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，詳細地闡述了各掃描方式的優(yōu)缺點、控制器的基本原理、控制器硬件設計，提出了一種基于傳統(tǒng)PID的微分增強型控制算法，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；微分增強型PID

0 引言

基于空間調制干涉原理的紅外成像光譜儀已在化學氣體探測領域獲得應用。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，從而使空間調制轉換成為時空混合調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制干涉具的前面，其反射面大，質量大。同時，由于反射鏡對光線的2倍角關系[2]，要求擺鏡每擺過1/2像素對應的角度時，成像電路能實時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)質量。因此，一個高性能的掃描系統(tǒng)顯得尤為重要。

針對以上應用，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計。

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像素對應的角度時觸發(fā)成像電路實時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，擺鏡從初始位置掃描到結束位置后立刻回到初始位置開始新一周的掃描，只在一個正程運動方向存在有效掃描區(qū)間；三角波掃描方式時，有效掃描區(qū)間存在于擺鏡來回兩個運動方向中。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之間一般都存在一個很小的間隙，這個間隙可能導致紅外圖像中像素的錯位，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間間隔方式和等空間間隔方式[3]。等時間間隔方式默認擺鏡在有效掃描區(qū)間內掃描速度為一恒定值，相等的時間間隔就對應相等的角度。這種方式雖然實現(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時給出脈沖，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間間隔方式不可避免的缺點，但是實現(xiàn)起來很困難，故大多數(shù)應用都還是等時間間隔方式，本文提出了一種追趕判斷法較容易地實現(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測到的當前位置和當前輸入比較處理后輸出控制信號，控制信號經過隔離后作用于驅動芯片驅動直流電機[5]。圖3中輸入部分包括鋸齒波函數(shù)和掃描系統(tǒng)啟動、停止等控制命令；輸出部分主要是對擺鏡實時位置的監(jiān)控顯示。

電機的驅動方式主要有模擬功率運放驅動和數(shù)字脈寬調制（PWM）驅動兩種方式。本系統(tǒng)選用PWM驅動方式，其相對于功率運放驅動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掃描系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。根據(jù)成像光譜儀的要求，擺鏡掃描系統(tǒng)3.2s內高線性的掃描7°，并等角度地給出640個脈沖，相鄰兩個脈沖間的角度為0.0109375°。為了保證高線性度，在相鄰兩個脈沖間設置10個控制點，即系統(tǒng)的采樣頻率為2000Hz，每兩個采樣點間的角度間隔為0.00109375°。這就需要一個高精度的光電編碼器或者圓光柵，本系統(tǒng)選用海德漢的旋轉編碼器EN425，其精度為25位二進制數(shù)據(jù)。

3 控制器設計

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C8051F120定時實現(xiàn)，C8051F120每500ms讀一次旋轉編碼器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)點是保證采樣數(shù)據(jù)的實時性。STM32F103響應中斷后，將收到的當前角位置與輸入比較，經過PID運算后轉換為PWM波形，PWM波經過隔離芯片ISO7 240m隔離后作用于電機驅動芯片DRV8432驅動電機。另外，主控芯片STM32F103實時地把當前角位置通過RS422發(fā)送給上位機，在上位機中曲線清晰地顯示擺鏡的運動，同時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 實時脈沖產生方法

本系統(tǒng)對觸發(fā)紅外成像電路的脈沖要求非常高，不僅要求高實時性，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生實時脈沖，基本原理是這樣的：預先在主控芯片中存放第一個脈沖對應的理論角位置，因為相鄰脈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。由于每兩個脈沖之間有10次實際角位置采樣，那么每次采樣都判斷是否大于當前脈沖的理論角位置，如果大于則產生脈沖，然后當前理論脈沖角位置自加增量變?yōu)橄乱粋€理論脈沖角位置等待實際采樣角位置的追趕。

這種追趕判斷法在實際應用中即保證了高實時性，又確保了沒有脈沖丟失。

3.3 控制算法

經典數(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，主要的改進是變速積分和帶權重的累加微分。改進后的控制算法如公式(2)所示：

4 實驗結果及分析

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

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

衡量掃描系統(tǒng)的關鍵因素除了掃描效率之外還有另一個重要因素——線性度。隨機抽取了一次有效掃描區(qū)間的實際角位置數(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)計得最大偏差為0.018479。非線性度計算如下式：

式中：為非線性度；Dmax為最大偏差；為最大量程。

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

5 結論

本文針對紅外成像光譜儀的特點，設計了其高線性大擺鏡掃描系統(tǒng)的控制器。詳細闡述了掃描方式，控制原理及控制器硬件的設計。提出的基于經典數(shù)字PID的微分增強型控制算法在本系統(tǒng)中取得了較好的控制效果。實驗結果證明，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

圖6 實際掃描過程

圖7 實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，研究方向為紅外光電系統(tǒng)伺服控制技術。E-mail：zhangpeizhongfh@163.com。

國家部委預研項目基金。