黃威林佳本*侯俊峰張洋朱曉明鄧元勇王東光

空間用液晶可變相位延遲器相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的電子學(xué)設(shè)計(jì)

黃威1，2，3，林佳本1，2，3*，侯俊峰1，2，3，張洋1，2，3，朱曉明1，2，3，鄧元勇1，2，3，王東光1，2

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái)，北京 100101；2.中國(guó)科學(xué)院 中國(guó)科學(xué)院太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

液晶可變相位延遲器（LCVR）由于其調(diào)制速度快、重量輕、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件等特點(diǎn)成為空間光學(xué)儀器中新的研究熱點(diǎn)。然而，LCVR中的液晶屬于高分子材料，其空間適應(yīng)性有待考核驗(yàn)證。由于地面環(huán)境模擬試驗(yàn)無(wú)法同時(shí)還原太空中的所有參數(shù)，因此亟需研制一臺(tái)符合衛(wèi)星搭載要求的LCVR空間特性試驗(yàn)儀，來(lái)研究液晶器件在真實(shí)星載環(huán)境下的電光性能（相位延遲-電壓曲線穩(wěn)定性）。本文分析了LCVR延遲測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并給出LCVR相位延遲-電壓曲線的電子學(xué)測(cè)量方案。首先使用“零點(diǎn)”標(biāo)定法設(shè)計(jì)了高穩(wěn)定度的LCVR驅(qū)動(dòng)；然后使用變頻誤差控制法，實(shí)現(xiàn)了LCVR的高精度恒溫控制。其中LCVR驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到99.3%，LCVR恒溫精度最高達(dá)到（35±0.1） ℃。在此基礎(chǔ)上，對(duì)整機(jī)進(jìn)行了力、熱和電磁兼容試驗(yàn)，結(jié)果表明待測(cè)LCVR和電子學(xué)系統(tǒng)功能穩(wěn)定，成功完成了LCVR這一首飛器件的空間光電測(cè)試系統(tǒng)在我國(guó)的首次研制，對(duì)液晶的空間化應(yīng)用有著重要意義。

液晶器件；液晶可變相位延遲器；偏振調(diào)制；恒溫控制

1 引言

與傳統(tǒng)光電成像探測(cè)不同，偏振探測(cè)不僅能夠提供目標(biāo)場(chǎng)景的光強(qiáng)度、光譜信息，而且可獲得偏振度、偏振角、橢圓率等偏振參數(shù)，從而增強(qiáng)被測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景的信息量，在突顯目標(biāo)、提高目標(biāo)和背景對(duì)比度、反演被測(cè)目標(biāo)物理特性等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［1-7］，被廣泛應(yīng)用于地物遙感、海面目標(biāo)探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、大氣物理、空間探測(cè)和天文遙感等諸多領(lǐng)域［8］。

作為偏振設(shè)備中的關(guān)鍵電光調(diào)制器件，液晶可變相位延遲器（LCVR）由于其無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)制速度快、口徑大、質(zhì)量輕、光譜范圍寬、驅(qū)動(dòng)電壓低、相位延遲0°～360°連續(xù)可調(diào)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于天文、遙感等領(lǐng)域的偏振探測(cè)中［9-13］。尤其在太陽(yáng)物理領(lǐng)域，LCVR是目前唯一可同時(shí)滿足太陽(yáng)偏振測(cè)量和窄帶調(diào)諧濾光的低壓電光調(diào)制器件?，F(xiàn)在國(guó)際上大多數(shù)地基太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡均使用了LCVR進(jìn)行偏振成像成譜測(cè)量［14-20］。

相較于地基望遠(yuǎn)鏡的普及化，LCVR在空間望遠(yuǎn)鏡的應(yīng)用則極為緩慢，其核心問(wèn)題在于：LCVR中液晶的高分子和液晶態(tài)屬性，增加了其在空間復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。在國(guó)際上，西班牙國(guó)家太空科技研究所直到2005年才開(kāi)始LCVR空間化的預(yù)研。2020年歐空局Solar Obiter衛(wèi)星的發(fā)射，標(biāo)志了LCVR首次實(shí)現(xiàn)了空間化應(yīng)用。在國(guó)內(nèi)，2017年立項(xiàng)的ASO-S太陽(yáng)觀測(cè)衛(wèi)星［21］將LCVR作為全日面矢量磁像儀（FMG）的偏振調(diào)制器件，侯俊峰等人雖然在FMG中開(kāi)展了LCVR的質(zhì)子輻照、中子輻照、紫外輻照、真空和高低溫環(huán)境試驗(yàn)［22］，但真實(shí)太空環(huán)境是各種輻照、力熱環(huán)境的綜合體，LCVR在實(shí)際空間環(huán)境的性能如何尚未可知。然而， LCVR的空間適應(yīng)性恰恰直接決定了其能否在空間科學(xué)儀器中進(jìn)行有效而穩(wěn)定的應(yīng)用，是獲得高質(zhì)量科學(xué)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵所在。因此，LCVR在真實(shí)太空環(huán)境中的性能測(cè)試勢(shì)在必行。

