蔣 雪，侯 漢，馬慶軍，林冠宇

（中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033）

1 引言

大氣臭氧（O3）、平流層氣溶膠等微量氣體的密度和垂直分布情況，對(duì)氣候變化和大氣環(huán)境研究有重要價(jià)值。FY-3 紫外臨邊光譜儀是借助衛(wèi)星平臺(tái)觀測(cè)地球臨邊大氣紫外-可見(jiàn)波段太陽(yáng)后向散射的光學(xué)遙感儀器。探測(cè)獲得的光譜遙感信息對(duì)于農(nóng)業(yè)、氣候、軍事等方面的發(fā)展具有重要意義[1-3]。

FY-3 紫外臨邊光譜儀，選用的是英國(guó)e2v 公司生產(chǎn)的背照式互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）探測(cè)器，測(cè)量范圍是290 nm～500 nm 紫外波段。CMOS 探測(cè)器和電荷耦合器件（CCD）探測(cè)器性能相當(dāng)，但是CMOS 探測(cè)器具有驅(qū)動(dòng)時(shí)序復(fù)雜度低、開(kāi)發(fā)周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)。CMOS 探測(cè)器分為背照式和正照式兩種。背照式CMOS 探測(cè)器的結(jié)構(gòu)布局使其不受遮擋，故其比正照式CMOS 探測(cè)器接收光子的能力更強(qiáng)，靈敏度更高，更適合用于航天領(lǐng)域。因此，本文選用背照式CMOS 探測(cè)器。但是，由于背照式CMOS 探測(cè)器的工藝特殊，在常溫條件下產(chǎn)生的暗電流較高，噪聲較大，為了提高圖像質(zhì)量，需要將背照式CMOS 探測(cè)器置于低溫條件下應(yīng)用。除此之外，極速的溫度變化產(chǎn)生的溫度沖擊可能會(huì)對(duì)背照式CMOS 探測(cè)器造成不可逆的損傷，導(dǎo)致探測(cè)器獲取的圖像出現(xiàn)大量的異常像素。這些異常像素的光響應(yīng)情況不同于正常像素的感光情況，將影響圖像質(zhì)量。為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了探測(cè)器溫度控制系統(tǒng)，以使探測(cè)器的溫度達(dá)到控制要求。

本文設(shè)計(jì)的探測(cè)器溫度控制系統(tǒng)核心采用的是PID 控制。PID 控制算法是一種應(yīng)用于過(guò)程控制的閉環(huán)控制算法，可以起到動(dòng)態(tài)修正實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值之間偏差的作用，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制中的連續(xù)系統(tǒng)[4-5]。傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)是在硬件上搭建PID 控制單元，用模擬控制的方式調(diào)節(jié)探測(cè)器溫度。這種模擬控制方式的靈活度很低，不易更改，調(diào)試難度較高[6-7]。本文設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)是基于FPGA 實(shí)現(xiàn)的數(shù)字PID 控制。這種數(shù)字控制方式靈活度很高，可以在軟件界面預(yù)留參數(shù)輸入入口。通過(guò)更改控制參數(shù)，靈活調(diào)整制冷目標(biāo)溫度、溫變速度與溫控精度，這種調(diào)節(jié)的靈活性大大提高了儀器的研制效率，而且在軌觀測(cè)時(shí)，如遇突發(fā)狀況也可以靈活應(yīng)對(duì)。但是直接使用PID 控制算法會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，比如，偏差過(guò)大引起的溫度沖擊問(wèn)題[8-10]，積分飽和問(wèn)題。本文通過(guò)加入輸入過(guò)渡過(guò)程和抗積分飽和處理對(duì)基礎(chǔ)PID 控制進(jìn)行改進(jìn)，最終達(dá)到探測(cè)器溫度的控制要求。

本文介紹了FY-3 紫外臨邊光譜儀探測(cè)器溫度控制系統(tǒng)的組成、工作原理和實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)多次大型整機(jī)環(huán)境實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)性能。結(jié)果表明：本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)FY-3 紫外臨邊光譜儀CMOS探測(cè)器溫度的精確控制，探測(cè)器目標(biāo)溫度可以靈活更改，并且在指定控制參數(shù)下，可以使探測(cè)器溫度變化速率和控溫精度均滿足控制要求。

