（测试计量技术及仪器专业论文）基于等级星判定装置的微光信号检测技术研究.pdf

摘要 目前中国计量科学研究院的微光照度标准中最小探测照度为1o 5 l 】【，远达不到对星 光照度的测量要求。本论文研究的等级星判定装置，通过己知星等的恒星进行标定后 能用于对星光模拟器模拟的星光照度进行测量。 本文主要研究的内容包括： ( 1 ) 等级星判定装置总体设计方案的研究，创新点在于等级星判定装置的中增设了 自校准系统，随时都可以对探测到的信号数据进行修正。 ( 2 ) 光电倍增管的选型和前置放大电路的设计。光电倍增管在使用中采用电磁屏 蔽、低温控制、消除杂散光等方法，提高了等级星照度测量的精度。 ( 3 ) 对控制摆镜和转台的步进电机的驱动脉冲发生电路进行了硬件设计和软件编 程 关键词：微光光电倍增管前置放大步进电机p i c 单片机 t h em i n i m u md e t e c t i n gi i h i m i n a t i o no f d i m1 i g b ti nt h es t a n d a r do f n a t i o n a li n s t i t u t eo f m e t r o l o g yp i 乙c h i n ai s1 0 。b 【c u r r e n t l y , b u ti t sh a r dt or e a c ht h ee x p e c t a t i o no f m e a s u r e m e n to fs a r l i g h ti l l u m i n a t i o n 1 1 忙s y s t e mo fd e t e r m i n i n gc r i t e r i o no fs t e l l a r m a g n i t u d ei nt h i sp a p e rc a nd e t e c tt h es t a r l i g h ti l h i m i n a t i o no fs t a r l i g h ts i m u l a t o ra f t e r c a l i b r a t i n gt h es y s t e mw i t l lt h es t a r sk n o w nt h e i rm a g n i t u d e 1 1 艟c h i e f r e s e a r c hw o r k s 勰a sf o l l o w s ： ( 1 ) t or e s e a r c ht h et o t a ld e s i g ns c h e m eo f t h es y s t e mo f d e t e r m i n i n gc r i t e r i o no f s t e l l a r m a g n i t u d e t h ei n n o v a t i o no fw h i c hi s t h es y s t e mo fs e r f - c h e c kk e y i t 啪 c o r r e c t i o nt h ed a t ao f d e t e c t e ds i g n a la ta n yt i m e ( 2 ) t os e l e c tm o d e lo fp h o t o m u i t i p l i e ra n dd e s i g np r e a m p l i f i c a t i o n i nt h eu s eo f p h o t o m u l f i p l i e r , t oe m p l o y s o m ew a y so fe l e c t r o m a g n e t i c s h i e l d i n g l o w t e m p e r a t u r ec o n t r o l 。g e a i 】n go fs t r a yl i g h ti na p p l i c a t i o no fp h o t o m u l t i p l i e ri nd 耽a i l t oi n c r e a s et h e 联= n a i n t yo f m e a s m c m e n to f s t a r l i g l a ti l l u m i n a t i o n ( 3 ) t od e s i g nt h ec i r c u i to f d r i v e - p l u sg e n e r a t o rw h i c hd r i v e ss t c p p m gm o t o rt oc o n t r o l r o t a r ym o v e m e n to f r o t a t i n gt a b l ea n dr o t a t i n gm i r r o ra n dc o m p i l ep r o g r m n k e yw o r d b ：d i ml i g h t p b o t o m u l t i p f i e rp r e a m p l i f i e a t i o ns t e p p i n gm o t o r p i c m i c r o e o m p u t 9 l 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于等级星判定装置的微光信号 检测技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：蚤筮丝量年! 