基于BM3803的步进电机控制系统设计与实现

针对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪太阳定标光路切换转动部件的实现,提出了基于BM3803的步进电机控制系统,通过步进 电机带动扭簧转动凹面反射镜,实现光路的切换。设计了基于国产航天芯片BM3803FMGRH和专用驱动芯片LMD18200的步进电机 开环控制系统,给出了基于BM3803FMGRH的控制电路和搭建了LMD18200的驱动电路,编写了步进电机的控制程序。当步进电机 转动89步时,扭簧旋转角度为80.1^。,微动开关导通,光路切换成功。为后续星载差分吸收光谱仪的设计提供参考。     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

基于匹配滤波的激光尘埃粒子计数器信号处理方法研究

为提升激光尘埃粒子计数器的计数准确率,基于匹配滤波器设计粒子计数器信号预处理方法。分析粒子信号的特征,通过归一化后累加的方法获得粒子的典型波形。以该典型信号作为匹配模板,将激光粒子尘埃计数的原始信号与匹配模板进行离散卷积操作,得到高信噪比的输出信号。试验结果表明,针对原始幅值在55～262 mV、噪声均方根值约为6.74 mV的粒子信号,经该匹配滤波方法后,信噪改善比均优于1.56。该方法对比数字滤波器方案,能更有效提升输出信号信噪比,为粒子的准确检测和识别提供良好基础。     

基于FPGA的LVDS转千兆以太网适配器的设计及应用

星载光谱仪的数据接口为LVDS接口,为快速地将其转换为地面民用设备,设计了LVDS转千兆以太网适配器。适配器采用FPGA为主控芯片,接收光谱仪发送的串行的图像数据,并将其封装为以太网帧格式,然后通过网口芯片传输给上位机;同时适配器接收上位机发送的命令数据,并转发给光谱仪。实验结果表明,适配器在传输速率为43Mbps时,连续运行48小时,误码率为0,在实验室条件和自然条件下均能稳定传输数据,可作为光谱仪的转换接口。     

大气成分临边探测光谱仪摆镜控制系统设计

星载大气成分临边探测光谱仪在采集高度方向上光信息时需要借助反射镜的反射, 为满足光谱仪扫描需求, 设计了一款扫描摆镜驱动控制系统, 并在地面模拟验证了扫描方向上的光谱数据采集。设计的驱动控制系统基于 STM32 微控制器, 采用 DRV8833C 电机驱动电路和闭环数字 PID 调节器, 利用有限转角直流无刷力矩电机作为光谱 仪摆镜控制系统的执行机构, 并使用 18 位单圈绝对值光电编码器作为位置传感器。进而搭建了摆镜控制系统和试验 平台, 利用光电自准直仪对摆镜系统性能进行试验验证, 测试了系统的指向精度。结果显示平均指向精度小于 12.15′′ , 最大偏差小于 19.6′′ , 最小偏差小于 7.46′′ , 满足工程预研阶段的主要指标要求。