本文介紹了空間LCVR相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的電子學(xué)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性測(cè)試，該系統(tǒng)將搭載CX-06衛(wèi)星對(duì)LCVR的最關(guān)鍵偏振參數(shù)（相位延遲-電壓曲線）的重復(fù)性、穩(wěn)定性進(jìn)行星載測(cè)試。本文首先介紹了LCVR相位延遲的測(cè)量原理和整機(jī)的穩(wěn)定性分析，然后詳細(xì)介紹系統(tǒng)的電子學(xué)實(shí)現(xiàn)方案，最后介紹整機(jī)電裝集成后進(jìn)行的各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果分析。

2 LCVR的結(jié)構(gòu)與相位測(cè)量原理

2.1　LCVR的結(jié)構(gòu)

一片LCVR由核心材料液晶分子、形成液晶分子容納腔的玻璃基板和玻璃基板內(nèi)表面附著的氧化銦錫（ITO）導(dǎo)電膜等組成，如圖1所示。

圖1　LCVR基本結(jié)構(gòu)

本文的LCVR中液晶材料為向列相液晶分子。向列相液晶分子呈長(zhǎng)棒狀，長(zhǎng)軸的方向決定了LCVR的光軸（快軸）。在ITO導(dǎo)電膜上施加不同電壓時(shí)，液晶分子從初始時(shí)平行于玻璃基板到逐漸垂直，LCVR的相位延遲逐漸減小。本文的LCVR材料為5CB（PP5CN），導(dǎo)電膜為ITO，取向膜為聚酰亞胺材質(zhì)，液晶盒厚為5 μm。該LCVR的典型電壓-延遲曲線如圖2所示。

圖2　典型的LCVR相位延遲-電壓曲線

2.2　相位延遲的測(cè)量

由圖 2的曲線可知，LCVR的相位延遲隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而非線性連續(xù)減小。在2～10 V的電壓區(qū)間，相位延遲連續(xù)變化360°以上，該曲線的穩(wěn)定性直接決定了LCVR能否被真正應(yīng)用到空間設(shè)備中。完整地測(cè)量LCVR的相位延遲-電壓曲線一般至少需要光源、偏振調(diào)制組件和探測(cè)器3部分，本文使用光強(qiáng)法測(cè)量LCVR的相位延遲-電壓曲線，整機(jī)的光路示意圖如圖3所示。

圖3　空間LCVR相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)

圖3中，偏振調(diào)制組件主要由兩片偏振片和一片LCVR組成。其中，兩片偏振片的透光軸相互平行，待測(cè)的LCVR光軸與偏振片的光軸成45°夾角。在該光路中，由LED光源產(chǎn)生入射光，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡、濾光片、偏振調(diào)制組件和成像鏡后，被探測(cè)器接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。根據(jù)偏振光學(xué)傳輸理論，探測(cè)器接收的光強(qiáng)out與LCVR的相位延遲之間有如下關(guān)系：

其中，in為光源產(chǎn)生的入射光強(qiáng)，對(duì)式（1）的進(jìn)行變換：

當(dāng)光源的光強(qiáng)in不變時(shí)，對(duì)LCVR施加不同的驅(qū)動(dòng)電壓，探測(cè)器會(huì)接收到不同的輸出光強(qiáng)out，經(jīng)過(guò)完整的驅(qū)動(dòng)電壓掃描后，可以獲得光強(qiáng)-電壓曲線，經(jīng)過(guò)歸一化和相位轉(zhuǎn)換后即可獲得該LCVR的相位延遲-電壓曲線。

3 整機(jī)的穩(wěn)定性分析

整機(jī)的穩(wěn)定性直接決定了所采集的LCVR相位延遲-電壓曲線的真實(shí)性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要提高光機(jī)和電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。整機(jī)的穩(wěn)定性主要受光源［23］、探測(cè)器和LCVR工作條件的影響，其中偏振片、濾光片和其他光機(jī)部分的穩(wěn)定性高，隨外界的變化在本文中可以忽略。光源和探測(cè)器是半導(dǎo)體器件，自身的電光/光電穩(wěn)定性較高，如光源短周期的變化率一般在0.5%以內(nèi)［23］。規(guī)范的電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)可以提高光源和探測(cè)器的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)可靠性，對(duì)整機(jī)穩(wěn)定性的影響可以忽略。LCVR的工作條件包括：為L(zhǎng)CVR提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電壓和為L(zhǎng)CVR提供穩(wěn)定的恒溫環(huán)境，二者的變化是影響整機(jī)穩(wěn)定性的主要因素。

3.1　LCVR驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性

LCVR是電光器件，驅(qū)動(dòng)電壓的穩(wěn)定度會(huì)直接影響LCVR的實(shí)際響應(yīng)。根據(jù)液晶的直流效應(yīng)和電場(chǎng)效應(yīng)，LCVR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)一般為交流方波，典型的LCVR驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖4所示，信號(hào)的實(shí)際輸出頻率為out，峰峰值為1-2。

