王紅帥，李 志，劉威衛(wèi)

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

大氣視寧度影響天文觀測(cè)的分辨率。為了獲得更好的成像質(zhì)量，通常需要通過天文選址，將天文觀測(cè)設(shè)備放在大氣視寧度較好的地區(qū)。但如果天文建筑設(shè)計(jì)不當(dāng)，造成的局部視寧度可能會(huì)比整層大氣所造成的像質(zhì)衰減還要嚴(yán)重，也就無法體現(xiàn)出好的天文臺(tái)址和望遠(yuǎn)鏡的效力。云南天文臺(tái)麗江2.4m望遠(yuǎn)鏡的圓頂在設(shè)計(jì)時(shí)采取了許多措施來減少圓頂視寧度的影響，包括圓頂內(nèi)強(qiáng)制通風(fēng)、加開側(cè)窗、圓頂和觀測(cè)室加隔離層等。為了綜合考察這些措施的效果，需要能夠測(cè)量圓頂內(nèi)不同位置大氣湍流的強(qiáng)度，得到溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)以及折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的強(qiáng)度和分布情況。

大氣湍流的強(qiáng)度可以通過目視觀測(cè)衍射環(huán)、恒星閃爍、較差像運(yùn)動(dòng)測(cè)量儀(DIMM)、聲雷達(dá)等方法來測(cè)量[1]，但以上方法反映的是整層或高層大氣的湍流情況。對(duì)于近地面湍流，主要通過直接測(cè)量大氣的微溫脈動(dòng)得到湍流強(qiáng)度。微溫脈動(dòng)測(cè)量的常用手段是金屬絲微溫脈動(dòng)儀和超聲風(fēng)溫儀。前者常用鉑絲作為傳感器，具有響應(yīng)速度快、線性度好、分辨率高、體積小、易損壞等特點(diǎn)。超聲風(fēng)溫儀頻率響應(yīng)快，工作穩(wěn)定，不易損壞，但容易受水平風(fēng)速和濕度影響，且價(jià)格較高[2]?？紤]到測(cè)量裝置最終要放置在圓頂?shù)奶齑案浇约俺杀究刂?，決定采用金屬絲的微溫脈動(dòng)儀。目前國內(nèi)有安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所[3]和北京大學(xué)制作過類似的儀器。

1 儀器原理

根據(jù)Kolmogrov湍流各向同性假設(shè)，當(dāng)大氣中兩點(diǎn)之間的距離位于大氣湍流的慣性區(qū)時(shí)，其溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)滿足下列關(guān)系式：

CT2(r)=<[T(x)-T(x+r)]2>r-2/3.

(1)

其中T(x)、T(x+r)分別為空間兩點(diǎn)的溫度；r為二者之間的距離。

在光學(xué)波段，折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)和溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)的關(guān)系可表示為：

Cn2(r)=[79.2×10-6×P/T2]2CT2(r)

(2)

其中P、T分別是空間測(cè)量點(diǎn)的氣壓(mb)和絕對(duì)溫度(K)。

根據(jù)上面的公式，通過測(cè)量空間兩點(diǎn)的溫度差值(微溫脈動(dòng))、平均氣壓和平均溫度，可以得出折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)。在圓頂里面，望遠(yuǎn)鏡前方光路的不同距離處，放置幾組傳感器，同時(shí)進(jìn)行微溫脈動(dòng)的測(cè)量，然后對(duì)折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)在光路上積分，最終可以得到圓頂內(nèi)的大氣相干長度r0和FWHM。

(3)

FWHM=0.976λ/r0

(4)