2 溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

FY-3 紫外臨邊光譜儀的安裝位置是艙內(nèi)，在軌運(yùn)行時(shí)，儀器的環(huán)境溫度是室溫。根據(jù)探測(cè)器的特性和探測(cè)需求，需要將CMOS 探測(cè)器的工作溫度保持在-10 °C，低于環(huán)境溫度。所以設(shè)計(jì)的CMOS 探測(cè)器的溫度控制系統(tǒng)需具備降溫功能。而對(duì)于探測(cè)器工作結(jié)束后的回溫過(guò)程，則可以通過(guò)逐漸減弱制冷器的制冷強(qiáng)度，再通過(guò)探測(cè)器自身與環(huán)境的熱交換，使探測(cè)器溫度恢復(fù)到環(huán)境溫度，故CMOS 探測(cè)器的溫控系統(tǒng)不需要具備升溫功能。除此之外，還需要保證探測(cè)器的溫度不被周?chē)娫茨K、汞燈、鎢燈等其他輻射源干擾。

2.1 CMOS 溫度控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖1 為溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。本溫控系統(tǒng)由溫度采集單元、算法控制單元、功率控制單元、半導(dǎo)體制冷器、CMOS 探測(cè)器組成。

圖1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of temperature control system

探測(cè)器內(nèi)置MF501 測(cè)溫?zé)崦綦娮琛囟炔杉瘑卧啥嗦愤x擇器、運(yùn)算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器組成。功率控制單元由D/A 轉(zhuǎn)換器、運(yùn)算放大器、場(chǎng)效應(yīng)管組成。算法控制單元由FPGA 實(shí)現(xiàn)，內(nèi)含遙測(cè)采集模塊、PID 調(diào)節(jié)模塊、制冷輸出等模塊。

2.2 溫度控制系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)采用帕爾貼效應(yīng)對(duì)探測(cè)器制冷。制冷器與焦平面之間安裝了導(dǎo)熱塊。探測(cè)器的溫度通過(guò)導(dǎo)塊傳輸?shù)浇蛊矫妫M(jìn)而傳輸?shù)接糜谡麢C(jī)散熱的熱管中。

設(shè)定遙測(cè)采集周期為500 ms，F(xiàn)PGA 控制遙測(cè)采集模塊每間隔500 ms 驅(qū)動(dòng)一次外部DAC，采集探測(cè)器當(dāng)前溫度遙測(cè)值。PID 調(diào)節(jié)單元根據(jù)來(lái)自地面注入的目標(biāo)溫度、PID 系數(shù)，結(jié)合當(dāng)前溫度遙測(cè)值，利用增量式PID 算法計(jì)算出制冷控制增量，控制增量與上次輸出的控制量疊加得到當(dāng)前控制量，然后制冷輸出模塊驅(qū)動(dòng)外部DAC 將當(dāng)前控制量輸出到功率控制單元，功率控制單元將制冷控制量作用到制冷器上，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器制冷。

周期地循環(huán)上述過(guò)程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器溫度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。合適的制冷電流變化規(guī)律可以使探測(cè)器以指定的溫變速率變化到目標(biāo)溫度，并且以一定精度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度。本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA輸出的制冷控制量越大，制冷電流越大，系統(tǒng)制冷強(qiáng)度越強(qiáng)。制冷控制量與制冷強(qiáng)度正相關(guān)。

3 溫度控制系統(tǒng)的關(guān)鍵算法

3.1 PID 算法

PID 控制原理圖如圖2 所示。PID 算法由比例項(xiàng)（Proportion）、積分項(xiàng)（Integral）、微分項(xiàng)（Differential）組成。設(shè)目標(biāo)值為r(t)，實(shí)測(cè)值為y(t)，PID 控制算法的輸入為目標(biāo)值與實(shí)測(cè)值的偏差e(t)，輸出為u(t)。PID 算法對(duì)一段時(shí)間以來(lái)的偏差e(t)進(jìn)行比例、積分、微分計(jì)算，得到控制值u(t)，將控制值u(t)作用到被控對(duì)象，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制[10]。

圖2 PID 控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of PID control

設(shè)比例項(xiàng)系數(shù)為Kp，積分時(shí)間常數(shù)為T(mén)i，微分時(shí)間常數(shù)為T(mén)d，PID 控制算法在連續(xù)系統(tǒng)中的公式為：