圖4　LCVR的驅(qū)動(dòng)波形

圖4中，正電壓1和負(fù)電壓2理論上應(yīng)該與設(shè)定值set相等，由于電子電路的非線性誤差，三者不完全相等，導(dǎo)致施加在LCVR的實(shí)際電壓不等于預(yù)設(shè)值，使得LCVR產(chǎn)生相位漂移。定義LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的幅值穩(wěn)定度為out，計(jì)算公式如式（3）所示：

除了電壓幅值需要穩(wěn)定外，液晶分子的電導(dǎo)率會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率out變化，導(dǎo)致相同驅(qū)動(dòng)電壓幅值下，不同的out也會(huì)使得LCVR產(chǎn)生相位漂移。由于外部電磁干擾等因素，實(shí)際信號(hào)的頻率out與設(shè)定頻率set之間會(huì)存在誤差，定義LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度為freq，計(jì)算公式如式（4）所示：

那么，LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定度driver為：

3.2　LCVR的溫度穩(wěn)定性

液晶具有溫變特性。在液晶態(tài)下，液晶分子之間的粘性等參數(shù)會(huì)隨著工作環(huán)境溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致LCVR產(chǎn)生相位漂移。在相同的驅(qū)動(dòng)電壓和頻率下，LCVR的工作溫度每變化1 ℃，LCVR的相位延遲變化約為1°［20］。因此，需要使LCVR工作于穩(wěn)定的溫度下。根據(jù)FMG載荷中LCVR的恒溫要求，將（35±1） ℃作為本文中LCVR的恒溫指標(biāo)。

4 電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1　整機(jī)的工作流程

整機(jī)的星上工作流程為：設(shè)備由衛(wèi)星進(jìn)行加電后，首先初始化數(shù)據(jù)采集和任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)，然后開(kāi)啟LCVR的自動(dòng)恒溫和驅(qū)動(dòng)電壓預(yù)輸出，最后開(kāi)啟CAN總線等待衛(wèi)星的遙測(cè)指令，完成系統(tǒng)初始化。

初始化完成后，設(shè)備等待衛(wèi)星CAN總線每隔1 s發(fā)送1次的遙測(cè)指令。在正確接收指令后，將LCVR的驅(qū)動(dòng)電壓在0.9～7.1 V的范圍內(nèi)循環(huán)遞增0.1 V，并將獲取的科學(xué)數(shù)據(jù)（光強(qiáng)電壓值、環(huán)境溫度值、LCVR溫度值、光源電流值、LCVR驅(qū)動(dòng)電壓值）立即返回給衛(wèi)星，等待接收下一次遙測(cè)指令，如此往復(fù)。

4.2　整機(jī)的電路結(jié)構(gòu)

空間LCVR相位延遲測(cè)試系統(tǒng)由光機(jī)和電路組成，由于所搭載衛(wèi)星的設(shè)計(jì)限制，整機(jī)的尺寸最大為18.9 cm×10 cm×7.2 cm，除去最小化設(shè)計(jì)的光學(xué)與機(jī)械結(jié)構(gòu)（12.4 cm×4.3 cm×3.9 cm）后，電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)空間十分有限。因此，進(jìn)行電子學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)要平衡空間、體積、重量、安裝方式、散熱、功耗（峰值功率<15 W，平均功率<5 W）的限制。

電路系統(tǒng)功能有驅(qū)動(dòng)LED光源和LCVR，采集環(huán)境溫度、LCVR溫度和光電探測(cè)器的輸出電壓，以及實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理和星上通信，電路框架如圖5所示。

圖5　電路功能框圖

該電路方案中，使用的電子元器件均為航天等級(jí)的陶瓷封裝或者金屬封裝，導(dǎo)致元器件的體積與質(zhì)量都較大，因此需要采用高集成度的主控制器來(lái)提高空間利用率。主控制器選用西安微電子技術(shù)研究所的嵌入式星載管理單元——LSEMU01，該芯片外包絡(luò)尺寸為4.6 cm×4.6 cm×1.06 cm，芯片核心為增強(qiáng)型8051內(nèi)核，集成的2路CAN2.0B總線收發(fā)器和驅(qū)動(dòng)器用于星載通信，集成多路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）用于探測(cè)器數(shù)據(jù)采集和溫度采集等，集成的11位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和定時(shí)器用于產(chǎn)生LCVR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。根據(jù)電路功能確定電路方案和主控芯片選型后，接下來(lái)根據(jù)整機(jī)穩(wěn)定性分析結(jié)果，對(duì)LCVR驅(qū)動(dòng)和恒溫控制進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

4.3　LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在上文的系統(tǒng)穩(wěn)定性分析中，LCVR驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定性是整機(jī)穩(wěn)定性的關(guān)鍵變量，根據(jù)式（5），電壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定度包括幅值穩(wěn)定度out和頻率穩(wěn)定度f(wàn)req。由于LSEMU01集成的DAC極性和輸出范圍都需要二次調(diào)制，電壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)首先產(chǎn)生幅值可調(diào)的雙極性直流信號(hào)，然后將其調(diào)制為固定頻率的交流方波，實(shí)現(xiàn)LCVR的驅(qū)動(dòng)。