月翌日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：垃登塑! 啦月竺日 指导导师签名乒盘旦础年玉月卫日 1 1 论文研究背景及意义 第一章绪论 本文研究来源于计量科研项目，项目主要内容是制定出星光模拟器的光照度的测 量方法并研制星光模拟器校准装置，用于对星光模拟器光学性能指标进行校准。 星模拟器用于模拟相对于探测器无穷远的星体点光源，用于实验室内星敏感器的 调整和校准。星敏感器是目i i i 航天应用中最精确的绝对姿态敏感器，它以恒星为观测 基准，向各种航天器提供惯性姿态信息。 星敏感器由于设计和制造过程中的偏差，使用环境的变化造成的光、机、电性能 的改变，都会不同程度地给星敏感器引入误差，影响星敏感器的精度。所以，当星敏 感器组装完毕或星敏感器j 下式用于飞行器前，必须在实验室对系统经过严格标定才能 使用，以取得精确的标定系数。 国内凡是从事星敏感器研制的单位都研制星模拟器，但对星模拟器本身性能的校 准仍然很不规范，还没有比较有效的测试手段来对星光模拟器的性能进行验证，因此 用星光模拟器检测星敏感器也就无法保证测试的准确性和可靠性。由于没有相应的标 准测量设备，在远离城区的深山中用星敏感器对国际公认的已知星等的恒星进行野外 拍摄，把相关的数据带回实验室，再通过技术处理对星光模拟器进行调整和校准，用 调整校准过的星模拟器对其它星敏感器进行校准。在这个过程中，主要是在外场采集 星等数据时受自然条件的影响非常大，有时因天气原因，在外场采集数据需要连续 等待许多天才能获得理想的满足采集星等数据的天文条件，在这个过程中，人员和资 金的消耗都非常大。用研制的产品直接采集的星等数据，不能用于型号产品的调整和 校准过程，这属于用待调整和校准的产品进行自校，由于缺乏有力的量值溯源性旁证， 造成数据的准确性和可信性不高。 采用微光照度计对星模拟器模拟出的星光照度进行测试，国内生产的微光照度计 也只能测到( o ) ”等星，中国计量科学研究院的微光照度标准最小探测照度为l o 巧1 ) 【， 远达不到对星光照度测量的要求。 目前国内对星光模拟器校准技术的研究尚处于初级阶段，远达不到计量技术保障 的要求，所以，本课题将深入研究星光模拟器光学参数测量方法，研制星光模拟器校 准装置，其中等级星判定装置是星光模拟器校准装置的主要部分，从而实现对星光模 拟器光学性能进行计量校准。 1 2 星光模拟器和敏感器的校准方案 i 2 1 国内外星光模拟器和敏感器的校准方案 在国外，对未知恒星或已知恒星的星等进行判定或测量都是使用天文望远镜进行 观测，通过采集国际公认的已知星等的恒星的数据，与未知星等的恒星的采集数据进 行比较得到未知恒星的星等。将j 下在研究中的星敏感器送入太空对已知星等的恒星进 行实际调整校准，国外有过此方面的报道，但其费用极其昂贵，在经费有限的情况下 是不可能实现的。只有通过实验室和外场实验，采集有效的数据并通过科学数据分析， 给出修正后的星等数据，真实模拟出恒星的光谱特性和星等以用于被测设备的调整和 校准。此方法在课题的研制过程中将给予考虑。 判定星等最有效的方法是采用大口径天文望远镜，安装在多轴转台上，可以在同 等条件下对己知星等和未知星等的恒星进行拍摄，并非常方便地判别出恒星的星等。 但是大口径天文望远镜价格昂贵、体积庞大。因为天文望远镜主要是用于观测天空中 无穷远的目标，不适用于实验室内观测小视场光学目标，并且还受到场地、天气、经 费等多方面条件的影响和制约，它不能用于星光模拟器的校准。 在国内，有用笔记本电脑显示屏模拟太空中的恒星星图，并配合适当的控制操作 软件，可实现模拟出不同的恒星星图，采用这种方案用于星模拟器，主要能够较方便 的实现恒星星图的几何坐标的各种量值，如恒星的张角、角加速度等物理参数，但对 恒星星图的光学参数的模拟就受到一定的限制，这主要是因为笔记本电脑的液晶显示 屏的光度梯度与背景的亮度不可能非常小，模拟出的星等级差只有2 3 等级，这就对 被测的星敏感器灵敏度的测量与校准受到一定的限制。另外，无大口径的光学系统， 也不能有效模拟出太空中无穷远处恒星的光学特性。国内也有采用液晶光阀实现恒星 星图模拟的方案，其缺点也和笔记本电脑的液晶屏类似，背景光亮度过高，模拟星等 差太小。 对星光照度的判断，在国际上和国内有采用天文望远镜的方法给予确认，大口径 天文望远镜可探测到照度为十几等星的未知恒星。采用太空中己知恒星星座用星敏感 器进行测试与调校最为真实可靠，但容易受大气条件的影响，如大气污染、天空有云、 雨天等。为避免城市灯光的干扰，要到野外高山地区进行数据采集，采用此方法其人 工费用高、时i - 日j 长，因此，采用野外对天空中星图用于校准受条件限制，是很难实现 的。 