辛玉新，屈中權(quán)，范玉峰，張瑞龍，和壽圣

(1.中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011;2.中國科學(xué)院研究生院，北京 100049;3.中國科學(xué)院天體結(jié)構(gòu)與演化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650011)

早在1811年，法國科學(xué)家D E Arago首先從月光里探測(cè)到偏振光的存在［1］，從而拉開了天體輻射偏振測(cè)量的序幕。1948年前后，J S Hall和W A Hiltner對(duì)恒星做的偏振測(cè)量表明:大多數(shù)遠(yuǎn)距離恒星的輻射是部分線偏振的，低銀緯的恒星在垂直于銀河旋臂的方向上偏振度較大［2］。雖然來自天體的偏振光被發(fā)現(xiàn)至今已有近200年的歷史，但有關(guān)夜天文觀測(cè)的天體偏振測(cè)量還相對(duì)較新，原因主要有兩個(gè):第一，偏振測(cè)量技術(shù)上的困難;第二，恒星輻射的偏振光強(qiáng)度沒有天文學(xué)家預(yù)期的強(qiáng)。

偏振器是這樣一種儀器，自然光通過它后能成為顯著的偏振光，產(chǎn)生線偏振光的叫做線偏振器，如偏振片、尼科耳棱鏡等;產(chǎn)生圓偏振光或橢圓偏振光的叫做圓偏振器或橢圓偏振器。當(dāng)某偏振器件被用來產(chǎn)生偏振光時(shí)就稱為起偏器，或簡(jiǎn)稱偏振器，當(dāng)它用來分析和檢測(cè)偏振光是否存在、屬何種類型時(shí)就稱為檢偏振器或偏振分析器。我國很早就在太陽觀測(cè)領(lǐng)域使用偏振分析器［3］，但到目前還沒有成功進(jìn)行夜天文偏振觀測(cè)。

一般來說，通過線檢偏器和1/4波片就能判斷偏振光的類型。具體方法簡(jiǎn)要介紹如下:通過旋轉(zhuǎn)線檢偏器觀測(cè)強(qiáng)度的變化，若出射強(qiáng)度I沒有變化，則入射光可能是自然光、圓偏振光或部分圓偏振光的一種;若出射強(qiáng)度I有變化，且在某個(gè)角度φ達(dá)到極大值Imax，則入射光為線偏振光、部分線偏振光、橢圓偏振光、部分橢圓偏振光。要想?yún)^(qū)分自然光、圓偏振光和部分圓偏振光，或區(qū)分部分線偏振光、橢圓偏振光、部分橢圓偏振光，只需在檢偏器前面加一塊1/4波片即可，具體方法不再詳述。

測(cè)量天體輻射的偏振狀態(tài)，能為了解天體的物理狀況、研究天體輻射機(jī)制和天體輻射經(jīng)過的介質(zhì)特性提供極有用的資料［2］，例如:ESO VLT利用FORS1進(jìn)行的恒星光譜偏振測(cè)量，尋找恒星磁場(chǎng)與恒星演化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了線偏振與圓偏振之間的串?dāng)_［4］;ESO VLT用ZIMPOL(Zurich成像偏振計(jì))與自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)(CHEOPS)組合進(jìn)行系外行星探測(cè)［5］;由日冕的偏振測(cè)量可以求出日冕內(nèi)電子密度和溫度分布;觀測(cè)塞曼效應(yīng)產(chǎn)生的偏振用以確定天體磁場(chǎng);由恒星輻射的偏振資料可以推算星際磁場(chǎng)等。