431雙極性可調(diào)直流電壓的產(chǎn)生

為了產(chǎn)生幅值可調(diào)的雙極性直流電壓信號(hào)，首先使用LSMEU01集成的DAC輸出單極性信號(hào)，再經(jīng)過(guò)精密運(yùn)算放大電路轉(zhuǎn)換為雙極性可調(diào)直流電壓信號(hào)。DAC的原始電壓輸出范圍DAout為0～2.5 V，經(jīng)由LSMEU01內(nèi)部集成的一級(jí)放大電路（放大倍數(shù)為1），放大為0～5 V的可調(diào)信號(hào)后，從LSMEU01管腳輸出。然后使用圖6的外置二級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)極性轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大（輸出范圍達(dá)到-10～10 V）。

圖6　驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性轉(zhuǎn)換放大電路

在放大電路中，使用低溫漂（0.1%精度）的金屬薄膜電阻作為反饋電阻，提高了正負(fù)電壓的對(duì)稱精度，同時(shí)使用單運(yùn)放的電路方案也減小了電路板面積。如圖6所示，LSMEU01的DAC輸出管腳連接到DA_OUT端口，驅(qū)動(dòng)信號(hào)從J9端口輸出到LCVR。LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的理論輸出精度為：

其中芯片內(nèi)部的一級(jí)放大倍數(shù)1=2，外置二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)2=4，LSB為最低有效位。J9端口的輸出電壓out與DAC的輸入數(shù)據(jù)碼（范圍：0～2 047）關(guān)系為：

432高精度頻率調(diào)制器的設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)符合電壓范圍的雙極性直流信號(hào)后，需要使用高精度的頻率調(diào)制器，將該直流信號(hào)按照固定頻率（LCVR一般為2 kHz）調(diào)制為交流方波。LSMEU01控制器集成的16位硬件定時(shí)器可以產(chǎn)生固定時(shí)間間隔的定時(shí)器中斷，在該中斷中依次設(shè)置DAC輸出幅值相等、極性相反的電壓，即可產(chǎn)生所需頻率的雙極性方波。比如，當(dāng)輸出頻率為2 kHz、幅值為5 V（代表峰峰值為10 V）的LCVR驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，設(shè)置定時(shí)器每間隔250 μs進(jìn)入一次定時(shí)器中斷，在該中斷程序中依次設(shè)置DAC輸出+5 V和-5 V，實(shí)現(xiàn)交流方波調(diào)制。

在LSEMU01中共有14個(gè)不同類型的中斷信號(hào)源（ADC中斷、定時(shí)器中斷、CAN總線收發(fā)中斷等）。在微控制器的中斷管理系統(tǒng)中，高優(yōu)先級(jí)的中斷可以打斷低優(yōu)先級(jí)的中斷，同等優(yōu)先級(jí)的中斷按中斷發(fā)生順序依次執(zhí)行。為了保證輸出信號(hào)頻率的準(zhǔn)確性，需要將該頻率發(fā)生的定時(shí)器設(shè)置為最高優(yōu)先級(jí)以防止被打斷。LCVR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率越高，該定時(shí)器中斷的時(shí)間間隔就越小，使其他的中斷信號(hào)無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)，導(dǎo)致如CAN總線收發(fā)錯(cuò)誤等系統(tǒng)異常。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和長(zhǎng)周期測(cè)試，將LCVR的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率從2 kHz降低到600 Hz后，整機(jī)可以穩(wěn)定工作。

433DAC“零點(diǎn)”校準(zhǔn)

LCVR驅(qū)動(dòng)電路中，DAC芯片的輸出非線性和放大器及阻容器件的離散性，導(dǎo)致實(shí)際輸出電壓與理論輸出電壓值之間存在誤差，必須對(duì)輸出電壓進(jìn)行校準(zhǔn)。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法為：分別向DAC寫入兩組數(shù)據(jù)碼1、2，使用高精度臺(tái)式電壓表測(cè)量最終的輸出電壓O1、O2，分別代入式（8），計(jì)算出和的值。

但是，該校準(zhǔn)方法依賴于電壓表的測(cè)量精度，同時(shí)微小的測(cè)量誤差會(huì)使得和的值發(fā)生較大變化，導(dǎo)致校準(zhǔn)失敗。

為了減小測(cè)量誤差帶來(lái)的影響和對(duì)高精度電壓表的依賴，根據(jù)LCVR驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出特點(diǎn)，本文提出更實(shí)用的固定精度“零點(diǎn)”校準(zhǔn)法，方法如下：

（1）找出DAC的實(shí)際“零點(diǎn)”，精確的“零點(diǎn)”可以減小交流信號(hào)中的直流偏置，防止LCVR產(chǎn)生直流電降解。利用理論輸出公式和普通精度電壓表，先粗略找出DAC輸出在0 V附近的數(shù)據(jù)碼，再微調(diào)值，記錄在0 V正負(fù)變化量最小的值，記為輸出“零點(diǎn)”：0V。

