周安萌，劉恩超，李 新，鄭小兵

(1.中國(guó)科學(xué)院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，中國(guó)科學(xué)院通用光學(xué)定標(biāo)與表征技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，安徽 合肥 230026)

引言

隨著“十二·五”階段越來(lái)越多的光譜衛(wèi)星遙感器的發(fā)射，衛(wèi)星遙感器的場(chǎng)地定標(biāo)對(duì)光譜輻射觀測(cè)儀器也提出了更高的需求[1]。為滿足野外輻射測(cè)量?jī)x器的數(shù)據(jù)采集精度與可靠性需求，本文研制了一套可見(jiàn)近紅外波段的光譜輻射測(cè)量電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)的成功研制可以應(yīng)用到光譜輻射測(cè)量模塊并直接用于野外輻射測(cè)量?jī)x器中，為衛(wèi)星遙感器場(chǎng)地定標(biāo)的輻射測(cè)量?jī)x器的研制提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

國(guó)外光譜儀技術(shù)發(fā)展較為成熟，已成功研制了一些高性能的儀器，如日本的MS-700DNI太陽(yáng)輻射計(jì)用于350 nm～1 050 nm波段太陽(yáng)直射光譜輻射量的室外連續(xù)觀測(cè)，美國(guó)的OL756是一款高精度、紫外到近紅外波段的便攜式光譜輻射儀[2]，可以在實(shí)驗(yàn)室或野外實(shí)現(xiàn)高精度的光譜輻射測(cè)量，美國(guó)的SVC是手持便攜式光譜分析儀[3]，可以實(shí)現(xiàn)350 nm～2 500 nm的輻亮度觀測(cè)。但這些設(shè)備價(jià)格高、采購(gòu)周期長(zhǎng)、技術(shù)固定，不適于滿足國(guó)內(nèi)技術(shù)需求的應(yīng)用。而國(guó)內(nèi)的光譜儀器還是以線陣CCD為探測(cè)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]，這種技術(shù)雖然已經(jīng)成熟，但是其可靠性、溫度穩(wěn)定性、精度上不適用于在野外的高低溫環(huán)境下進(jìn)行高精度觀測(cè)。在分析了國(guó)外儀器的工作指標(biāo)與性能以及國(guó)內(nèi)儀器的技術(shù)后，設(shè)計(jì)了應(yīng)用于野外輻射測(cè)量的光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)，可以滿足太陽(yáng)反射譜段場(chǎng)地定標(biāo)的地表特性觀測(cè)。

根據(jù)野外儀器的工作環(huán)境與需求，選用高精度、低溫漂的線陣傳感器，并設(shè)計(jì)了基于STM32的驅(qū)動(dòng)與數(shù)字化系統(tǒng)，保證觀測(cè)性能的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化了硬件與軟件控制方面的工作。探測(cè)器輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)儀表放大器電路處理后，由STM32內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器采集。最后針對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)的性能進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，并給出了野外輻射測(cè)量的應(yīng)用及比對(duì)結(jié)果。

1 探測(cè)器輻射采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

探測(cè)器輻射采集系統(tǒng)主要由線陣探測(cè)器、主控電路、模擬信號(hào)處理電路與電源部分組成，設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。輻射采集系統(tǒng)以線陣探測(cè)器為核心，采用微處理器STM32F103作為主控芯片完成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成和控制功能。探測(cè)器的輻射輸出經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)處理電路后，由微處理器進(jìn)行采集，并將采集結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)，電源為各部分工作提供所需電壓。

圖1 輻射測(cè)量系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

1.1 線陣傳感器工作原理

利用線陣傳感器實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)近紅外波段的野外輻射測(cè)量，要求線陣傳感器的光譜范圍、像元尺寸、工作環(huán)境能夠滿足工作輻射觀測(cè)、分辨率方面的要求。系統(tǒng)中選用了線陣圖像傳感器S3924-512Q，表1給出了其性能參數(shù)[5]。

表1 線陣傳感器性能參數(shù)

1.2 線陣傳感器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

線陣傳感器S3924-512Q工作時(shí)需要4路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)供電荷產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和讀出，其中包括移位脈沖φ1、φ2，轉(zhuǎn)移脈沖φst，復(fù)位脈沖RESET。φst為低電平時(shí)，探測(cè)器進(jìn)行光積分，此階段不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。φst為高電平時(shí)，探測(cè)器將光積分轉(zhuǎn)移至移位寄存器，移位寄存器在φ1、φ2作用下將電荷逐位移到輸出端。在下一個(gè)信號(hào)到來(lái)前，RESET對(duì)相元中的殘余信號(hào)進(jìn)行清除。傳感器時(shí)序如圖2所示[6]。