1 系統(tǒng)綜述

檢偏器控制系統(tǒng)包括控制計(jì)算機(jī)PC、控制電路箱、電源、步進(jìn)電機(jī)、光電絕對(duì)式編碼器、檢偏器機(jī)械部分及連接電纜組成。控制計(jì)算機(jī)通過TCP/IP(RJ45接口)協(xié)議、串口(RS485)通信協(xié)議分別控制檢偏器的主動(dòng)部分(步進(jìn)電機(jī))和從動(dòng)部分(光電絕對(duì)編碼器)，前者主要接收PC發(fā)過來的控制指令，執(zhí)行，然后再反饋該指令回PC機(jī)，PC機(jī)可以通過驗(yàn)證電機(jī)回傳的信息判斷其是否接收并執(zhí)行了正確的指令;后者可實(shí)時(shí)反饋當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)位置(通過編碼器讀數(shù)0－1023)，上位機(jī)根據(jù)反饋的信息實(shí)時(shí)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制檢偏器到達(dá)指定的角度。該檢偏器安裝在麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡的卡焦上，主光路通過檢偏器上的偏振片后進(jìn)入云南暗弱天體光譜儀(YFOSC)，從而使麗江2.4 m望遠(yuǎn)鏡具備進(jìn)行夜天文偏振觀測(cè)的能力。世界上很多進(jìn)行夜天文觀測(cè)的大望遠(yuǎn)鏡都已經(jīng)安裝或?qū)⒁惭b進(jìn)行恒星偏振觀測(cè)的設(shè)備［6］。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是屈中權(quán)研究員提出的，原理框圖如圖1。

圖1 檢偏器系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Illustration of the polarization analyzer system

2 機(jī)械部分

圖2 機(jī)械部分(左側(cè):編碼器，右側(cè):步進(jìn)電機(jī))Fig.2 The mechanical unit(Left-hand side:encoder;Right-hand side:step-motor)

機(jī)械部分(圖2)是該系統(tǒng)的最重要的部分。首先要精確測(cè)量望遠(yuǎn)鏡卡焦接口處的尺寸，要兼顧編碼器、步進(jìn)電機(jī)的尺寸，同時(shí)要確保機(jī)械齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)精度。盡量增大檢偏器轉(zhuǎn)盤直徑與編碼器轉(zhuǎn)盤直徑的比值，即增加檢偏器旋轉(zhuǎn)一周所對(duì)應(yīng)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，最好能達(dá)到滿量程32圈(編碼器最大量程32圈，最大讀數(shù)1024)。理想情況下的轉(zhuǎn)盤分辨率為360°/1024?0.35°，即針對(duì)1024個(gè)輸出碼數(shù)的編碼器而言可以達(dá)到的檢偏器轉(zhuǎn)盤分辨率接近0.35°，當(dāng)然如果選擇的編碼器輸出碼數(shù)越多其精度越高。以上只是基于理論上的討論，由于實(shí)際機(jī)械加工的精度及難度還有成本等諸多因素考慮，最終設(shè)計(jì)的檢偏器轉(zhuǎn)盤直徑與編碼器轉(zhuǎn)盤直徑的比值約為13∶1，即編碼器旋轉(zhuǎn)13圈檢偏器正好旋轉(zhuǎn)一周，分辨率為360°/424=0.85°(最低要求是小于1°)，剛好能滿足要求。偏振片就固定在中心圓柱的中間部分，望遠(yuǎn)鏡主光路通過檢偏器后進(jìn)入光譜儀。

3 電控部分

3.1 步進(jìn)電機(jī)控制部分

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用的是ZD-6560-V4高性能步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，特點(diǎn)如下:高集成度高可靠性;接口采用超高速光耦隔離;抗高頻干擾能力強(qiáng);最高輸入電壓40 V(峰值);電源反接保護(hù)等。主要功能有:整步、二細(xì)分、八細(xì)分、十六細(xì)分可調(diào);輸出電流4檔可調(diào);過熱自動(dòng)保護(hù);自動(dòng)半流鎖定;衰減4檔可調(diào);支持脫機(jī)、使能、鎖定等功能。電機(jī)選用的是二線四相步進(jìn)電機(jī)，步距角1.8°，轉(zhuǎn)矩0.9 N.m，電流2 A。

電機(jī)控制程序在VC6.0環(huán)境下開發(fā)，通過使用自己編寫的CWSocket類實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議下的數(shù)據(jù)傳輸，每條完整的控制指令有12個(gè)ASCII代碼數(shù)字組成，具體各位代表的意義如下:

(1)轉(zhuǎn)速控制時(shí):1－功能號(hào);2－板號(hào);3－方向;4－自由位;5－保留;6、7、8、9、10、11－頻率值十萬位至頻率值個(gè)位;12－保留。

(2)步進(jìn)控制時(shí):1－功能號(hào);2－板號(hào);3－方向;4－自由位;5、6、7、8、9、10－步進(jìn)量十萬位至步進(jìn)量個(gè)位;11－脈沖周期十位;12－脈沖周期個(gè)位。