（2）找出LCVR的驅(qū)動(dòng)電壓循環(huán)遞增0.1 V對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)碼，利用（1）的方法，找出在0.1 V左右變化最小的值，記為輸出調(diào)整基數(shù)：0.1V。

在循環(huán)調(diào)整LCVR驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，只需要在上一次值的基礎(chǔ)上加上0.1V的值即可。

理想的0V為1 024，經(jīng)過(guò)“零點(diǎn)”校準(zhǔn)后，最終的實(shí)際0V為1 094，理論值與實(shí)際值存在較大的誤差。采用Fluke 17B和Victor 86E兩款檢驗(yàn)合格的普通精度電壓表對(duì)校準(zhǔn)后的正負(fù)直流電壓進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。

表1正向與負(fù)向輸出測(cè)量

Tab.1　Positive and negative output measurement （V）

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，由公式（3）可以計(jì)算出各電壓點(diǎn)的正負(fù)幅值穩(wěn)定度out，如表2所示。

表2輸出穩(wěn)定度

Tab.2　Output stability

使用Fluke 17B測(cè)試的平均穩(wěn)定度為0.992 03，使用Victor 86E測(cè)試的平均穩(wěn)定度為0.993 92，兩款儀器測(cè)試的平均幅值穩(wěn)定度out為0.992 98。

完成LCVR輸出電路校準(zhǔn)后，需要測(cè)量輸出信號(hào)的頻率穩(wěn)定度，理論上由最高優(yōu)先級(jí)定時(shí)器設(shè)計(jì)的頻率發(fā)生器調(diào)制的信號(hào)頻率穩(wěn)定度應(yīng)該較高。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，使用Rigol-MSO8064示波器每隔60 min記錄10組驅(qū)動(dòng)波形的平均頻率值，預(yù)設(shè)的輸出頻率為600 Hz，8次的測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3頻率穩(wěn)定度

Tab.3　Frequency stability（Hz）

根據(jù)公式（4），平均頻率穩(wěn)定度f(wàn)req為0.999 99。根據(jù)式（5），LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定度driver為0.992 96。

4.4　液晶恒溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

影響整機(jī)穩(wěn)定性的另一個(gè)重要因素是LCVR的工作溫度。本文中，衛(wèi)星的艙內(nèi)溫度范圍是-10～10 ℃，因此需要為L(zhǎng)CVR提供穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境（溫度變化1 ℃以內(nèi)）。由于衛(wèi)星艙內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于LCVR的正常工作溫度（35 ℃），恒溫控制系統(tǒng)通過(guò)主動(dòng)加熱和被動(dòng)散熱實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)恒溫。恒溫控制系統(tǒng)包括溫度采集單元、LCVR加熱單元和溫差計(jì)算單元。溫差計(jì)算單元由LSMEU01的PWM控制器和定時(shí)器構(gòu)成。溫差計(jì)算單元獲取LCVR的當(dāng)前溫度后，計(jì)算出LCVR加熱單元當(dāng)前需要的加熱功率，實(shí)現(xiàn)LCVR的自動(dòng)恒溫控制。

441溫度采集原理

為了提高測(cè)溫的實(shí)時(shí)性，需要使用小體積的溫度采集單元以盡可能地靠近LCVR。本文選用國(guó)營(yíng)七一五廠的MF-61負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTCR），外形尺寸為2.2 mm×5 mm，在-?10～40 ℃的互換精度為±0.3 ℃，標(biāo)稱零功率電阻及偏差為3.9 kΩ±1.2%，具有體積小、精度高和重復(fù)性好等特點(diǎn)。NTCR隨著溫度增加，自身電阻減小，理想情況下-函數(shù)不變。NTCR的測(cè)溫原理是通過(guò)獲取NTCR上的電壓，利用歐姆定律計(jì)算出該熱敏電阻的當(dāng)前阻值，通過(guò)查詢電阻-溫度表或者-函數(shù)獲取對(duì)應(yīng)的溫度值。MF-61的-函數(shù)為：

其中、、、為廠家給出的校準(zhǔn)常數(shù)，本文使用的MF61出廠校準(zhǔn)參數(shù)為：=-4.362 16、=4 081.701 94、=-940 33.78和=273.15。

442MF61的自發(fā)熱分析

在實(shí)際環(huán)境中，熱敏電阻的功率會(huì)隨著不同的環(huán)境溫度而變化。熱敏電阻在不同的環(huán)境溫度下其電阻值不同，因此流過(guò)熱敏電阻的電流也不同，自發(fā)熱產(chǎn)生的溫度也不同。熱敏電阻的自發(fā)熱溫度會(huì)疊加到環(huán)境溫度中，產(chǎn)生測(cè)量誤差。MF61的熱耗散常數(shù)為0.4 mW/℃，耗散常數(shù)的定義為：

式中，為MF61的實(shí)際功率，sense為MF61采集的溫度，env為當(dāng)前環(huán)境實(shí)際溫度，MF61在當(dāng)前功率下的自發(fā)熱溫度為：Δ=sense-env。圖7中，當(dāng)環(huán)境實(shí)際溫度為時(shí)，Δ自發(fā)熱為：