由式(1)可知，當(dāng)溫度偏差存在時(shí)，比例項(xiàng)將針對(duì)當(dāng)前偏差立即起到減小偏差的作用；積分項(xiàng)是針對(duì)過(guò)去所有的偏差，起到消除系統(tǒng)偏差的作用；微分項(xiàng)是根據(jù)偏差的變化規(guī)律提前阻止即將發(fā)生的變化。對(duì)于這種結(jié)合現(xiàn)在、過(guò)去、將來(lái)的控制，理論上，如果系數(shù)合適，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)校正。

3.2 數(shù)字PID 算法

由于數(shù)字控制是一種離散采樣的過(guò)程，需要將模擬PID 控制算法離散轉(zhuǎn)化成數(shù)字PID 算法后，才能應(yīng)用于數(shù)字控制中。數(shù)字PID 算法有兩種：位置式PID 算法和增量式PID 算法。

3.2.1 位置式PID 算法

位置式PID 算法是由模擬PID 算法離散化后直接得到的。設(shè)采樣間隔為T(mén)，采樣序號(hào)為k，模擬PID 算法離散化后，即得到位置式PID 算法表達(dá)式：

其中，Ki是積分項(xiàng)系數(shù)，Kd是微分項(xiàng)系數(shù)。

3.2.2 增量式PID 算法

增量式PID 算法是由位置式PID 算法變形而來(lái)，它的輸出為控制量的增量 Δuk。增量式PID 算法與位置式PID 算法的關(guān)系為：

將式(2)位置式PID 算法的表達(dá)式帶入式(3)，得到增量式PID 算法表達(dá)式：

對(duì)比式(2)和式(4)可以看出，位置式PID 算法需要對(duì)歷次的偏移量進(jìn)行累加和計(jì)算，而增量式PID 算法只需要計(jì)算最近三次的偏移量。二者相比較，增量式PID 算法的計(jì)算量更小、穩(wěn)定性更強(qiáng)，更適用于基于FPGA 的數(shù)字控制系統(tǒng)。

由于本系統(tǒng)內(nèi)的功率控制單元不具備記憶能力，不能接收控制增量只能接收控制量，所以選擇用FPGA 儲(chǔ)存上次的控制量，利用式(3)，將上次的控制量與本次計(jì)算的控制增量相加，得到本次控制量，最終將本次控制量輸出到功率控制單元實(shí)現(xiàn)控制。

3.3 算法的改進(jìn)

3.3.1 目標(biāo)值過(guò)渡過(guò)程

PID 算法是一種快速調(diào)整偏差的算法，如果實(shí)測(cè)值與目標(biāo)值的偏差很大，為了快速校正偏差，會(huì)產(chǎn)生較大的控制量。在本系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)剛啟動(dòng)或探測(cè)器目標(biāo)溫度改變時(shí)，制冷目標(biāo)溫度與探測(cè)器當(dāng)前溫度可能會(huì)相差較大。這種情況下，為了使探測(cè)器溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，PID 控制會(huì)連續(xù)產(chǎn)生最大制冷電流，使探測(cè)器溫度快速下降。但是由于背照式CMOS 探測(cè)器的工藝特性，溫度沖擊可能會(huì)對(duì)探測(cè)器造成不可逆的損壞。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長(zhǎng)探測(cè)器壽命，要求探測(cè)器的溫度按照4 °C/min～5 °C/min 的速度變化。

考慮到探測(cè)器要求的溫變速率區(qū)間較小，但是探測(cè)器溫度對(duì)制冷電流的響應(yīng)很快，設(shè)計(jì)時(shí)在PID 算法的前端增加了一個(gè)過(guò)渡過(guò)程控制。使輸入到PID 算法的探測(cè)器目標(biāo)溫度按照要求的溫變速率緩慢變化。

已知要求的變化速率為4 °C/min～5 °C/min，那么將4.5 °C/min 作為目標(biāo)溫度過(guò)渡過(guò)程的變化速率v。為了便于調(diào)試，將時(shí)間步長(zhǎng)n與溫度增量ΔT均設(shè)計(jì)為界面可輸入的參數(shù)。則有，

