红外地球敏感器光电组件测试技术研究

孙向平 赵 辉 李 妍

(北京普瑞姆赛斯科技有限公司，北京 102206)

1 引 言

圆锥扫描式红外地球敏感器(以下简称地球敏感器)是测量卫星本体与地球间的姿态偏差的核心单元，在通信卫星中它给星上天线提供了指地基准，在卫星发射过程中捕获地球等功能，它的技术指标直接影响着卫星的精度及可靠性[1,2]。本文提出了一种地球敏感器光电组件设计过程中自动调整设计参数的专用地面测试系统设计方案，以实现光栅信号、基准信号的幅度、频率、动态频率等参数的精确测量。

2 光电组件测试系统实现

2.1 光电组件工作原理

地球敏感器姿态测量原理如图1所示,敏感器将光电组件用固体润滑轴承作为旋转支承固定于Z轴周期性旋转，正常转速为1m/s，若不考虑安装误差,在如下坐标系中；敏感器轴沿卫星俯仰轴安装，视线和敏感器轴夹角为β，按右手法则视线逆时针旋转[3]。俯仰轴的姿态偏差记为Δy，即

视线扫描弦宽为Ω，等于围y绕轴由Hi到H0转动的角度。扫入点Hi到基准点G的角度宽度记为Wi,基准点H0的角度记为W0。

图1 地球敏感器的姿态测量几何关系示意图Fig.1 The geometric relationship of the earth sensor attitude measurement

2.2 光电组件测试系统总体方案

地球敏感器光电组件地面测试系统主要用于敏感器设计过程中光电组件的调试和性能测试，光电组件包含动静光栅对，分别产生基准信号和光栅信号，前者是利用动光栅外圈上的通光窄缝工作，无静光栅；后者利用动-静光栅对，动光栅内圈进行光学复制光栅刻线，刻线10 800条，用以产生位置编码光脉冲。光栅下面安装光电三极管接收该光脉冲，将其转换为电信号用于后面的调试和性能分析，因此对该光栅信号、基准信号的精确测量十分必要。

SoC(System on a Chip，多种处理单元于一体的高集成度单一芯片)技术的出现，使得单位面积的IC运算、控制能力增强。基于嵌入式SoC技术的地球敏感器测试系统主要由光栅信号、基准信号测量模块、电机驱动模块及系统参数测量模块组成，其总体结构图如图2所示。

图2 光电组件测试系统总体结构框图Fig.2 General structure diagram of photoelectric module test system

地球敏感器专用地面测试系统包括电机驱动系统、光电组件、信号调理电路、SoC主控制器、触摸显示屏等模块。通过触摸屏幕设置电机转速后，DAC根据设定值输出相应电压值，经过光电耦合电路隔离后进入跟随器；跟随单元输出到加法单元，加法单元的输出与方波比较单元的输出进行比较；比较器输出可变占空比的方波信号，该信号与三相控制单元中的与非门阵列中的门电路组合后，输出到功率MOS管,功率MOS管即可带动电机并实现转速调节。电机的霍尔反馈单元输出经过滤波后，作为转速调节加法单元的输入量，实现电机转速的闭环反馈调节。经过门电路的组合后，三相霍尔反馈单元的输出组合为一个脉冲信号，该脉冲信号经过稳压、放大、跟随限幅后输入到SoC控制器中的等精度测频模块即可精确测得该电机的转速；电机驱动电路中与功率MOS管并联的功率电阻上的电流经过I/V整形、高阶滤波器滤波后进入差分驱动器，驱动器输出到A/D转换器中，SoC主控制器即可驱动A/D转换器得到电机遥测电流值。