1 2 2 本课题星光模拟器和敏感器的校准方案 本课题的技术方案主要是从光学上给予一定的突破。研制的校准装置由星光级标 准光源和等级星判定装置组成。本课题的校准方案的系统框图如图1 1 所示： 图1 1 校准方案的系统框图 将配备小视场望远镜的c c d ( 电荷藕合器件) 相机在适宜的环境条件下拍摄国际 公认的等级星，使用此台c c d 相机在实验室按野外拍摄相同的技术条件，拍摄经星光 级标准光源出射的星光信号，调节衰减装置的衰减量值，改变星光信号大小，当拍摄 2 的图像和野外拍摄的恒星的星等相同时，则认为此状态下星光级标准光源出射的光照 度和拍摄到的国际公认的等级星的光照度相同，这样就建立了星光级标准光源和等级 星之日j 的关系。将微光照度计、衰减片和带通滤光片送至国家计量院进行标定。利用 微光照度计对星光级标准光源的辐射出射度进行检测。现国家计量院微弱光照度仅能 检测到1o 5 l 】，微光照度计无法测量低于1 0 4 1 x 的微弱光信号，必须使用经过标定的透 过率已知的衰减装置将其衰减到所需的光照度。按己知的不同等级星之间固定的换算 关系，星光级标准光源改变衰减装置的衰减量即可模拟产生不同的等级星。在暗室中 采用大口径光学系统就能够真实模拟出无穷远处恒星的光学特征，适当增加用于模拟 星光的光纤，就可以在有限条件对恒星星座给予模拟。 等级星判定装置通过星光级标准光源进行精确定标后，能够判定探测到的目标为 几等星，其在整个校准装置中起量值传递的作用。使用星光级 标准光源对等级星判定装置进行校准就可以确定其探测到的目标为几等星，等级 星判定装置能探测到( 3 ) “等星的星光照度，可对星光模拟器模拟出的星光照度进行 测量。携带等级星判定装置就可以对星光模拟器和卫星模拟器进行校准 1 3 系统的主要技术指标 1 3 1 星光模拟器和敏感器校准装置技术指标 ( 1 ) t 作波段：o 3 4 p r o , - - 0 9 0 1 m l ； ( 2 ) 星等灵敏度：3 等星； ( 3 ) 星光照度测量范围：l 1 0 7 1 x 1 x 1 0 5 i x ； ( 4 ) 星光级标准光源模拟星等范围：( 一3 ) “等星( 3 ) “等星 ( 5 ) 星光级标准光源模拟星等的不确定度：4 ( k = 2 ) ； ( 6 ) 等级星传递标准测量不确定度：5 ( k - 2 ) 1 3 2 等级星判定装置技术指标 等级星判定装置在计量学上它属于传递标准，等级星传递标准测量不确定度：5 ( k = 2 ) ( 光照度在1 0 。5 l x - 1 0 。7 i x 范围内) ： 1 4 论文研的主要研究内容 等级星判定装置是本课题研制的重点，本文主要研究的内容如下： ( 1 ) 分析等级星判定装置的原理及总体技术方案： ( 2 ) 等级星判定装置光学系统部分的研究； ( 3 ) 等级星判定装置结构部分的研究： ( 4 ) 等级星判定装置中微弱信号探测技术的研究； ( a ) 光电探测器的性能和使用的研究。 ( b ) 光电探测器的前置放大器的设计。 ( 5 ) 等级星判定装置中用于控制转台和摆镜转动的步进电机驱动脉冲发生器电路的 设计： ( 6 ) 对仪器的精度进行分析，讨论误差产生的主要来源。 第二章等级星判定装置的原理及总体设计方案 2 1 恒星星等的概念 星等( a p p a r e n tm a g n i t u d e ) 是天文学上对天体明暗程度的一种表示方法。早在公 元前二世纪，古希腊天文学家喜帕恰斯编制星表时，按亮度把恒星分为6 个等级。天 文学上规定，星等数越小，星越亮。在大气环境条件下，零等星的照度约为2 6 5 1 0 。 l x 。 早在1 8 5 0 年，英国天文学家普森就发现l 等星要比6 等星亮1 0 0 倍，由此定义星等每 差一级，亮度则应差2 5 1 2 倍。星等数每相差l ，其亮度比为2 5 1 2 倍，符合公式2 1 中的关系。我们在这里说的“星等”，事实上反映的是从地球上“看到的”天体的明暗程度。 这种星等定义相当于光学中的照度，反映了观察者的视觉感受，称为“视星等”。后来 由于星等范围太小，又引入了负星等，来衡量极亮的天体。我们肉眼能看到的最暗的星 是6 等星，可记作( 6 ) 。 1 9 ( l e ) = 一2 ( m 厂- n ) 其中e 。和e l l 为辐射照度；r n 和n 表示星级。 即 册一刀= - 2 5 i g ( 2 1 ) ( 2 2 ) 星敏感器的光学特性通常与人的视觉特性有差异，因此星敏感器的仪器星等不等 于视星等。一般星表中的星等数据都是指视星等，所以星敏感器使用这些星等数据需 要经过一些处理。种是在光学探头前加滤光片，使得仪器星等等于视星等，便于直 接利用星表中的视星等数据。另一种是根据星敏感器的光学特性和恒星的光谱特性把 星表中的视星等转换成为仪器星等后再用到星敏感器上。 2 2 等级星判定方法 目前，国内没有星光测量标准，这就对系统的最后评价带来很大的困难。目前有 两种问接比较的方法可以用于系统目标等级星的判定。 2 2 1 采用已知星等对比的方法 c c d 相机是目前天文观测中的主要仪器，已经取代了传统底片，可以获得良好的 图像，获得可靠的天体亮度，选择一台高分辨率、高量子效应且动态范围为1 4 位的 c c d 相机，进行天文观测。