在圖7中，假設(shè)供電電壓為5 V，采用的低溫漂限流電阻1阻值為3 000 Ω。由-函數(shù)可知，R=25 ℃時(shí)的零功率電阻約為3 900 Ω，Δ25應(yīng)該為5.12 ℃。R=0 ℃時(shí)的零功率電阻約為2 222 Ω，對(duì)應(yīng)的Δ0=3.49 ℃，在較大待測(cè)環(huán)境溫度差下，MF61自發(fā)熱會(huì)引入較大的誤差。根據(jù)公式（11），如果減小或者增大1，可以減小Δ引起的誤差。為了提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集精度和靈敏度，采用圖7所示的惠斯通橋式差分測(cè)溫電路進(jìn)行測(cè)溫。

圖7　差分測(cè)溫電路

在圖7測(cè)溫電路中，1和3阻值應(yīng)盡可能相等，橋臂的輸出電壓Δ為：

對(duì)公式（12）進(jìn)行變換，R為：

本文為了降低熱敏電阻自發(fā)熱引起的測(cè)溫誤差，電壓減小至2.5 V。為了提高恒溫系統(tǒng)在LCVR工作溫度范圍（35 ℃）的測(cè)溫精度，橋臂電阻1、2、3選擇為與=35 ℃時(shí)熱敏電阻的阻值相近的值。當(dāng)=35 ℃時(shí)，熱敏電阻的阻值為2 679.5 Ω，電阻1、2、3應(yīng)取值為3 kΩ。根據(jù)式（11），35 ℃時(shí)Δ自發(fā)熱溫度為1.3 ℃，在設(shè)置LCVR的目標(biāo)溫度時(shí)應(yīng)加上該溫度值進(jìn)行溫度標(biāo)定。當(dāng)LCVR處于恒溫工作狀態(tài)下，在=36 ℃時(shí)，Δ=1.29 ℃；在=34 ℃時(shí)，Δ=1.30 ℃；在（35±1） ℃的恒溫狀態(tài)下，自發(fā)熱引起的溫度誤差為0.005 ℃，可以忽略自發(fā)熱引入的溫度差。

443加熱單元設(shè)計(jì)與恒溫測(cè)試

LCVR的光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示，兩片加熱膜串聯(lián)后固定于兩側(cè)，在平衡升溫速度與系統(tǒng)最大功率的限制后，加熱單元的最大功率為10 W。

圖8　LCVR光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

LCVR光機(jī)結(jié)構(gòu)較大，從加熱片發(fā)熱到溫度傳遞至LCVR上會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間延遲，比例積分微分誤差控制法（PID）和變頻驅(qū)動(dòng)法的結(jié)合，可以較好地提高該類惰性系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，較高的PID溫控算法調(diào)度速度可以提高溫控精度，但由于LCVR驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)占用了LSMEU01較大的實(shí)時(shí)計(jì)算資源，最終溫控算法執(zhí)行速度為60 Hz，圖9（a）、（b）展示了LSMEU01溫控算法分別以2 kHz和60 Hz工作時(shí)LCVR的恒溫精度。當(dāng)溫控算法以2 kHz全速運(yùn)行（關(guān)閉系統(tǒng)其他功能），LCVR的恒溫精度達(dá)到（35±0.1） ℃；溫控算法以60 Hz的速率運(yùn)行時(shí)（整機(jī)正常工作），LCVR的恒溫精度為（35±0.3） ℃，滿足（35±1） ℃的設(shè)計(jì)要求。

圖9　不同溫控頻率下的恒溫控制精度

最終設(shè)計(jì)完成的電路系統(tǒng)的實(shí)物如圖10所示，外包絡(luò)為15.1 cm×6.2 cm×1.5 cm。

圖10　電路系統(tǒng)實(shí)物圖

5 環(huán)境試驗(yàn)與結(jié)果分析

完成空間LCVR相位延遲測(cè)試系統(tǒng)的飛行件設(shè)計(jì)后，需要按照航天標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行完整的地面環(huán)境試驗(yàn)，檢驗(yàn)電路系統(tǒng)在力學(xué)沖擊、振動(dòng)、高低溫和真空環(huán)境下的功能和性能是否正常。

5.1　力學(xué)沖擊與振動(dòng)試驗(yàn)

運(yùn)載火箭在發(fā)射過(guò)程中，瞬時(shí)重力加速度劇增，產(chǎn)生的沖擊力從幾個(gè)重力加速度到十幾個(gè)重力加速度不等。同時(shí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在點(diǎn)火時(shí)，會(huì)產(chǎn)生短時(shí)的低頻振動(dòng)，在火箭上升過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)，這些力學(xué)沖擊對(duì)整機(jī)的力學(xué)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)裝調(diào)提出了較高的要求。在電路系統(tǒng)中，一些質(zhì)心較高的器件如磁保持繼電器、電壓轉(zhuǎn)換器、電源濾波器等高大器件采用在電路板背面的引腳上焊接額外的直連導(dǎo)線的方式防止焊盤受力脫落，導(dǎo)致電路系統(tǒng)失效等情況發(fā)生。