圖2 線陣傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序

采用STM32單片機(jī)的高級(jí)定時(shí)器產(chǎn)生S3924-512Q工作所需的時(shí)序驅(qū)動(dòng)。φ、φ2分別由STM32的高級(jí)定時(shí)器TIM4_Channel1、TIM4_Channel2產(chǎn)生。STM32時(shí)鐘主頻為72 MHz，TIM4工作在PWM2模式，設(shè)置TIM4自動(dòng)重裝載寄存器的值為899，輸出比較值為449，TIM4_Channel1輸出比較極性為低，TIM4_Channel2輸出比較極性為高[7]，便可以產(chǎn)生頻率為80 kHz，占空比1∶1的兩個(gè)反相時(shí)序波形。Channel1和Channel2的輸出信號(hào)分別經(jīng)過(guò)74ACT00的兩個(gè)與非門，并轉(zhuǎn)換為5 V電平后即得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)φ1、φ2。

RESET由STM32的TIM3_Channel1、TIM3_Channel2產(chǎn)生。由S3924-512Q的驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以看出，以φ2的信號(hào)周期為標(biāo)準(zhǔn)，RESET上升沿在φ2的高電平期間，RESET下降沿在φ2的低電平期間。因此設(shè)計(jì)中采用定時(shí)器的兩個(gè)通道輸出兩個(gè)占空比不同的脈沖，經(jīng)過(guò)與非門來(lái)產(chǎn)生所需信號(hào)。TIM3工作在PWM1模式，設(shè)置TIM3自動(dòng)重裝載寄存器為899，Channel1和Channel2的比較值分別為240，380，輸出比較極性為低。Channel1和Channel2輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)74ACT00與非門，并轉(zhuǎn)換為5 V電平得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)RESET。

A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)時(shí)序(trigger)通過(guò)TIM4_Channel3產(chǎn)生，與NMOS圖像傳感器輸出信號(hào)同步，直接輸出給STM32配置好外部中斷觸發(fā)的引腳PA_5，用于觸發(fā)中斷，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器采集。STM32高級(jí)定時(shí)器產(chǎn)生PWM波由KEIL中集成的logic analyzer仿真[8]如圖3所示。

圖3 STM32高級(jí)定時(shí)器產(chǎn)生PWM波仿真圖

φst配置到引腳PA_10，控制I/O口高低電平翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，使φ2的下降沿落在φst的高電平, PA_10輸出信號(hào)在經(jīng)過(guò)74ACT00與非門，并轉(zhuǎn)換為5 V電平得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)φst。STM32產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過(guò)與非門電路后時(shí)序圖和在時(shí)序驅(qū)動(dòng)下S3924-512Q的輸出信號(hào)圖如圖4所示。其中ST為轉(zhuǎn)移脈沖，P1、P2為移位脈沖，RS為復(fù)位脈沖，AD為觸發(fā)脈沖，SIGN為線陣探測(cè)器輸出信號(hào)。

圖4 線陣傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序和輸出信號(hào)

2 探測(cè)器信號(hào)處理與采集

2.1 模擬輸出信號(hào)處理

采用正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序提供到S3924-512Q中，可以輸出Active Video有效信號(hào)和Dummy Video暗電流信號(hào)。兩路信號(hào)具有以下特點(diǎn)：負(fù)極性，有限信號(hào)幅值小、都疊加在1.26 V直流電壓上。鑒于以上特點(diǎn)不能直接送入A/D轉(zhuǎn)換器，必須先從硬件上對(duì)其進(jìn)行一系列預(yù)處理，扣除直流本底信號(hào)及傳感器暗電流引起的噪聲，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AD8220來(lái)實(shí)現(xiàn)前端的差分和放大功能。AD8220是輸入軌至軌輸出的儀表放大器，其可調(diào)增益范圍為1～1 000倍，僅需要通過(guò)單電阻來(lái)設(shè)置[9]。Active和Dummy信號(hào)分別送至差分放大器的同相和反相輸入端，模擬信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 探測(cè)器輸出信號(hào)預(yù)處理電路

S3924-512Q飽和輸出電壓幅值的典型值為820 mV，AD8220參考電壓為2.5 V，因此差分放大電路可設(shè)的最大放大倍數(shù)G為3倍。設(shè)RG是增益調(diào)節(jié)電阻，則AD8220的增益與調(diào)節(jié)電阻的關(guān)系為

(1)

在圖5電路設(shè)計(jì)中，預(yù)留了2個(gè)電阻R9、R10組成RG，當(dāng)放大倍數(shù)設(shè)定為3時(shí)，其阻值大小可設(shè)置為49.4 kΩ。

2.2 探測(cè)器信號(hào)采集

根據(jù)S3924-512Q輸出信號(hào)的特點(diǎn)，電路采樣頻率需大于200 kHz，最大轉(zhuǎn)換電壓為2.5 V，設(shè)計(jì)中采用了STM32內(nèi)部12位高速ADC完成模數(shù)轉(zhuǎn)換工作[10]，滿足測(cè)量要求且簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)AD與NMOS傳感器輸出信號(hào)SIGN如圖6所示。

圖6 A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)與輸出信號(hào)

3 光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)