将c c d 相机加上一个视场角很小的望远镜，在一个晴朗 无月光的晚上，地点一定要远离城市，最好在深山区的山峰上，无任何杂散光的干扰， 对已知的恒星进行拍照。这些恒星的星等是国际公认并有数据可查，通过照相便可得 出该恒星在相机上的信号值，将所有有关数据全部记录下来，如曝光时闯、光阑的大 小、响应曲线等。用同一相机在同等条件下在暗室中对该系统模拟的目标星照相，调 4 节衰减装置的衰减量，当相机上响应信号与某个恒星的记录信号完全相同时，就可认 为这时模拟的星等与己知的恒星的星等完全一致。 2 2 2 采用微光照度计测量、数学推算的方法 国际上规定零等星的照度为 e o = 2 6 5 x 1 0 “x ( 2 3 ) 星等的数值越大，照度越小，一颗1 1 1 等星和一颗n 等星的照度的关系满足公式 ( 2 1 ) 。根据零等星的照度值可推算出其它星等的照度值。 ( 3 ) “等星对应的照度值幽为 e ，= 4 1 9 x 1 0 5 x ( 3 ) “等星对应的照度值局为 e ，= 1 6 7 1 0 7 x ( 2 4 ) ( 2 5 ) 用一台己标定好的微光照度计直接对着平行光管的出射口，这时可以测出平行光 管出光口的辐射通量，能够判断出此时的辐射通量对应的星等，调整衰减装置的衰减 量使平行光管出光口的辐射通量为( 3 ) m 等星，( 3 ) m 等星以上的星等可通过标定 好的衰减装置来实现。 采用这个方法主要依据所使用的衰减装置的衰减量值不受光强度的变化而变化， 另外认为平行光管出光口发射的光是平行光，只有在这两个基本条件保证的基础上， 才能通过测试与计算，推导出星等的照度。 在条件允许下，将两种方法同时采用，能够有效减小系统的测试不确定度。 2 3 等级星判定装置总体设计方案 等级星判定装置是本课题研制的重点，它将外场拍摄的国际公认的恒星的星等与 实验室内模拟的恒星星等数据传递到星敏感器的校准装置上，在计量学上它属于传递 标准。由于被测星光信号非常微弱，外界电磁干扰和杂散光影响非常大，在研制过程 中，主要解决微弱信号的采集、放大、电磁屏蔽和消除杂散光的影响上。 由于用等级星判定装置对星光进行检测，要求光电探测器在可见光光谱范围内有 足够的探测灵敏度，在大的动态范围内有很好的直线性，有较好的短期稳定性和长期 重复性。为了使光电探测器的响应度不受外界电磁干扰和温度的影响，将其安装在屏 蔽盒内，光电探测器经过光谱灵敏度修正，使其尽可能接近明视觉光谱光视效率vo d 或暗视觉光谱光视效率v ( 九) 并进行直线性修正。 等级星判定装置是一个光机电相结合的测量系统，它的主要组成部分包括光学系 统、信号处理系统及相关机械结构。其系统结构示意图如下。 图2 i 等级星判定装置系统结构示意图 光学系统包含可见光透射系统、参考光源、摆镜系统和瞄准目镜。可见光透射系 统相当于一台能调焦的聚焦镜，用于接收星光信号并将光信号传输到摆镜系统：参考 光源用于形成等级星判定装置的自校准系统，随时都可以对探测到的信号与数据进行 必要修正；摆镜系统则相当于一个切换系统，它在系统需要进行自校准时，将参考光 源的光引入光电探测器，而系统进行采集星光信号时将光信号引入光电探测器：瞄准 目镜是在测量过程中用以对准目标而用。 信号处理系统的核心是光电探测器，由于本系统探测信号是极微弱的光信号，另 外，受经费、场地和使用条件的限制，在本系统中的光学系统的通光口径不可能做的 非常大( 由大通光口径来弥补星光信号的不足) ，由此可见选择高灵敏度、低噪声的光 电探测器是最佳选择。星光信号经可变透射式聚焦镜投射到光电探测器的光敏面上， 探测器输出的电信号通过屏蔽线输入到前置放大电路，放大的信号再经a d 转换电路 由中央处理器进行处理分析并显示。探测器在制冷器件的控制下其工作环境温度保持 在2 0 左右，降低背景噪声，确保能够探测到星光信号 2 4 本章小节 本章首先从恒星的星等及星等评价方法入手介绍了本论文后续工作所涉及的相关 概念，然后重点论述了等级星判定装置的总体的设计方案，为装置及整个系统的后续 设计及研制奠定了基础。 6 第三章等级星判定装置的光学系统 3 1 光学系统概述 等级星判定装置的光学系统主要是用于对目标星和星光模拟器所模拟的光信号进 行搜索和探测并将光信号引入到判定装置内部的信号处理系统中以完成星等的判定工 作。整个光学系统包含可见光透射系统和辅助光学系统。可见光透射系统即可变透射 式聚焦镜，用于接收星光信号并将光信号传输到摆镜系统；辅助光学系统包含参考光 源、摆镜系统和瞄准目镜。参考光源用于形成等级星判定装置的自校准系统，随时都 可以对探测到的信号与数据进行必要修正；摆镜系统则相当于一个切换系统，它在系 统需要进行自校准时，将参考光源的光引入光电探测器，而系统进行采集星光信号时 将光信号引入光电探测器；瞄准目镜主要是用以在测量过程中对准目标和目视观察。 3 2 可变透射式聚焦镜的光学设计 3 2 1 聚焦镜技术要求和参数设计 该聚焦镜是消色差的，要满足可见光和近红外光谱段( 波段范围：o 3 5 9 i n i 0 r a n ) 很好成像，它应能够满足将平行光汇聚在探测器入射光口上，还能够实现对点光源的 汇聚，由此可见，其焦距应该是可变的。