由于系統(tǒng)采樣間隔是500 ms，所以時(shí)間步長(zhǎng)的單位是500 ms。這個(gè)過(guò)渡過(guò)程可使每間隔n個(gè)500 ms，輸入到PID 控制器的目標(biāo)溫度增加或減少 ΔT。通過(guò)多次單機(jī)、整機(jī)、整星大型環(huán)境實(shí)驗(yàn)可以證明，當(dāng)設(shè)置n=8，ΔT=0.3 °C 時(shí)，在回溫和制冷的過(guò)程中，均可使探測(cè)器溫度變化速度達(dá)到要求的4 °C/min～5 °C/min。

3.3.2 抗積分飽和控制

PID 調(diào)節(jié)單元輸出的制冷控制量是通過(guò)外部DAC 作用到制冷器的。真正作用到制冷器的控制量的范圍受DAC 的量化位數(shù)限制。本系統(tǒng)中使用的DAC 是12 位量化，那么，實(shí)際可輸出的控制量的碼值范圍是000H 至FFFH。

本系統(tǒng)有制冷功能沒(méi)有加熱功能?？刂铺綔y(cè)器制冷是增大控制量的過(guò)程；控制探測(cè)器回溫是減小控制量的過(guò)程。PID 調(diào)節(jié)單元輸出到DAC的控制量越大，那么制冷電流越大，系統(tǒng)的制冷強(qiáng)度越強(qiáng)。當(dāng)控制量為FFFH 時(shí)，制冷電流達(dá)到最高，值為1.1 A。反之，PID 調(diào)節(jié)單元輸出到DAC的控制量越小，那么制冷電流越小，系統(tǒng)的制冷強(qiáng)度越弱，當(dāng)控制量為000H 時(shí)，制冷電流達(dá)到最小，值為0 A。此時(shí)制冷電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變，只是不起制冷作用。

當(dāng)PID 算法得到的控制量低于極限小值000H，或高于極限大值FFFH 時(shí)，如果不對(duì)輸出做限幅處理而直接截?cái)噍敵觯敲磳?shí)際制冷作用可能會(huì)與預(yù)期相差較大，甚至相悖。這種情況將會(huì)導(dǎo)致制冷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，甚至出現(xiàn)震蕩而無(wú)法制冷，達(dá)到目標(biāo)溫度。

這種現(xiàn)象是由積分飽和導(dǎo)致的，解決的辦法是對(duì)PID 調(diào)節(jié)單元的輸出做限幅處理，即，當(dāng)PID 算法得到的控制量超過(guò)FFFH，那么PID 調(diào)節(jié)單元將輸出最大邊界值FFFH，并且取消積分作用，即將積分項(xiàng)系數(shù)置0；當(dāng)PID 算法得到的控制量是負(fù)值，那么PID 調(diào)節(jié)單元將輸出最小邊界值000H，并且取消積分作用，即將積分項(xiàng)系數(shù)置0。只有當(dāng)控制量在000H 至FFFH 范圍時(shí)，才執(zhí)行積分運(yùn)算，并輸出控制量。

4 溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)字PID 算法

由圖3 探測(cè)器溫度碼值曲線可知，探測(cè)器的溫度越低，對(duì)應(yīng)的碼值越大；在本系統(tǒng)中，輸出控制量越大，制冷效果越強(qiáng)。在本系統(tǒng)中，偏差為目標(biāo)值減去實(shí)測(cè)值，即：

圖3 探測(cè)器溫度和碼值關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between detector temperature and code values

即，當(dāng)制冷目標(biāo)溫度大于當(dāng)前溫度時(shí)，溫度偏差的符號(hào)為正，否則為負(fù)。

圖4 為此溫度控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)流程。按照系統(tǒng)要求，遙測(cè)采樣的間隔為500 ms。在溫控流程中，每個(gè)遙測(cè)采樣時(shí)刻均為一次溫度調(diào)節(jié)的開(kāi)始時(shí)刻。此溫控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)流程為：

圖4 溫度控制系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.4 Flow chart of temperature control system software

當(dāng)采樣時(shí)刻到來(lái)時(shí)，首先，從遙測(cè)采集模塊讀取探測(cè)器當(dāng)前溫度遙測(cè)值，同時(shí)讀取經(jīng)過(guò)前置濾波器的當(dāng)前目標(biāo)溫度 ；