h1,h2為傳感器離地面的高度。

2 儀器組成描述

本套儀器的特點(diǎn)是同時(shí)采集8個(gè)微溫傳感器的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在各自的存儲(chǔ)器(64K)中，再由指令控制下分時(shí)傳送到主計(jì)算機(jī)，確保采集的同時(shí)性。該儀器由8個(gè)微溫傳感器、8個(gè)溫度傳感器和4個(gè)氣壓傳感器組成。這些傳感器分為4組，每組有2個(gè)微溫傳感器、2個(gè)溫度傳感器和1個(gè)氣壓傳感器。微溫測(cè)量采用20μm的鉑絲，長約15cm。溫度測(cè)量采用AD590M型溫度傳感器，分辨率±0.3℃。氣壓測(cè)量采用FKS-111型氣壓傳感器，分辨率±1Pa。每組兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離由實(shí)驗(yàn)確定，使其位于湍流的慣性區(qū)。鉑絲傳感器通過電橋，放大，V/F轉(zhuǎn)換，單片機(jī)計(jì)數(shù)將溫度的變化量轉(zhuǎn)化為輸出頻率的變化。然后經(jīng)串口通訊將測(cè)得的頻率傳輸?shù)絇C機(jī)。溫度和氣壓傳感器讀數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，原理如圖1。其中V/F轉(zhuǎn)換采用TC9401芯片，儀表放大器輸出的電壓作為V/F轉(zhuǎn)換的輸入端，通過調(diào)整參考電壓和電容，控制單位溫度變化對(duì)應(yīng)的輸出頻率值。采用AT89S52單片機(jī)對(duì)輸出脈動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù)。AD轉(zhuǎn)換采用PCI卡,型號(hào)為AC6622。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3 數(shù)據(jù)采集軟件

數(shù)據(jù)采集軟件分為PC機(jī)和單片機(jī)兩部分。

單片機(jī)中的程序主要測(cè)量頻率值，使用MCS-51匯編語言編寫。V/F轉(zhuǎn)換器TC9401的輸出范圍是0～100KHz。當(dāng)輸出為100Hz時(shí)，每個(gè)脈沖周期為10μs。采樣周期取50Hz，這是由于鉑絲裸露在空氣中，工業(yè)電流在上面感應(yīng)出了幅值約0.2mv，頻率50Hz的電動(dòng)勢(shì)，因此需要取20ms的間隔去掉這個(gè)干擾。如果單片機(jī)直接對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，單片機(jī)的晶振頻率為11.0592MHz，每個(gè)機(jī)器周期為1.085μs，在20ms的時(shí)間間隔內(nèi)將會(huì)有一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖的誤差，而1個(gè)計(jì)數(shù)脈沖最小為10個(gè)機(jī)器周期，這樣就損失了傳感器的分辨率。因此這里采用了一種新的方法，計(jì)數(shù)器的初值設(shè)為0FFH，工作方式2，自動(dòng)重載，一個(gè)脈沖產(chǎn)生一次中斷，在中斷處理程序中利用一個(gè)寄存器來記錄脈沖的個(gè)數(shù)，計(jì)時(shí)器初值設(shè)為0。打開計(jì)數(shù)器，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖到來時(shí)產(chǎn)生中斷，打開計(jì)時(shí)器，返回。在接下來的中斷處理程序中，判斷計(jì)時(shí)器的值是否達(dá)到20ms，如果沒到，用來計(jì)數(shù)的寄存器加1，程序返回，繼續(xù)等待下一次中斷；如果計(jì)時(shí)器達(dá)到20ms，關(guān)掉計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器。利用此時(shí)的計(jì)時(shí)器的值以及計(jì)數(shù)的寄存器中脈沖的個(gè)數(shù)，就可以計(jì)算頻率值。

PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件用VC++寫成，主要用于控制單片機(jī)和AD卡上的數(shù)據(jù)采集，為微溫脈動(dòng)的數(shù)據(jù)采集提供控制信號(hào)和同步信號(hào)，并保存采集的數(shù)據(jù)。程序開始運(yùn)行后，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和保存。

4 儀器定標(biāo)

由于各個(gè)傳感器之間存在系統(tǒng)誤差，所以必須對(duì)它們進(jìn)行定標(biāo)。

對(duì)于溫度傳感器，在黃銅塊上鉆一些小孔，將每個(gè)要使用的AD590M傳感器編號(hào)并全部放在里面。傳感器的外殼采用導(dǎo)熱硅膠連接，以便更好地傳熱。傳感器外部封閉，將黃銅塊放到冰水混合物里，測(cè)量此時(shí)的讀數(shù)。然后將黃銅塊放到一個(gè)裝滿熱水的保溫瓶里，得出在熱水中的傳感器的溫度。通過計(jì)算，可得到不同輸出電壓對(duì)應(yīng)的溫度值。

對(duì)于氣壓傳感器，由于傳感器本身精度可以達(dá)到1Pa，不必進(jìn)行定標(biāo)。

對(duì)于微溫傳感器，將傳感器放置于密閉的環(huán)境中，盡量減少空氣流動(dòng)，在一系列不同溫度下分別測(cè)得輸出的頻率值，由于頻率輸出與溫度值成正比，對(duì)它們進(jìn)行線性擬合，可以得到輸出頻率差值所對(duì)應(yīng)的溫度變化值。