光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)由輻射測(cè)量探測(cè)器電路系統(tǒng)、平場(chǎng)凹面光柵、入射狹縫、光纖等部分組成，如圖7所示。其中輻射測(cè)量探測(cè)器電路系統(tǒng)為上述設(shè)計(jì)的結(jié)果，平場(chǎng)凹面光柵集分光、匯聚、像差校正于一體[11]，用于將入射狹縫的光色散并匯聚到探測(cè)器焦平面上。該設(shè)計(jì)方法最大化減少了光電器件數(shù)量，并具備性能保障，保證了系統(tǒng)在野外工作的可靠性和穩(wěn)定性。

圖7 分光探測(cè)結(jié)構(gòu)圖

4 輻射采集系統(tǒng)測(cè)量分析與應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)觀測(cè)與性能分析

整個(gè)輻射采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的場(chǎng)景模型測(cè)試，如圖8所示，測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)場(chǎng)景為探測(cè)器在部分遮擋下系統(tǒng)檢測(cè)光譜數(shù)據(jù)。當(dāng)線陣探測(cè)器經(jīng)過(guò)以上電路處理后可得到理想的數(shù)字信號(hào)輸出，可通過(guò)CAN通信發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析處理。

圖8 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

圖9為上位機(jī)接收到的探測(cè)器采集的輸出波形圖，從圖中可以看出，輸出波形為透光區(qū)域的探測(cè)器像元采集到的光信號(hào)，這與本設(shè)計(jì)的預(yù)期符合。但遮光區(qū)域邊緣漏光，造成系統(tǒng)采集的光譜在遮光邊緣處譜線緩慢的上升或下降。

圖9 上位機(jī)接收的輸出波形圖

整個(gè)輻射采集系統(tǒng)是利用微處理器STM32內(nèi)部12位的ADC完成采集，它的參考電壓為3.3 V。整個(gè)系統(tǒng)在完全遮擋的測(cè)量場(chǎng)景下進(jìn)行工作，所有像元之間的電壓偏差如圖10所示，可看出系統(tǒng)的量化誤差為1 LSB，約為0.8 mV。

圖10 探測(cè)器采集的量化誤差

4.2 光譜采集系統(tǒng)應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)光譜采集系統(tǒng)的野外應(yīng)用與比對(duì)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基于中國(guó)計(jì)量院標(biāo)準(zhǔn)燈的輻照度響應(yīng)度定標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)燈標(biāo)準(zhǔn)輻照度值和輻照度測(cè)量電壓值的比值作為光譜采集系統(tǒng)的定標(biāo)系數(shù)[12]。定標(biāo)完成后選擇晴朗日對(duì)輻射測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行野外測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并與MODTRAN[13-14]模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。其中輻射測(cè)量系統(tǒng)采用積分球進(jìn)行總照度直接觀測(cè)，MODTRAN的結(jié)果采用實(shí)時(shí)的經(jīng)緯度、時(shí)間、大氣光學(xué)厚度等條件進(jìn)行模擬，最終的比對(duì)結(jié)果如圖11所示。由圖中可看出，兩者得到的地面光譜輻照度趨勢(shì)一致，驗(yàn)證了輻射測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和系統(tǒng)定標(biāo)方法的正確性。將光譜采集系統(tǒng)的總照度觀測(cè)結(jié)果EVNIR(λ)與MODTRAN的模擬結(jié)果EMODTRAN(λ)進(jìn)行比對(duì)計(jì)算，計(jì)算方法如(2)式所示，最終兩者的總照度存在5%的相對(duì)偏差，考慮到理論模型中水汽、臭氧等參數(shù)[15]采用理論輸入結(jié)果，與環(huán)境的實(shí)際值有差異，引起總照度的偏差。為了進(jìn)一步驗(yàn)證總照度比對(duì)偏差，首先進(jìn)行理論模擬中的水汽、臭氧等參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲得實(shí)測(cè)參數(shù)的大氣總照度模擬數(shù)據(jù)，其次采用另外的野外光譜儀器進(jìn)行同步比對(duì)測(cè)試，驗(yàn)證光譜采集系統(tǒng)的最終觀測(cè)結(jié)果。

(2)

圖11 太陽(yáng)光譜總照度對(duì)比

5 結(jié)論

為滿足衛(wèi)星遙感器在軌場(chǎng)地定標(biāo)的野外觀測(cè)儀器的應(yīng)用需求，本文完成了可見(jiàn)近紅外波段的光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并給出了其應(yīng)用與分析。選用高性能的線陣傳感器，分析驅(qū)動(dòng)時(shí)序的需求并進(jìn)行了設(shè)計(jì)。獲得探測(cè)器的模擬輸出信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理和信號(hào)采集，得到了可見(jiàn)近紅外波段的輻射信號(hào)測(cè)量結(jié)果。通過(guò)對(duì)輻射測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證與分析，電路系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度小于0.8 mV，光譜輻射采集系統(tǒng)的野外總照度測(cè)量的比對(duì)結(jié)果小于5.0%。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)近紅外譜段的光譜數(shù)據(jù)測(cè)量，并通過(guò)試驗(yàn)和系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證，可以直接應(yīng)用于野外光譜觀測(cè)儀器中。