功能號(hào):“0”代表轉(zhuǎn)速控制;“1”代表步進(jìn)控制。

板號(hào):代表指令發(fā)送給哪個(gè)控制板。

自由位:轉(zhuǎn)速控制時(shí)“0”電機(jī)處于自由狀態(tài)，“1”電機(jī)處于鎖定狀態(tài)。

方向:“0”順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，“1”逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

脈沖周期十位、個(gè)位，步進(jìn)控制時(shí)可以通過改變這兩個(gè)參數(shù)來改變輸出脈沖頻率，從而調(diào)節(jié)步進(jìn)速度，取值范圍01～99，對(duì)應(yīng)的輸出步進(jìn)脈沖頻率約為30 kHz～460 Hz，電控系統(tǒng)原理圖如圖3。

圖3 電機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Block diagram of the step-motor control system

3.2 光電絕對(duì)編碼器控制部分

光電絕對(duì)編碼器是集光機(jī)電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，體積小，驅(qū)動(dòng)扭矩小，碼盤間沒有機(jī)械接觸，轉(zhuǎn)速較高，功耗低，壽命長，精確度高，無重復(fù)誤差，特別適合經(jīng)常運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，可以高精度測(cè)量轉(zhuǎn)角或直線位移。編碼器旋轉(zhuǎn)時(shí)有與其位置一一對(duì)應(yīng)的代碼，當(dāng)停電或關(guān)機(jī)后，再開機(jī)重新測(cè)量時(shí)，仍可以準(zhǔn)確地讀出停電或關(guān)機(jī)位置的代碼(即具有停電記憶功能)，這也是選擇該編碼器的重要原因。

編碼器主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(1)輸出碼數(shù):1024碼;

(2)軸每周輸出/連續(xù)圈數(shù):32碼/32圈;

(3)輸出信號(hào):RS485串行通訊信號(hào);

(4)最高機(jī)械轉(zhuǎn)速:1000 rpm;

(5)工作電壓/消耗電流:DC12－24 V/≤50 mA。

RS485串行通信是將編碼器的并行數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成串行通訊信號(hào)輸出，這種輸出方式一般用于編碼器輸出信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸距離可達(dá)1200 m。這是選擇該編碼器的另一個(gè)重要原因，通過一個(gè)RS232轉(zhuǎn)RS485的模塊就可以對(duì)編碼器進(jìn)行遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)。

編碼器通信協(xié)議:采用MODBUS-RTU(遠(yuǎn)程終端單元)模式進(jìn)行通信。

Modbus協(xié)議簡(jiǎn)介:ModBus協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，而不管它們是通過何種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的，它制定了消息域的格局和內(nèi)容的公共格式，描述了一個(gè)控制器請(qǐng)求訪問其它設(shè)備的過程，回應(yīng)來自其它設(shè)備的請(qǐng)求，以及如何偵測(cè)并記錄錯(cuò)誤信息。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以完成信息和數(shù)據(jù)的交換與傳送，使各種不同的公司和廠家的可編程順序控制器(PLC)、RTU、SCADA系統(tǒng)、DCS或與兼容ModBus協(xié)議的第三方設(shè)備之間可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建各種復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)展，這個(gè)通訊協(xié)議已廣泛被國內(nèi)外各行業(yè)作為系統(tǒng)集成的一種通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

該編碼器實(shí)現(xiàn)Modbus通信協(xié)議時(shí)，均作為從機(jī)，遵循Modbus通信過程，采用MODBUS-RTU。

協(xié)議的命令子集，使用讀寄存器命令(03)和預(yù)置寄存器命令(06)，每個(gè)消息的開頭和結(jié)尾至少有3.5字節(jié)時(shí)間的間隔。

功能碼03:利用Modbus通信協(xié)議的03功能碼，讀取設(shè)備的數(shù)值。

信息幀格式:

(1)從機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)格式:從機(jī)地址、功能碼、起始地址、數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)及CRC碼(見表1)。

表1 從機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)格式Table 1 Data format of the slave request

(2)從機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)格式:從機(jī)地址、功能碼、字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)區(qū)及CRC碼(見表2)。