接著，計(jì)算當(dāng)前溫度遙測(cè)與目標(biāo)溫度值的偏差，并標(biāo)記偏差的符號(hào)，同時(shí)緩存前兩次的溫度偏差和偏差的符號(hào)；

然后，將最近三次的偏差和偏差符號(hào)帶入增量式PID 算法，計(jì)算控制增量并標(biāo)記控制增量的符號(hào)；

利用式(3)，將控制增量與上一次的控制量疊加，得到當(dāng)前控制量；

再對(duì)當(dāng)前控制量做限幅處理，得到最終要輸出的控制量；

最后，驅(qū)動(dòng)外部DAC 將限幅后的控制量輸出到功率控制單元，進(jìn)而作用到制冷器。此時(shí)一次溫度調(diào)節(jié)結(jié)束，等待下一次采樣時(shí)刻到來(lái)，重復(fù)上面過(guò)程，開(kāi)展新一次溫度調(diào)節(jié)。

4.2 PID 參數(shù)整定

PID 控制算法由比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)組成，每一項(xiàng)的系數(shù)決定了該項(xiàng)作用的強(qiáng)弱。

比例項(xiàng)的作用是快速修正偏差，比例項(xiàng)系數(shù)越大，效果越強(qiáng)，但如果比例項(xiàng)系數(shù)過(guò)大，將會(huì)產(chǎn)生較大超調(diào)；積分項(xiàng)的作用是補(bǔ)償系統(tǒng)的靜差，積分時(shí)間常數(shù)越小，積分項(xiàng)作用越強(qiáng)，消除系統(tǒng)靜差的時(shí)間越短，但如果積分項(xiàng)作用過(guò)強(qiáng)，將會(huì)引起振蕩；微分項(xiàng)的作用是提前阻止偏差的變化，在偏差變化之前進(jìn)行修正，適用于噪聲較小的系統(tǒng)，微分時(shí)間常數(shù)越大，微分項(xiàng)作用越強(qiáng)，合適的微分項(xiàng)系數(shù)可以加快修正速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

PID 參數(shù)整定方法有臨界比例法、反應(yīng)曲線法、衰減法和經(jīng)驗(yàn)法。本系統(tǒng)采用經(jīng)驗(yàn)湊試法，通過(guò)多次試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際控制情況，按照比例系數(shù)、積分系數(shù)、差分系數(shù)的順序調(diào)整，最終選擇合適的PID 系數(shù)。

5 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

經(jīng)過(guò)多次整機(jī)溫度循環(huán)、老煉等環(huán)境實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Y-3 紫外臨邊光譜儀探測(cè)器溫控系統(tǒng)制冷或回溫的溫度變化速率均可通過(guò)數(shù)據(jù)注入靈活調(diào)節(jié)，目標(biāo)溫度也可通過(guò)數(shù)據(jù)注入靈活控制。該系統(tǒng)可在指定參數(shù)下滿足探測(cè)器溫度的控制要求。

系統(tǒng)要求探測(cè)器制冷和回溫的速率均滿足4 °C/min～5 °C/min。在多次環(huán)境實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)提取一次制冷過(guò)程曲線如圖5（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示，一次回溫過(guò)程曲線如圖6（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖5 制冷過(guò)程曲線Fig.5 Temperature cooling curve of the detector

圖6 回溫過(guò)程曲線Fig.6 Temperature rising curve of the detector

由圖5 制冷過(guò)程曲線可以看出，隨著制冷電流的增大，探測(cè)器溫度在降低。由圖6 回溫過(guò)程曲線可看出，隨著制冷電流減小，探測(cè)器溫度在升高。制冷電流在變化過(guò)程中有微小的調(diào)整，使得探測(cè)器溫度基本呈線性變化。將圖5 和圖6 中探測(cè)器溫度曲線在溫度變化階段進(jìn)行擬合?？梢钥闯?，探測(cè)器溫度的變化速率控制在了(4.5±0.05) °C/min內(nèi)，滿足指標(biāo)范圍要求。