在这里有两个重要参数：个是参数通光口 径d ，另一个参数是焦距。 3 2 1 1 通光口径口 通光口径d 的大小决定对一定辐照度下汇聚能量的能力。由于本课题属于星光的 测试和校准，通光口径d 越大其探测星光信号的能力越强，但通光口径d 尺寸的选择 是有限的，不可能做得很大，这受经费、场地和使用条件限制，通过筛选后的光电倍 增管的光通量分辨率为l o 。2 l m 。系统要求光照度最小测量值在l x l 0 母i x ，最小分辨力 为lo 1 0 b ( 。 则通光口径d 可通过公式3 1 计算： n = k e 石( = ) 2 ( 3 1 ) 2 式中光通量( 单位为：l m ) ；k 光学系统透过率： e 为光照度( 单位为i x ) ；d 为聚焦镜的通光口径。 根据以上所述的测试条件，取o = 1 1 0 2 i m ，e = i x lo mi x ，k = 0 8 5 ，通过公式3 2 计算可知， d = 0 1 2 m( 3 2 ) 故可变透射式聚焦镜的通光口径d 在1 2 0 m m 左右。 3 2 1 2 焦距， 焦距f 的大小和被测物成像在探测器上的光斑大小有一定的关系，由于在本课题 7 中需要在对天空的已知恒星的星等采集有关的数据，该聚焦镜应具备满足天文观测的 能力，其焦距大一些对天空无穷远的恒星采样拍照是有利的，另外，对实验室内星模 拟器产生星等的光信号( 一般为平行光) 也可以很好成像，综合多方面考虑，初步确 定焦距f 约为4 0 0 m m 。 3 2 1 3 视场角护 对恒星的拍摄要求视场角越小越好，但会造成对准目标过程中调节起来比较困难， 尤其是在对准非常弱的光信号目标时。另外，要满足平行光管模拟的星光进行采样， 又需要一定的视场角存在，综合考虑，视场角6 = 2 0 0 。 3 2 1 4 其他参数 为了满足对某些没有平行光管的星模拟器的校准，这些模拟器一般采用点光源在 有限距离上模拟星等。这种星等的光不是平行光，所以在对这种形式的星模拟器校准 时，就需要可变透射式聚焦镜得有一定的调焦范围，以保证在这种情况下，对模拟星 的星图也能够很好成像在探测器的入射窗口上。 可变透射式聚焦镜在设计过程中，应考虑与判定装置信号处理部分结构及c c d 相 机或c c d 摄像机的接口等问题，即可以组合形成一个完整装置，便于与星等级有关数 据的采集并用于系统的最终调整和校准。 3 2 2 聚焦镜软件仿真 由聚焦镜的参数和技术要求，利用z e m a x 进行设计后的可变透射式聚焦镜光学 系统结构参数如表3 1 所示： 由软件生成的聚焦镜光路结构如图3 1 所示： 仃r 卜：、 聊 ” f i 。fo 、目vef 、l e w 图3 1 聚焦镜征m a x 结构图 8 由软件生成的光学系统效果图如图3 2 所示： 3 3 辅助光学系统 图3 2 聚焦镜z e m a x 设计效果幽 参考校准光源是一个低功率、低电压长期稳定性好的卤素灯。光通过光阑与成像 辅镜经过半透半反镜分别成像在自校准光电二极管和光电探测器上，经过中国计量科 学研究院标定的比例衰减装置主要作用是将参考光源发出的弱光再衰减到与星等级相 对应的更弱的星光，认真调整比例衰减装置可使入射到光电探测器参考校准光的辐射 强度为某一固定等级星光的辐射强度，通过c p u 程序软件的控制就形成等级星判定装 置的自校准系统，随时都可以对探测到的信号与数据进行必要修正。 自校准光电二极管、比例衰减装置、半透半反镜都可以送到中国计量科学研究院 进行检测。参考光的光源需要有程控功能，c p u 可以发出程控信号对其输出电功率给 予精确控制，使其保持在某一个非常稳定的数值上，只有这样，才可以保证参考光源 发出光功率是一个恒定值。 摆镜的功能是在需要进行自校准时，将参考光源的光引入光电探测器，而将被测 光进行阻隔，在测量时又可以将被测光引入光电探测器，而将参考光源的发出的光阻 隔，从而避免两束光之间相互干扰问题；另外摆镜还能够与目镜构成光路，使测量人 员可以对目标进行瞄准与观测。 辅助光学系统的光路较为简单，不存在成像问题，只是将所需的光信号利用反射 镜引入光电探测器即可，其设计方案与整体系统结构有关，将在下一章进行详细分析 与设计。 3 4 本章小节 本章首先对等级星判定装置的光学系统进行了分析，了解了其在整个装置中的作 用及组成部分的构成和功能；其次对光学系统主要的参数和技术要求进行了分析和计 算；最后给出聚焦透镜的z m a x 结构图和效果图。 9 第四章等级星判定装置的系统结构 4 1 系统结构概述 为了满足等级星判定装置能进行室内和外场测试的使用条件，整个系统的结构需 满足轻便和拆装方便，且便于和不同支架或平台的连接的条件。等级星判定装置内部 包含光学系统部分和探测器信号处理系统部分。由于在实际测量中，可变透射式聚焦 镜必须是可拆装的，于是在设计中聚焦镜将是一个有着活动接口的独立部分，而判定 装置其他的部分包括摆镜、参考光源、探测器、信号处理系统、c p u 及显示部分等都 设计安置在一个结构紧凑的机箱内。整个系统就被分成了两大部分，即可变透射式聚 焦镜和判定装置机箱。另外，为了能与支架或平台连接，还需设计一个简便且坚固的 支架，以适应不同的测试条件。 4 2 判定装置结构总图 判定装置的设计效果图如图4 1 所示。 