电机带动光电对旋转，辅助控制器控制电阻阵列模块即可选通光电对输出光栅信号或基准信号，电阻阵列模块中阻值的切换可以控制光栅或基准信号的大小，光栅/基准信号经过差分放大器后输入到AD转换器中，SoC主控制器中ADC驱动模块驱动ADC即可得到光栅信号/基准信号的数据；同时，ADC驱动在光栅信号/基准信号稳定后调节增益控制模块，使光栅信号/基准信号幅度达到AD转换器的最佳性能分辨率处，从而保证更精确、稳定、可靠的光栅信号/基准信号测量结果。

2.3 光电组件测试系统软件设计

光电组件测试系统软件总体流程图如图3所示，系统上电启动Linux系统后启动应用程序，应用程序执行流程如下图所示。应用程序开始后配置FPGA内部ADC驱动、频率测量模块驱动，初始化各外设，运行TCP服务器并监听设定端口；ADC、频率测量模块得到的数据传到ARM Linux中进行处理，ADC数据进行滤波、加窗、FFT、幅值恢复及显示等，频率结果直接进行修正显示。

图3 测试系统软件流程图Fig.3 The software flow chart of photoelectric module test system

3 光电组件测试系统难点及解决方案

由敏感器的工作原理可知，敏感器的光电对由电机承载着沿Z轴做圆周运动，同时在Y轴可能存在着一定的角度，由于电机、光电对自身特性会引起如下误差。

1)电机转动非线性，导致光电对旋转过程中输出光栅信号/基准信号的频率不是一个恒定值，因此在测量过程中会使得光栅/基准信号的幅度、频率等测量结果精度降低，导致光栅信号/基准信号的阈值区域模糊，从而使得敏感器的一致性及稳定性降低；

2)电机平面存在低频抖动，该抖动严重时会引起光电信号输出波形被削顶/底，造成信号测量结果不准确；低频抖动不严重时，光电信号输出上产生远低于主要频率点(如10.8kHz)的干扰信号，可以通过硬件/数字滤波等方法减小误差引入量；

3)光电组件输出信号为交直流混合信号，通常将信号缓冲后采用硬件/数字滤波、交流耦合将两信号分别测量，该方案不仅电路更复杂，由于硬件低通滤波的高延迟，会使得直流测量严重滞后交流测量结果，无法准确判断光电组件性能。本文采用直接采集加数字信号处理技术同时计算出交/直流信号幅度等信息。

地球敏感器光电组件中光栅刻度为10.8k格[4]，电机转速60rad/min的情况下输出光栅信号/基准信号的频率值对应约为10.8kHz，由于电阻阵列接入每只电阻的阻值从100Ω～5kΩ变化，导致光栅信号的交流分量幅度值1mV～12V变化，直流分

量从(0～8)V变化，要同时精确测量出该光电组件中交/直流信号并具备波形显示存储功能并没有现成的仪器可用。

3.1 交直流分量的准确测量

本文通过多通道高精度数据采集的办法获得ADC数据，然后经过一系列算法处理，数据处理流程如图4所示。

图4 数据处理流程框图Fig.4 Data processing flow

在图4中，ADC数据经过Fir滤波器滤除50kHz以上的高频干扰信号，然后经过加窗处理，加窗后的数据进行9 182点定点FFT计算得到该信号的频谱数据，经过直流峰值幅度计算、峰值幅度点频率值计算、直流分量幅度计算、10.8kHz/43.2kHz固定频率段幅度计算便得到了交、直流分量的幅度及频率等信息。

结合电机及光电组件的特性(频率值不稳定)，本文采用了Flat top 248D窗函数，Flat top窗是频谱分析中具有最小栅栏损失的窗函数之一，参考美国SRS频谱仪SR785[5]中所用的Flat top窗函数的定义式如式(1)，式(1)中各参量的实际取值见表1。

(1)