探測(cè)器制冷目標(biāo)溫度默認(rèn)為-10 °C，但也可根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況隨時(shí)調(diào)整，如圖7 和圖8 分別為制冷目標(biāo)溫度為-5 °C 和-10 °C 時(shí)，在一個(gè)軌道時(shí)間內(nèi)持續(xù)工作過(guò)程中，探測(cè)器溫度散點(diǎn)圖?？梢?jiàn)，目標(biāo)溫度分別為-5 °C 和-10 °C 時(shí)，控制誤差均可以達(dá)到±0.1 °C，優(yōu)于指標(biāo)±0.2 °C。

圖7 目標(biāo)溫度為-5 °C 時(shí)的溫度散點(diǎn)圖Fig.7 Scatter plot of temperature at a target temperature of-5 °C

圖8 目標(biāo)溫度為-10 °C 時(shí)的溫度散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of temperature at a target temperature of-10 °C

FY-3 紫外臨邊光譜儀使用的探測(cè)器有效感光區(qū)域?yàn)? 000×100，光譜維覆蓋2 000 行，空間維覆蓋100 列。在軌運(yùn)行時(shí)，對(duì)有效感光圖像的光譜維2 000 行不合并，空間維100 個(gè)像元合并后再下傳。

使用鎢燈作為標(biāo)準(zhǔn)光源，積分時(shí)間設(shè)置為12 s，分別在室溫23 °C 條件和制冷到-10 °C 條件下拍攝100 幀，曲線對(duì)比情況如圖9（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。圖9 橫坐標(biāo)為有效感光區(qū)域的光譜維行序號(hào)1～2 000；縱坐標(biāo)為有效感光區(qū)域的空間維100 個(gè)像元合并后的DN 值。

圖9 不同溫度的鎢燈曲線圖Fig.9 Temperature curves of different tungsten lamps

由圖9 可看出，常溫下，曲線有兩處尖峰，這是由探測(cè)器上的壞點(diǎn)造成的，它們對(duì)于光響應(yīng)與其他正常像素的反應(yīng)不同。通過(guò)使探測(cè)器降溫，異常像素的光響應(yīng)將恢復(fù)正常，曲線的異常尖峰值也將消失。并且，溫度的降低使得探測(cè)器的暗電流降低，光譜曲線向下平移，并且噪聲減小，光譜曲線更加平滑。取對(duì)應(yīng)像元在100 幀內(nèi)的平均值作為信號(hào)值，標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲，信號(hào)值除以噪聲可得到信噪比。繪制信噪比曲線如圖10 所示?？梢?jiàn)，信噪比在探測(cè)器溫度為-10 °C 時(shí)比溫度為23 °C 時(shí)有所提高。

圖10 不同溫度的信噪比曲線Fig.10 SNR curves at different temperatures

將入光口遮住，使探測(cè)器置于暗場(chǎng)環(huán)境，積分時(shí)間設(shè)置為12 s，分別在室溫23 °C 條件和制冷到-10 °C 條件下拍攝100 幀圖像。剔除上述兩處尖峰位置的異常點(diǎn)，計(jì)算對(duì)應(yīng)像元在100 幀的標(biāo)準(zhǔn)差，作為暗噪聲，繪制曲線如圖11 所示?？梢?jiàn)，在制冷的作用下，探測(cè)器暗噪聲得到了有效抑制。

圖11 不同溫度的暗噪聲曲線Fig.11 Dark noise curves at different temperatures

6 結(jié)論

本文介紹了一種FY-3 紫外臨邊光譜儀探測(cè)器的溫度控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)看出，低溫條件下，F(xiàn)Y-3 紫外臨邊光譜儀探測(cè)器的噪聲得到了有效抑制。通過(guò)多次大型整機(jī)環(huán)境實(shí)驗(yàn)可以證明，此溫控系統(tǒng)的目標(biāo)溫度和溫變速率均可通過(guò)數(shù)據(jù)注入靈活調(diào)節(jié)。在指定參數(shù)下，制冷速率和回溫速率均可以控制在(4.5±0.05) °C/min，滿足4 °C/min～5 °C/min 的指標(biāo)要求。在不同目標(biāo)溫度下，控溫精度均可達(dá)到±0.1 °C，優(yōu)于指標(biāo)要求。本文所設(shè)計(jì)的探測(cè)器溫度控制系統(tǒng)具有靈活度高，控溫精度高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。