图4 1 判定装置设计效果图 判定装置安装后的结构总图如图4 2 所示。 可变透射式聚焦镜的安装通过一个过渡连接件用螺纹与机箱连接来完成的。在机 箱的左侧狭长的区域主要用于安装触摸显示屏，右侧的空i j j | 用于安装主要的器件。机 箱最上部靠后的空问主要是放置c p u 及组件。机箱的中部靠后的空i 日j 是一个封闭的空 间，这里安装的是最重要的部件即光电探测器，其本身带有散热片和风扇，为了更好 的散热，在侧板上设计了类似散热片的叶片结构，这样可以利用机箱外壳与外界进行 热交换己达到散热的目的；机箱中部靠前的部分安装的是摆镜系统，光学系统接头固 定在机箱前面板上，摆镜则可以由电机控制绕轴做旋转运动，摆镜是一个双面反射镜， 当其扣合在光学系统接头处时，系统可以用目镜对目标进行观测和瞄准，并且系统还 可以对参考光源的光信号进行采集和处理，而进行自校准；当摆镜与光学系统接头分 离时系统对来自目标的光信号进行采集和处理，于是摆镜系统就起到了功能切换和避 i o 免光束干扰的作用。机箱的下部靠后的部分是前置放大器、信号处理单元等电路板及 电路模块的安装区域；而靠前的部分则是安装参考光源，由于空间的限制，参考光源 的光路采用三次反射的方案，即参考光信号由机箱下层光源经反射分光镜组合，两次 反射至机箱中部再由摆镜反射至探测器光敏面。 图4 2 判定装置安装后的结构总图 整个装置从外观看较为简洁和美观，使用也较为方便。为保护触摸显示屏，设计 了触摸屏盖扳，使用时可以方便的拆装。 4 3 本章小节 本章对等级星判定装置的系统结构进行了分析，明确了系统结构的要求和各分系 统结构的特点：对整个装置进行了三维模拟，显示了判定装置的设计效果图。 第五章光电探测器的选用和后续处理电路设计 5 1 光电探测器的选用 5 1 1 选择光电探测器的要点 以下是归纳出来的光电探测器件选择时应注意的要点： ( 1 ) 光电检测器件必须与辐射信号源和光学系统在光谱特性上匹配。 ( 2 ) 光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。首先要注意的是器 件的感光面要和照射光匹配好，光源必须照到器件的有效位置，如发生变化，则光电 灵敏度将发生变化。一般要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围 内，以确保获得良好的线性检测。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确 保一定的信噪比与输出足够强的电信号。 ( 3 ) 光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到 没有频率失真的输出波形和良好的时间内应。这种情况主要是选择响应时间短或上限 频率高的器件，但在电路上也要注意匹配好动态参数。 ( 4 ) 光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换 系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。 ( 5 ) 为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。 一般要求在长时间的连续使用中，能保证在低于最大限额状态下正常工作。当工作条 件超过最大限额时，器件的特性即急剧劣化，特别是超过电流容限值后，其损坏往往 是永久性的。使用的环境温度和电流容限一样，当超过温度的容限值后，一般将引起 缓慢的特性劣化。总之，要使器件在额定条件下使用，才能保证稳定可靠地工作。1 5 1 2 光电探测器的选用 在等级星判定装置的研制过程中，对光电探测器的选择至关重要。由于本系统探 测信号是极微弱的光信号，另外，受经费、场地和使用条件的限制，在本系统中的光 学系统的通光口径不可能做的非常大( 由大通光口径来弥补星光信号的不足) ，由此可 见选择高灵敏度、低噪声的光电探测器是最佳选择。 根据上述要点选用光电倍增管( 后文用p m t 表示) 作为光电探测器，基本上能够 满足测试要求，p m t 探测光的灵敏度极高，据有关资料的报道，在无任何光学聚焦系 统下，其最小探测能力为1o “l l l l 。 采用上述的光学系统，p m t 探测最小光信号照度为1 0 mi x ，足够满足本系统的基 本要求。但p m t 作为光电探测器其自身固有的缺陷必须在系统整体设计过程中给予充 分的考虑。 5 2p i l l 的工作原理和特性 5 2 1p l t l 的工作原理 p m t 是由光阴极、阳极和若干中间二次发射极所组成。它的结构原理及偏置电路 如图5 1 所示。分压器提供p m t 从阴极依次向各二次发射极直到阳极逐渐增高的电压。 当光辐射输入光阴极c 时，产生外光电效应，逸出相应的光电子。光电子被管内电场 加速，并依次轰击各二次极分别产生大于1 的二次电子发射，使光电流在管内增强或 倍增，最后从阳极a 输出倍增后的光电流。 5 2 2p t f f 的特性 5 2 2 1 时间特性 图5 1 p m t 及回路示意图 p m t 是具有高速响应的光电探测器。