為了驗(yàn)證以上措施的有效性，進(jìn)行了完整的振動(dòng)試驗(yàn)（正弦振動(dòng)方向11.9 g，隨機(jī)振動(dòng)方向18 g）、應(yīng)力篩選試驗(yàn)（方向頻率范圍20～2 000 Hz）和力學(xué)沖擊試驗(yàn)（方向1 000 g）。在試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備不上電。將力學(xué)試驗(yàn)前后的相位延遲-電壓曲線分別減去力學(xué)試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)，將差值繪制于圖11中。力學(xué)試驗(yàn)前后相位差最大約為0.5°，說(shuō)明力學(xué)試驗(yàn)后電路系統(tǒng)各項(xiàng)性能正常。

圖 11　力學(xué)試驗(yàn)前后相位延遲-電壓的差值

5.2　熱試驗(yàn)

熱試驗(yàn)是為了驗(yàn)證電路系統(tǒng)在極端溫度條件下能否正常啟動(dòng)與工作，驗(yàn)證光電系統(tǒng)能否達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡。首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的極端高低溫沖擊篩選試驗(yàn)（試驗(yàn)溫度-30～+50 ℃，19個(gè)循環(huán)周期，溫變速率5 ℃/min），驗(yàn)證設(shè)備的極端溫度承受能力。然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的溫度循環(huán)試驗(yàn)（試驗(yàn)溫度-25～+25 ℃，13個(gè)循環(huán)周期，溫變速率3 ℃/min），初步驗(yàn)證設(shè)備在工況溫度下的運(yùn)行情況。最后進(jìn)行真空環(huán)境的溫度循環(huán)試驗(yàn)（-25～+25 ℃， 3.5個(gè)循環(huán)周期，溫變速率大于1 ℃/min），進(jìn)一步驗(yàn)證電路板在模擬星載環(huán)境下的熱平衡。在所有試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備上電工作，每隔一定時(shí)間進(jìn)行高低溫冷啟動(dòng)，檢驗(yàn)設(shè)備在高低溫下能否正常開(kāi)關(guān)機(jī)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，在溫度試驗(yàn)各個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，任一高低溫的可重復(fù)性達(dá)到99.99%，選取高溫、低溫任意100組數(shù)據(jù)的歸一化光強(qiáng)-電壓曲線的平均值繪制于圖12。

圖 12　不同溫度試驗(yàn)中的光強(qiáng)-電壓曲線變化

圖12中，除了圖12（a）熱沖擊高低溫的強(qiáng)度曲線有較大偏移，在其他的熱試驗(yàn)中高低溫的曲線高度重合，說(shuō)明電路系統(tǒng)高低溫開(kāi)關(guān)機(jī)正常、電路散熱正常，同時(shí)整機(jī)的工作狀態(tài)也正常。在對(duì)圖12（a）的曲線偏移分析中，通過(guò)復(fù)查環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)外部環(huán)境溫度低于-30 ℃時(shí)，LCVR恒溫系統(tǒng)全功率運(yùn)行只能加熱到32 ℃（低于預(yù)設(shè)35 ℃）。本文中，空間LCVR相位延遲測(cè)試系統(tǒng)位于衛(wèi)星載荷艙內(nèi)，最低的環(huán)境溫度大于-10 ℃，LCVR恒溫系統(tǒng)可以正常工作。

5.3　電磁兼容試驗(yàn)

除了熱學(xué)和力學(xué)試驗(yàn)要求外，電路系統(tǒng)還需要較好的電磁兼容能力。電路系統(tǒng)首先需要保證自身產(chǎn)生的電磁信號(hào)不會(huì)影響衛(wèi)星和其他載荷的正常工作，也需要具有較好的抗電磁干擾能力，防止其他載荷影響其正常工作。本文的電磁兼容設(shè)計(jì)主要包括：連接器均采用高等級(jí)器件，印制電路板的關(guān)鍵電路采用單點(diǎn)接地，電路的模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)單獨(dú)接地等，盡量減小傳導(dǎo)與耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

在EMC試驗(yàn)中，設(shè)備放置于微波暗室，并開(kāi)機(jī)運(yùn)行。如圖13（a）所示，在1～20 GHz頻段范圍內(nèi)，設(shè)備的各項(xiàng)結(jié)果均在紅色標(biāo)準(zhǔn)線以下，符合測(cè)試要求。如圖13（b）所示，在200 MHz～1 GHz頻段范圍內(nèi)，部分信號(hào)點(diǎn)超過(guò)了紅色標(biāo)準(zhǔn)線。對(duì)各個(gè)超標(biāo)頻率點(diǎn)進(jìn)行采樣分析后，發(fā)現(xiàn)這些頻率點(diǎn)的間隔為16 MHz，推測(cè)是LSMEU01使用的16 MHz有源晶振產(chǎn)生的。雖然采取了嚴(yán)格的晶振電路電磁防護(hù)措施，但該時(shí)鐘信號(hào)仍可能經(jīng)過(guò)電路板產(chǎn)生傳導(dǎo)電磁干擾，或者通過(guò)CAN總線的接插件形成天線輻射。這些超標(biāo)信號(hào)在電路設(shè)計(jì)時(shí)可以采用金屬屏蔽罩覆蓋、合理的電路接地和整機(jī)密封等方式減小其信號(hào)強(qiáng)度，但是EMC治理是系統(tǒng)性的工程，以上措施也可能帶來(lái)其他干擾。同時(shí)，EMC試驗(yàn)一般在整機(jī)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行，因此，必須與衛(wèi)星總體確認(rèn)這些超標(biāo)的頻率信號(hào)不會(huì)影響衛(wèi)星的正常工作。