表2 從機(jī)響應(yīng)數(shù)據(jù)格式Table2 Data format of the slave response

寄存器數(shù)據(jù)為2字節(jié)，高位在前。CRC碼都是2字節(jié)，低位在前。

功能碼06:省略(控制軟件中未使用)。

主機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時(shí)都需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，然后再發(fā)送出去或確認(rèn)接收到了正確的數(shù)據(jù)，下面就CRC校驗(yàn)的含義及實(shí)現(xiàn)過程做簡(jiǎn)要說明。

CRC域是2字節(jié)(CRCL、CRCH)，包含一個(gè)16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC，并與接收的CRC域中的值比較，如果兩個(gè)值不同，則有誤。具體步驟如下:

(1)預(yù)置16位寄存器為十六進(jìn)制FFFF(即全為1)。稱此寄存器為CRC寄存器;

(2)把第1個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)(既通訊信息幀的第1個(gè)字節(jié))與16位的CRC寄存器的低8位相異或，把結(jié)果放于CRC寄存器;

(3)把CRC寄存器的內(nèi)容右移1位(朝低位)用0填補(bǔ)最高位，并檢查右移后的移出位;

(4)如果移出位為0:重復(fù)第(3)步(再次右移1位);如果最低位為1:CRC寄存器與多項(xiàng)式A001(1010000000000001)進(jìn)行異或;

(5)重復(fù)步驟(3)和(4)，直到右移8次，這樣整個(gè)8位數(shù)據(jù)全部進(jìn)行了處理;

(6)重復(fù)步驟(2)到步驟(5)，進(jìn)行通訊信息幀下一個(gè)字節(jié)的處理;

(7)最后得到的CRC寄存器內(nèi)容即為CRC碼;

(8)將CRC結(jié)果放入信息幀時(shí)，將高低位交換，低位在前。

3.3 控制箱部分

前面板包括電源開關(guān)、指示燈。后面板包括電源接口、RJ45接口、RS232接口、電機(jī)和編碼器控制線接口(航空插頭)。

4 軟件部分

采用C++語言作為軟件設(shè)計(jì)的編程語言，使用微軟的Microsoft Visual C++6.0作為開發(fā)平臺(tái)［7－8］。該控制軟件的操作流程如下:

(1)雙擊可執(zhí)行文件Polarize.exe，打開圖形用戶界面(如圖4)。

(2)點(diǎn)擊“啟動(dòng)”按鈕，建立TCP/IP通信，串口通信，進(jìn)行一些必要的初始化。

(3)點(diǎn)擊“初始化”按鈕，將步進(jìn)電機(jī)的位置進(jìn)行初始化，即轉(zhuǎn)到0°位置。

圖4 檢偏器控制圖形用戶界面Fig.4 The GUI of the polarization analyzer system

(4)選擇要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，然后點(diǎn)擊“轉(zhuǎn)動(dòng)”按鈕即可，此時(shí)“目標(biāo)位置”處的編輯框就會(huì)顯示目標(biāo)處編碼器對(duì)應(yīng)的讀數(shù)，而“當(dāng)前位置”處的編輯框?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前編碼器的讀數(shù)。

(5)要想從任意一個(gè)角度回到零點(diǎn)位置，點(diǎn)擊“初始化”按鈕即可。

根據(jù)實(shí)際情況又添加了如下3部分:

(1)考慮到零點(diǎn)位置可能變動(dòng)，添加了零點(diǎn)位置重設(shè)功能(“設(shè)置當(dāng)前位置為初始值”按鈕)，并能將該位置信息實(shí)時(shí)保存到文本文檔中，下次程序重啟時(shí)會(huì)自動(dòng)導(dǎo)入新的零點(diǎn)位置。

(2)另外添加了“電機(jī)控制部分”，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)步數(shù)，當(dāng)位置未到達(dá)指定值時(shí)可以手動(dòng)調(diào)節(jié)檢偏器的位置。

(3)考慮到轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪都有間隙，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)僅進(jìn)行一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)(逆時(shí)針)，當(dāng)然初始化時(shí)會(huì)順指針旋轉(zhuǎn)回零點(diǎn)位置。初始化過程要先將電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)過0°，然后再逆時(shí)針轉(zhuǎn)到0°，從而有效避免齒隙的影響。