时间响应主要是指从阴极发射的光电子到达 阳极的放大过程中产生的渡越时间。 响应持性常用三个量来表示，它们分别是渡越时间，半高度脉冲持续时间( f w h m ) 和上升时间，其含义如图5 2 所示。 图5 2 p m t 的时间特性图 由于p m t 是光电发射型器件，而光电发射的延迟时间 3 x 1 0 1 3 s ，所以p m t 的时 间常数非常小而有很高的频率响应。虽然目前快速的p m t 响应时间已达0 2 3 n s ，但输 出的光电子还是有一定的渡越时间，而且如果在结构上没有补偿，从光电阴极边缘发 射的光电子与从中央发射的光电子到达阳极的渡越时间会有差别，这个时间差就叫渡 越时阃离散。 时问特性主要是由电极构造决定的，但也和工作电压有关。直线型倍增极结构的 时间特性最好，盒栅型、百叶窗型结构的时问特性不太好。因此，高速p m t 通常都使 用直线聚焦型。如果电场强度增强，即工作电压提高，则电子飞行速度加快，渡越时 间缩短。一般来说，时日j 特性随工作电压的平方根成反比例而得到改善。另外一般聚 焦型结构的渡越时间离散小。 5 2 2 2 线性度 在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围 尽可能宽。光特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即i 。= 项中) 。在 包括极微弱光领域的较大范围罩，线性度很好，即具有较宽的动态范围。但接受较强 光入射时，会产生偏离理想线性的情况。其中主要原因是阳极的线性特性影响。 ( 1 ) 阴极线性特性 光电面是半导体，具有一定的电阻，这种特性只存在于透过型光电面，具有透过 型光电阴极的p m t 。在低电压、大电流的场合下，也可能出现阴极线性特性的影响。 当入射光束落在大端面尺寸光阴极上的一个小区域时，末受光照的光阴极相当于电阻 串联在内部回路中，从而减小了实际施加的极间电压，也将引起非线性，它是光束面 积和位置的函数，工作时光束应尽可能均匀地照射光阴极，并增大阴极到第一个二次 极间的电压。 光电面作在金属板上的反射型光电面电阻很小，不存在这个问题。为了减轻光电面 电阻的影响，以提高收集效率，般在光电面和第一倍增极之间加1 0 0 v 以上的电压。 另外温度下降时，光电面电阻增大，所以冷却时必须考虑光电面电阻的温度特性 ( 2 ) 阳极线性特性 决定阳极线性的主要因素有：分压器回路的影响和倍增系统的大电流时空间电荷 效应的影响。直流运用主要是因为分压器回路的影响，而脉冲运用则是因空间电荷效 应限制了线性。 在最后一个二次极与阳极间电流较大时，由于分流作用，可能使极间电压减小， 使收集率发生变化而影响线性度：负载电阻或阳极电阻的选择一般较大，目的是产生 更大的电压信号。当阳极电流很大时，将产生较大的压降，也会使最后一个极间电压 降低而造成非线性。为消除这一影响，最好采用“电流一电压变换器”类型的放大电路， 这样有效负载变得：i t 4 ，对分压影响极小。 5 2 2 3 光谱特性 p m t 的光谱特性主要由光阴极和破壳材料的特性来确定，实际上同一型号的管子 的特性，包括光谱特性也不会完全相同手册中给出的曲线和数据是大致的平均值。 影响光p m t 光谱特性的还有其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。川1 5 2 2 4 暗电流 p m t 即使在没有光入射的情况下也有电流流过，称其为暗电流。作为微弱电流， 微弱光使用的p m t ，希望暗电流尽可能小。 引起暗电流的因素有如下几点： ( 1 ) 光电阴极和第一倍增极的热电子发射产生的电流。 由于光电阴极、倍增极面是用功函数低的物质构成的，即使在常温下也有电子发 射，经放大到达阳极成为暗电流。这是p m t 的主要暗电流。这一效应可用下式表示 ，= a t 5 7 4 p 卅7 打) ( 5 1 ) 式中是功函数，t 是绝对温度，e 是电子电荷，a 是常数，k 是玻耳兹曼常数。 功函数大小是光电阴极的种类决定热电子的发射量。由上式可知，如果温度下降， 暗电流也降低。图5 - 3 所示，由于冷却，暗电流可大幅度下降，但只能减到漏电电流的 水平。热电子发射虽然是从光电阴极和倍增极两方面发射的，但光电阴极对路电流的 影响最大。因此热电子发射的暗电流对于工作电压的变化和电流增益的变化趋势差不 多一样。 ( 2 ) 由残留气体电离引起的的电流 由于抽真空技术限制，管内总存在一些残余气体，它们被运动电子碰撞电离，其 中j 下往前轰击到光电阴极和前级倍增极上，产生更多的二次电子，输出大的噪声脉冲。 该噪声脉冲在大电流时比光电流稍迟出现，因此在脉冲工作时，它作为后脉冲将使测 试值产生误差。 ( 3 ) 场致发射 一旦p m t 工作电压过高时，将出现场致发射电子，暗电流急剧增加。最好在比最 大工作电压低2 0 3 0 0 6 使用。 l ! ll l ! 一一，。 n 设置 口为出r n t 一 设i c 口为出口 图6 1 6 方式1 子程序流程图 4 0 图6 1 6 是步进电机在正常工作方式下的程序流程图。输出步数变量清零，每发送 一个驱动脉冲后自加l ，发送给上位机。