陳志超王健飛劉少明高健周聰

1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所；2.空裝駐某地區(qū)軍事代表室

航空遙感器是一種遙感成像設(shè)備，用于遠(yuǎn)距離對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行信息獲取，主要應(yīng)用在地理測(cè)繪、應(yīng)急減災(zāi)等領(lǐng)域，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮重要的作用。傳統(tǒng)航空遙感器焦距短、工作時(shí)間有限、成像質(zhì)量要求不高，因此航空環(huán)境的影響不大。隨著航空遙感成像技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對(duì)高質(zhì)量航空遙感圖像的需求，航空遙感器的焦距不斷增長(zhǎng)，載機(jī)平臺(tái)的飛行高度不斷提高，變化劇烈的航空環(huán)境對(duì)相機(jī)的高清晰度成像造成了很大的影響。

航空遙感器的核心是其光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)中的各個(gè)光學(xué)元件的面型和位置在成像過(guò)程中必須處于光學(xué)設(shè)計(jì)的公差之內(nèi)才能保證良好的成像質(zhì)量，而航空遙感器的環(huán)境適應(yīng)性控制則是保證上述條件的重要因素。合理的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)能夠保證光學(xué)元件在各種變化的環(huán)境條件下仍然處于良好狀態(tài)，從而保證在環(huán)境變化時(shí)航空遙感器仍然能夠獲得好的成像結(jié)果。航空遙感器熱學(xué)成像環(huán)境十分惡劣，從地面到空中溫度變化劇烈，由于航空遙感器高機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，溫度水平要在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到適合的溫度范圍，同時(shí)對(duì)熱均勻性也有要求，因而航空遙感器的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)目前仍然是一個(gè)難點(diǎn)。與折射式光學(xué)系統(tǒng)相比，反射式光學(xué)系統(tǒng)對(duì)溫度變化更為敏感，這就要求在進(jìn)行總體設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮航空遙感器的溫度適應(yīng)性，使其在較大溫度范圍內(nèi)能夠獲得較好的成像質(zhì)量。本文提出的光學(xué)元件溫控方法對(duì)航空遙感器在惡劣環(huán)境下仍然能夠獲得較好的成像質(zhì)量具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體方案

本方法主要針對(duì)一種反射式光學(xué)系統(tǒng)的主鏡和次鏡等光學(xué)元件進(jìn)行溫度控制，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由溫度控制器、直流電源、直流繼電器、加熱片、溫度傳感器等組成。作為一種閉環(huán)控制方法，通過(guò)不斷的采集光學(xué)元件的溫度，計(jì)算目標(biāo)溫度與當(dāng)前溫度的差值，依據(jù)控制算法設(shè)定加熱片的通電功率的大小，從而對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行加熱，控制其溫度升高或者降低，使光學(xué)元件達(dá)到目標(biāo)溫度，完成閉環(huán)工作，確保航空遙感器的成像質(zhì)量。

圖1 溫控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural diagram of the temperature control system

溫度控制器為核心部件，采用高速數(shù)字處理器DSP作為主控芯片，用于采集溫度傳感器反饋回的溫度數(shù)據(jù)，控制直流繼電器控制加熱片的通電與停止，快速達(dá)到溫度控制的目標(biāo)。

直流繼電器根據(jù)溫度控制器的信號(hào)，對(duì)加熱片進(jìn)行通電或停止通電，從而對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行輻射加熱。直流繼電器包括電磁繼電器、固態(tài)繼電器等多種類型。根據(jù)該方法溫控周期短、溫控頻繁的特點(diǎn)，選擇直流固態(tài)繼電器JGC-5112M，能夠滿足溫控需求，并具有較高的可靠性。

溫度傳感器粘貼于光學(xué)元件以及加熱片上，用于測(cè)量光學(xué)元件的溫度。溫度傳感器具有多種類型，數(shù)字式、模擬式等多種，測(cè)溫精度也有很多。根據(jù)溫控DSP芯片的接口，選擇數(shù)字式溫度傳感器DS18B20U芯片，其測(cè)溫精度0.5℃，滿足航空遙感器光學(xué)元件控溫精度要求。

2 典型硬件電路

溫度控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，這是一種基于TMS320C28x內(nèi)核的32位低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，具有較高的運(yùn)算的精度（32位）和系統(tǒng)的處理能力（達(dá)到150MIPS），還集成了256KB的Flash存儲(chǔ)器，8KB位的引導(dǎo)ROM，數(shù)學(xué)運(yùn)算表以及2KB的OTP ROM，從而大大提高了應(yīng)用的靈活性。該器件上集成了多種外設(shè)，為電機(jī)及其他運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了良好的平臺(tái)，如圖2所示為T(mén)MS320F2812的核心電路。

圖2 溫度控制器核心電路Fig.2 Temperature controller core circuit

溫度傳感器采用Dallas公司的DS18B20U，其典型電路如圖3所示。這是一款高精度的數(shù)字輸出溫度傳感器，采用單總線接口，僅用2個(gè)普通I/O就可以連接多個(gè)溫度傳感器，其測(cè)量溫度范圍為-55℃～+150℃，供電電壓+5V，精度：±0.5℃，該產(chǎn)品具有較高的性價(jià)比和優(yōu)良的可靠性，獲得了廣泛應(yīng)用。如圖3所示為溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集電路。

圖3 溫度傳感器數(shù)據(jù)采集電路Fig.3 Temperature sensor data acquisition circuit

溫度繼電器采用國(guó)內(nèi)陜西群力電工公司生產(chǎn)的JGC-5112M，這是一種密封直流固態(tài)繼電器，負(fù)載電壓50V，負(fù)載電流可以達(dá)到10A，具有體積小、輸出電流大、負(fù)載能力強(qiáng)、輸出壓降低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。如圖4所示是JGC-5112M控制電路。

圖4 溫度繼電器控制電路Fig.4 Temperature relay control circuit

3 軟件工作流程

軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行硬件初始化配置，其次是數(shù)據(jù)和參數(shù)初始化配置，然后進(jìn)行主控指令判斷，根據(jù)指令進(jìn)行光學(xué)元件的溫度控制或者自檢，完成整個(gè)控制流程[1]。當(dāng)收到溫控指令時(shí)，進(jìn)入到溫控軟件模塊，采集溫度傳感器溫度，根據(jù)控溫目標(biāo)值，控制對(duì)應(yīng)的加熱片進(jìn)行通電或斷電，完成閉環(huán)控制。當(dāng)收到自檢指令時(shí)，進(jìn)入到自檢軟件模塊，與溫度傳感器進(jìn)行通訊，判斷溫度傳感器的正確性，并將自檢結(jié)果上報(bào)給主控[2]。

圖5 軟件工作流程Fig.5 Software workflow

4 總結(jié)

本文描述了一種航空遙感器光學(xué)元件的溫控方法，講述了控制方法、典型硬件電路及軟件工作流程，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該溫度控制方法能達(dá)到1℃的溫度精度，滿足控溫要求，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

引用

[1] 楊智.工業(yè)自整定PID調(diào)節(jié)器關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表,2000,27(2):5-10.

[2] 尹彥龍.大滯后溫控系統(tǒng)自整定PID控制算法的研究與仿真[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2016,29(10):38-40.