5 系統(tǒng)測(cè)試

目前該系統(tǒng)僅在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了軟硬件調(diào)試，調(diào)試的重點(diǎn)放在檢偏器旋轉(zhuǎn)一周編碼器讀數(shù)的變化量上，由于機(jī)械誤差，編碼器、步進(jìn)電機(jī)安裝誤差等因素，實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)值有出入。

首先需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)多少步之后檢偏器正好轉(zhuǎn)動(dòng)一周，試驗(yàn)方法如下:找一塊很細(xì)且顏色鮮艷的紙條，將其切成兩半分別粘貼在轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪上和電機(jī)軸外的表面上，盡量使二者在同一平面上。然后分多次，每次輸入不同的步進(jìn)值，控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)到二者剛好重合。經(jīng)過若干次重復(fù)實(shí)驗(yàn)就可以找出該步進(jìn)數(shù)，然后使檢偏器轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)兩周、三周等，進(jìn)一步驗(yàn)證和確定電機(jī)步進(jìn)值與檢偏器旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系。

多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明當(dāng)電機(jī)(8細(xì)分)步進(jìn)21096步后，檢偏器正好旋轉(zhuǎn)一周。然后就可以確定檢偏器在旋轉(zhuǎn)了360°以后編碼器的變化情況了，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 檢偏器旋轉(zhuǎn)角與編碼器讀數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 3 The designed relation between the angle of the polarizer and the output count of encoder

顯而易見，檢偏器旋轉(zhuǎn)360°對(duì)應(yīng)編碼器讀數(shù)變化424，由此得出編碼器變化量為1時(shí)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值Δθ:

若檢偏器初始位置(0°位置)對(duì)應(yīng)的編碼器讀數(shù)為791，根據(jù)Δθ就可以確定0～360°范圍內(nèi)以22.5°為一個(gè)步進(jìn)量的每一個(gè)角度值處誤差(如表4)。

表4 檢偏器旋轉(zhuǎn)角與編碼器讀數(shù)的實(shí)測(cè)對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 4 The measured relation between the angle of the polarizer and the output count of encoder

由以上數(shù)據(jù)可知，當(dāng)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是22.5°的偶數(shù)倍時(shí)，其理論誤差為0，而需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為22.5°的奇數(shù)倍時(shí)，其理論誤差為0.42°。

6 系統(tǒng)有待改進(jìn)和完善的地方

(1)目前望遠(yuǎn)鏡控制軟件是基于LINUX平臺(tái)的，而本系統(tǒng)的控制軟件是基于WINDOWS的，因此給觀測(cè)者帶來諸多不便，以后要實(shí)現(xiàn)LINUX平臺(tái)下的檢偏器系統(tǒng)控制。

(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)上可以考慮如何與望遠(yuǎn)鏡的光譜儀進(jìn)行無縫對(duì)接，從而使檢偏器控制與光譜儀的控制統(tǒng)一起來。

［1］譚徽松.天體物理方法 ［M］.昆明:云南天文臺(tái)南方基地，2008:114.

［2］程福臻.實(shí)測(cè)天體物理 ［M］.合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2005:95－102.

［3］Z Q Qu，X Y Zh，X K Chen，et al.A Solar Stokes Spectrum Telecope ［J］.Solar Physics，2001，201(2):241－251.

［4］S Bagnulo，M Sterzik.Measuring Stellar Magnetic Fields with FORS1 at the ESO VLT ［C］//Svetlana V Berdyugina，K N Nagendra，Renzo Ramelli.Proceedings of the Conference Held 17－21 September.San Francisco:Astronomical Society of the Pacific，2009:511.

［5］Gisler Daniel，Schmid Hans Martin，Thalmann Christian，et al.CHEOPS/ZIMPOL:a VLT Instrument Study for the Polarimetric Search of Scattered Light from Extrasolar Planets［C］//Alan F M Moorwood，Iye Masanori.Ground-based Instrumentation for Astronomy.Proceedings of the SPIE，2004，5492:463－474.

［6］C Packham，M Escuti，J Ginn，et al.Polarization Gratings:A Novel Polarimetric Component for Astronomical Instruments ［J］.Publications of the Astronomical Society of the Pacific，2010，122:1471－1482.

［7］Stanley B Lippamn.C++Primer［M］.李師賢，譯.北京:人民郵電出版社，2009.

［8］梁偉.Visual C++網(wǎng)絡(luò)編程經(jīng)典案例詳解 ［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010.