输入步数变量减去用于缓慢停机的步数，然后 根据c hp o r n 的0 位判断被控制对象。对于摆镜的控制只需将固定的升速和减速的步 数付给变量u ps t e p l 、u ps t e p h ) 和d o w ns t e p h 、d o w ns t e p l ，输入步数变量 减去升减速步数和的差值赋给变量就可以，控制摆镜的步进电机一定经过升速、恒速 和减速的过程。而对于转台的控制需要先对输入步数变量进行判断，设置了两个分界 点a 和b ，这两个量的具体值要通过调试来确定。当输入步数变量小于a 时进入方式2 用低频恒速发送数量较少的驱动脉冲，当输入步数变量大于a 但小于b 时。将输入步 数变量平分给变量u ps t e p l 、u ps t e p h ) 和d o w ns t e p h 、d o w ns t e p l ，此时步 进电机只有升速和减速过程，没有恒速过程，通过设置c hp o r n 的2 、3 位加速后跳过 恒速过程直接进入减速过程。当输入步数变量大于b 时，和摆镜的处理方式相同。分 配好步数后设置p i n 、p i ns t e p 初始值，装入定时常数的初始值，清零定时器查询等 待标志位变量c hp o r n 的第6 位，并启动定时器。程序中设置了一个计数器定时常数 的影子寄存器，通过判断读表取出相应的定时常数存在其中，通过判断c hp o r n 的第 6 位等待定时结束，进入定时中断子程序，在中断程序中计数器的影子寄存器的定时常 数才赋给计数器的定时常数寄存器中。中断返回后调用发送数据子程序。把输出的驱 动脉冲的个数发给上位机。最后子程序返回到主程序开始处。 6 4 本章小节 本章首先阐述了步进电机控制的摆镜和转台在等级星判定装置中的功能；然后介 绍了步进电机的特点及其驱动；其次介绍p i c 系列中档单片机的特性；接着选择了设 计中用到的单片机的型号并对设计中用到的功能模块和引脚作了介绍；最后详细说明 了单片机用于产生驱动步进电机工作的驱动脉冲的电路设计和软件编程思想。 4 1 第七章等级星判定装置的精度分析 精度是评价仪器质量最重要的基本指标，对仪器进行误差分析是仪器设计过程中 的个必要的步骤。借助于j 下确的仪器精度的分析方法，可以帮助我们找出影响仪器 精度的关键因素，寻求提高仪器精度的途径：同时，仪器精度分析方法也能使仪器使 用者对产生仪器误差的原因及其对仪器使用性能的影响有一较全面的了解，有助于掌 握仪器的正确使用。 7 1 仪器误差和仪器测量误差的主要来源 ( 1 ) p m t 噪声引起的误差 ( 2 ) 前置放大器非线性失真引起的误差 ( 3 ) 后续处理电路引起的误差 ( 4 ) 暗电流引起的误差 ( 5 ) 星光级标准光源模拟星等照度引起的误差 7 2 误差分析与计算 7 2 1 p m t 噪声引起的不确定度 根据p m t 生产厂家提供的出厂测试数据，光照度在1 0 5 1 x 1 0 - 7 i x 范围内，其噪 声引起的不确定度为1 ( t = - i ) ，u l = 1 ； 7 2 2 前置放大器非线性失真引起的不确定度 由于前置放大器采用高性能的仪表放大器和隔离放大器，其非线性失真引起的不 确定度u 产1 ； 7 2 3 后续处理电路引起的不确定度 1 6 位a d 转换电路和c p u 信号处理的信号是数字信号，其误差非常小，可以忽 略不计。 7 2 4 噪声和暗电流引起的不确定度 当测量非常微弱的光信号时，噪声和暗电流在对测量结果的影响便不能忽略。 当光照度为1 0 5 i x 1 0 7 i x 范围内时，噪声和暗电流引起的不确定度为u 4 = 1 ； 7 2 5 星光级标准光源模拟星等照度的扩展不确定度 星光级标准光源模拟星等照度的不确定度分量主要来源于光源、衰减装置和微光 照度计，并且它们之问不相关。 星等照度的合成标准不确定度u c 为； u c l = ( u 1 2 + u 2 2 + 1 1 3 2 ) ”2 ( 7 1 ) 星等照度的扩展标准不确定度u 为： l 芦t l l cj( 7 2 ) 表7 1 星光级标准光源模拟星等的不确定度合成 不确定度 序号 来源符号数值 1光源 u l 1 2衰减装置1 1 2 1 3微光照度计 u 3 1 合成结果u c i 1 7 取置信水平为9 5 ，包含因子k = - 2 ，则星光级标准光源模拟星等的扩展不确定度 为4 ( t = 2 ) 。 7 2 6 等级星测量的不确定度的合成 等级星传递标准用于测量星光模拟器的星等时，其测量不确定度主要来源于 p m t 、前置放大器、噪声和暗电流的影响和星光级标准光源引起的测量不确定度， 并且以上几个分量互不相关，计算合成标准不确定度为： u c 2 = ( u c l 2 + 砰+ u 5 2 + u 6 2 ) 1 1 2 ( 7 3 ) 表7 2 等级犀测量的不确定度合成 不确定度 序号 来源符号数值 i 星光级标准光源 u c l1 2p m t u 41 3 前置放大器 u 51 4 噪声和暗电流 u 61 合成结果 u c 2 2 5 取置信水平为9 5 ，包含因子k - = - 2 ，等级星的扩展不确定度为5 ( k = 2 ) 。 7 3 本章小节 对仪器的