圖13　EMC試驗(yàn)

6 結(jié)論

本文介紹了LCVR的發(fā)展及應(yīng)用，首次實(shí)現(xiàn)了LCVR這一首飛器件的空間化光電性能測(cè)試載荷的設(shè)計(jì)。在受限條件下，實(shí)現(xiàn)了光源發(fā)生系統(tǒng)、液晶調(diào)控系統(tǒng)、高精度液晶恒溫系統(tǒng)和低噪聲光電探測(cè)系統(tǒng)的集成化、微型化設(shè)計(jì)。本文詳細(xì)介紹了星載LCVR的相位延遲-電壓曲線的測(cè)量方法，分析了整機(jī)中影響LCVR相位延遲穩(wěn)定性測(cè)量的關(guān)鍵因素，主要包括LCVR驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值和頻率的穩(wěn)定性、LCVR工作溫度的穩(wěn)定性。根據(jù)穩(wěn)定性分析的結(jié)果，對(duì)電子學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，液晶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定度達(dá)到99.3%，液晶恒溫控制精度最高達(dá)到（35±0.1） ℃。最后對(duì)整機(jī)進(jìn)行了力、熱和電磁兼容試驗(yàn)，結(jié)果符合航天設(shè)備試驗(yàn)要求，說(shuō)明電子學(xué)系統(tǒng)功能穩(wěn)定、性能正常，待測(cè)的LCVR電光調(diào)制性能良好。目前，整機(jī)正在等待衛(wèi)星的集成測(cè)試，預(yù)計(jì)在2022年發(fā)射，預(yù)期對(duì)液晶器件的空間化應(yīng)用具有重要意義。

在電路設(shè)計(jì)中，由于主控制器的實(shí)時(shí)計(jì)算資源有限，液晶驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和恒溫控制的精度還有較大的提高空間。同時(shí)，下一代的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需提高電磁兼容能力，進(jìn)一步提高整機(jī)的穩(wěn)定度。

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Electronic design of space-based LCVR measurement system

HUANG Wei1，2，3，LIN Jia-ben1，2，3*，HOU Jun-feng1，2，3，ZHANG Yang1，2，3，ZHU Xiao-ming1，2，3，DENG Yuan-yong1，2，3，WANG Dong-guang1，2

（1，，100101，；2，，100101，；3，100049，）

Liquid crystal variable retarder （LCVR） has become a new research area for space-based optical instruments because of its fast modulation speed， light weight and no moving parts. Nevertheless， the molecule in LCVR is a type of liquid crystal polymer， its space adaptability needs to be verified. Because we cannot simulate the space environment absolutely in the ground， it is necessary to develop a LCVR experimental device to study the electro-optic performance of LCVR in space. In this paper， the stability of a LCVR measurement system is analyzed， and an electronic measurement scheme for LCVR??’?s retardation-voltage curve is designed. Firstly，a zero-calibration method is proposed to improve the stability of the driving voltage for LCVR. Then， the high precision temperature control is realized by using frequency conversion error control method. The driving stability reaches 99.3% and the constant temperature accuracy reaches （35 ± 0.1） °C. Based on this， the mechanical， thermal and electromagnetic compatibility tests are carried out. The experimental results show that the electronic system are stable， and the first space photo-electric measurement system for LCVR is successfully developed in China， which is of great significance to the application of LCVR in space.

liquid crystal device； LCVR； polarization modulation； constant temperature control

V11；O753+.2

A

10.37188/CJLCD.2021-0335

1007-2780（2022）07-0849-12

2021-12-22；

2022-01-25.

國(guó)家自然科學(xué)基金（No.11427901，No.11773040，No.11403047，No.11427803）；中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（No.XDA15320102，No.XDA15010800）

Supported by National Natural Science Foundation of China（No.11427901，No.11773040，No.11403047，No.11427803）?； Strategic Pioneer Program on Space Science， Chinese Academy of Sciences（No.XDA15320102，No.XDA15010800）

，E-mail：jiabenlin@bao.ac.cn

黃威（1993—），男，四川成都人，博士研究生，2019年于成都理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事精密儀器控制與液晶偏振光學(xué)儀器方面的研究。E-mail：huangw@nao.cas.cn

林佳本（1976—），男，山東青島人，博士，正高級(jí)工程師，2009年于中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)獲得博士學(xué)位，主要從事自動(dòng)控制、圖像處理、數(shù)據(jù)挖掘方面的研究。E-mail：jiabenlin@bao.ac.cn