图5 Flat top窗的权值及频谱图Fig.5 Flat top window weight and spectrum diagram

Flat top窗的权值及频谱如图5所示。 图5(a)为该Flat top归一化权值，图5(b)为对应的频谱，其3dB带宽为5.5个频率分辨率区间，第一个0点位于第11个频率分辨率点，其他点幅度为-248dB，在精确得到该频率段的幅度的同时大大抑制了高低频噪声[6]。图5(c)为采集到的实际信号，包含直流分量为2V；光栅信号为1.5V，频率500Hz；基准信号为2.5V，频率为4kHz，图5(e)为该信号进行FFT计算后的幅度谱，图中可看到各峰值能量的泄露较为严重，直接得到信号精确的幅度几乎不可能；图5(d)为原始信号加窗后的新信号；图5(f)为加窗后信号的频谱图，三个峰值分别为1.999 9V，1.500 2V，2.500 6V，最大误差为2.5×10-4，能够较精确地分辨出光栅信号/基准信号。

由于光栅信号/基准信号的频率不一定准确地落在分辨率点上，根据Flat top窗的特性，将该频率点附近的最大峰值与次大峰值进行平均，就能更逼近真值，如式(3)所示

(3)

式中：f——该点频率值；Fs——采样频率；N——FFT计算点数。

图6 4kHz信号的幅度频谱图Fig.6 The amplitude spectrum diagram of 4kHz signal

以4kHz和500Hz的频率点为例，分别绘制各点幅度谱图，如图6所示。其中，4kHz例中，峰值为2.500 68V，次峰值为2.499 45V，其平均值为2.500 065V，最大允许误差为0.3×10-4，计算结果较为精确，能够代表该光栅信号/基准信号幅度值。

3.2 频率的精密测量

由于光电组件输出的光栅信号/基准信号的频率值不稳定，常规的无源测频法、有源比较法、电子计数器等方法无法达到较高的精度。针对此问题，本文提出不固定闸门时间、以设定闸门时间附近被测信号的整数倍周期时间作为闸门时间的方法，保证了预设闸门时间后的第一个被测信号周期内的标准频率与被测信号的高度同步，即等精度频率测量法，其原理如图7所示。

图7 等精度频率测量原理示意图Fig.7 The principle of equal precision frequency measurement

该方法解决了测量被测信号与标准信号的同步问题，提高了频率测量精度。同时，预置闸门时间可以由触摸液晶屏进行设置，闸门时间越长，权值越高，对于电机转速不均匀导致光栅信号/基准信号的频率测量误差就越小，该方法同时适用于电机转速测量。

4 测试结果

为验证本光电组件测试系统，搭建了同等验证系统，验证系统组成见表2。

表2 验证系统的组成设备及用途列表Tab.2 The instrument and purpose list of The Equal Verify System名称型号厂家用途示波器DS2302ARigol观察光电组件输出波形数字多用表DM3068Rigol测量光电组件中光栅/基准输出信号的直流分量数字多用表DM3068Rigol测量光电组件中光栅/基准输出信号的交流分量频率计53131AAgilent测量光电组件中光栅/基准输出信号的频率

本文设计的地球敏感器光电组件地面测试系统与同等验证系统频率测量结果相对误差如图8所示。

图8 频率测量结果相对误差对比图Fig.8 Comparison chart of relative errors of frequency measurement results

幅值测量结果相对误差如图9所示，测试点为0.1V～10V，频率为DC，400Hz，1kHz，10kHz。

图9 幅度测量结果相对误差图Fig.9 Relative error diagram of amplitude measurement results

5 结束语

本文设计的地球敏感器地面测试系统，实现了该敏感器研制过程中光栅信号/基准信号幅度、频率、电机转速等参数的测量，测试结果优于任务指标。从上面的分析计算不难看出地球敏感器的研制过程包含复杂的技术，包括机、光、电等技术，因此，要提高系统的精度及稳定性等因素，需综合且均衡地考虑各方面的影响因素。本文设计的地球敏感器地面测试系统不仅适用于该敏感器研制过程中的各种测试工作，还能够满足双圆锥扫描式红外地球敏感器系统中的敏感器匹配工作。