5 儀器測(cè)試

儀器制作完成后，在麗江2.4m望遠(yuǎn)鏡圓頂內(nèi)做了一個(gè)簡(jiǎn)單測(cè)試。傳感器連續(xù)采樣一定個(gè)數(shù)的數(shù)據(jù)，完成后將數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，然后開始下一次的數(shù)據(jù)采集。經(jīng)過測(cè)試，儀器能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的自動(dòng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。下面給出了放置在天窗附近的編號(hào)為3、4的兩個(gè)微溫脈動(dòng)儀的幾組數(shù)據(jù)。橫坐標(biāo)表示每次連續(xù)采集1000個(gè)數(shù)據(jù)，采樣間隔為20ms。

圖2 4月2日18：40所取得的數(shù)據(jù)，天窗關(guān)閉

圖3 4月2日20:21所取得的數(shù)據(jù)，天窗打開，望遠(yuǎn)鏡在跟蹤觀測(cè)

圖4 4月2日22:38所取得的數(shù)據(jù)，天窗打開 3小時(shí)后

圖5 4月3日12:00所取得的數(shù)據(jù)，天窗打開

這兩個(gè)傳感器被懸掛于圓頂內(nèi)天窗附近，高度距地面約8m，距天窗約2m，略偏離望遠(yuǎn)鏡的光路，兩者之間間距1m。溫度值為經(jīng)過定標(biāo)以后的值。可以看出兩者間有一定的溫差，說明距離已經(jīng)超出湍流的慣性亞區(qū)，需要減小兩個(gè)傳感器之間的距離。

圖2為天窗還沒有打開時(shí)采集的數(shù)據(jù)，4號(hào)傳感器更靠近天窗，天窗縫里漏進(jìn)來的冷空氣使得它的溫度略低。圖3為打開天窗40min后測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以看出傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)波動(dòng)加劇。圖4為天窗打開3h后的數(shù)據(jù)，溫度波動(dòng)仍然比較厲害。圖5為第二天中午12:00測(cè)得的數(shù)據(jù)，天窗打開，兩者有一定的溫差，溫度波動(dòng)也比較大。

6 一些經(jīng)驗(yàn)

在儀器制作和程序調(diào)試過程中，遇到了許多的問題，比較有代表性和參考意義的有以下幾點(diǎn)：

(1) 50Hz的工業(yè)電流在鉑絲傳感器上產(chǎn)生了電磁感應(yīng)，使測(cè)得的頻率值有周期性的波動(dòng)。如果望遠(yuǎn)鏡運(yùn)行，干擾更大(見圖3，數(shù)據(jù)有一些高頻的跳動(dòng))?？蓪K絲傳感器長度減小，這樣能夠有效減少電磁感應(yīng)產(chǎn)生的噪聲，并保護(hù)鉑絲不受損壞。

(2) 數(shù)據(jù)傳輸采用RS232C，發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳輸距離比較長時(shí)(約30m時(shí))，波特率只能達(dá)到2400。因此將來考慮將RS232芯片換成RS485.

(3) 由于有多路數(shù)據(jù)同時(shí)采集和傳輸，因此連接線必須特別小心。連線的接口處要保持焊接良好。在圓頂內(nèi)觀測(cè)時(shí)，由于圓頂轉(zhuǎn)動(dòng)和風(fēng)吹動(dòng)，如果焊接不好，容易造成數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。

7 結(jié)束語

本套儀器調(diào)試成功后，將會(huì)根據(jù)運(yùn)行的實(shí)際情況，對(duì)它進(jìn)行不斷完善。在以后的實(shí)驗(yàn)中，結(jié)合較差像運(yùn)動(dòng)測(cè)量儀，通過對(duì)兩者的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比研究，將為研究天文建筑對(duì)視寧度的影響，提供有效的工具。

[1] 侯金良.天文選址的主要參數(shù)及測(cè)量方法[J].天文學(xué)進(jìn)展，1994，12(2)：126-132.

[2] 杜金林,張宏升,張靄琛.鎢錸絲溫度脈動(dòng)儀的制作與應(yīng)用[J].氣象水文海洋儀器,2000,2:1-6.

[3] 吳曉慶,馬成勝, 翁寧泉,等.一種用于天文臺(tái)選址的氣象參數(shù)和大氣湍流測(cè)量系統(tǒng)[J].量子電子學(xué)報(bào),2001,18(2):184-187.