz固定頻率段幅度計算便得到了交、直流分量的幅度及頻率等信息。

結合電機及光電組件的特性(頻率值不穩定)，本文采用了Flat top 248D窗函數，Flat top窗是頻譜分析中具有最小柵欄損失的窗函數之一，參考美國SRS頻譜儀SR785[5]中所用的Flat top窗函數的定義式如式(1)，式(1)中各參量的實際取值見表1。

(1)

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

Flat top窗的權值及頻譜如圖5所示。 圖5(a)為該Flat top歸一化權值，圖5(b)為對應的頻譜，其3dB帶寬為5.5個頻率分辨率區間，第一個0點位于第11個頻率分辨率點，其他點幅度為-248dB，在精確得到該頻率段的幅度的同時大大抑制了高低頻噪聲[6]。圖5(c)為采集到的實際信號，包含直流分量為2V；光柵信號為1.5V，頻率500Hz；基準信號為2.5V，頻率為4kHz，圖5(e)為該信號進行FFT計算后的幅度譜，圖中可看到各峰值能量的泄露較為嚴重，直接得到信號精確的幅度幾乎不可能；圖5(d)為原始信號加窗后的新信號；圖5(f)為加窗后信號的頻譜圖，三個峰值分別為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/基準信號。

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

(3)

式中：f——該點頻率值；Fs——采樣頻率；N——FFT計算點數。

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

以4kHz和500Hz的頻率點為例，分別繪制各點幅度譜圖，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，計算結果較為精確，能夠代表該光柵信號/基準信號幅度值。

3.2 頻率的精密測量

由于光電組件輸出的光柵信號/基準信號的頻率值不穩定，常規的無源測頻法、有源比較法、電子計數器等方法無法達到較高的精度。針對此問題，本文提出不固定閘門時間、以設定閘門時間附近被測信號的整數倍周期時間作為閘門時間的方法，保證了預設閘門時間后的第一個被測信號周期內的標準頻率與被測信號的高度同步，即等精度頻率測量法，其原理如圖7所示。

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

該方法解決了測量被測信號與標準信號的同步問題，提高了頻率測量精度。同時，預置閘門時間可以由觸摸液晶屏進行設置，閘門時間越長，權值越高，對于電機轉速不均勻導致光柵信號/基準信號的頻率測量誤差就越小，該方法同時適用于電機轉速測量。

4 測試結果

為驗證本光電組件測試系統，搭建了同等驗證系統，驗證系統組成見表2。

表2 驗證系統的組成設備及用途列表Tab.2 The instrument and purpose list of The Equal Verify System名稱型號廠家用途示波器DS2302ARigol觀察光電組件輸出波形數字多用表DM3068Rigol測量光電組件中光柵/基準輸出信號的直流分量數字多用表DM3068Rigol測量光電組件中光柵/基準輸出信號的交流分量頻率計53131AAgilent測量光電組件中光柵/基準輸出信號的頻率

本文設計的地球敏感器光電組件地面測試系統與同等驗證系統頻率測量結果相對誤差如圖8所示。

圖8 頻率測量結果相對誤差對比圖Fig.8 Comparison chart of relative errors of frequency measurement results

幅值測量結果相對誤差如圖9所示，測試點為0.1V～10V，頻率為DC，400Hz，1kHz，10kHz。

圖9 幅度測量結果相對誤差圖Fig.9 Relative error diagram of amplitude measurement results

5 結束語

本文設計的地球敏感器地面測試系統，實現了該敏感器研制過程中光柵信號/基準信號幅度、頻率、電機轉速等參數的測量，測試結果優于任務指標。從上面的分析計算不難看出地球敏感器的研制過程包含復雜的技術，包括機、光、電等技術，因此，要提高系統的精度及穩定性等因素，需綜合且均衡地考慮各方面的影響因素。本文設計的地球敏感器地面測試系統不僅適用于該敏感器研制過程中的各種測試工作，還能夠滿足雙圓錐掃描式紅外地球敏感器系統中的敏感器匹配工作。