一種基于DSP的航空遙感器光學元件溫控方法*

陳志超王健飛劉少明高健周聰

1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所；2.空裝駐某地區軍事代表室

航空遙感器是一種遙感成像設備，用于遠距離對地面目標進行信息獲取，主要應用在地理測繪、應急減災等領域，在國民經濟建設中發揮重要的作用。傳統航空遙感器焦距短、工作時間有限、成像質量要求不高，因此航空環境的影響不大。隨著航空遙感成像技術的不斷發展和人們對高質量航空遙感圖像的需求，航空遙感器的焦距不斷增長，載機平臺的飛行高度不斷提高，變化劇烈的航空環境對相機的高清晰度成像造成了很大的影響。

航空遙感器的核心是其光學系統。光學系統中的各個光學元件的面型和位置在成像過程中必須處于光學設計的公差之內才能保證良好的成像質量，而航空遙感器的環境適應性控制則是保證上述條件的重要因素。合理的環境適應性技術能夠保證光學元件在各種變化的環境條件下仍然處于良好狀態，從而保證在環境變化時航空遙感器仍然能夠獲得好的成像結果。航空遙感器熱學成像環境十分惡劣，從地面到空中溫度變化劇烈，由于航空遙感器高機動性的特點，溫度水平要在短時間內達到適合的溫度范圍，同時對熱均勻性也有要求，因而航空遙感器的環境適應性設計目前仍然是一個難點。與折射式光學系統相比，反射式光學系統對溫度變化更為敏感，這就要求在進行總體設計時充分考慮航空遙感器的溫度適應性，使其在較大溫度范圍內能夠獲得較好的成像質量。本文提出的光學元件溫控方法對航空遙感器在惡劣環境下仍然能夠獲得較好的成像質量具有重要意義。

1 系統總體方案

本方法主要針對一種反射式光學系統的主鏡和次鏡等光學元件進行溫度控制，其總體結構如圖1所示，由溫度控制器、直流電源、直流繼電器、加熱片、溫度傳感器等組成。作為一種閉環控制方法，通過不斷的采集光學元件的溫度，計算目標溫度與當前溫度的差值，依據控制算法設定加熱片的通電功率的大小，從而對光學元件進行加熱，控制其溫度升高或者降低，使光學元件達到目標溫度，完成閉環工作，確保航空遙感器的成像質量。

圖1 溫控系統結構圖Fig.1 Structural diagram of the temperature control system

溫度控制器為核心部件，采用高速數字處理器DSP作為主控芯片，用于采集溫度傳感器反饋回的溫度數據，控制直流繼電器控制加熱片的通電與停止，快速達到溫度控制的目標。

直流繼電器根據溫度控制器的信號，對加熱片進行通電或停止通電，從而對光學元件進行輻射加熱。直流繼電器包括電磁繼電器、固態繼電器等多種類型。根據該方法溫控周期短、溫控頻繁的特點，選擇直流固態繼電器JGC-5112M，能夠滿足溫控需求，并具有較高的可靠性。

溫度傳感器粘貼于光學元件以及加熱片上，用于測量光學元件的溫度。溫度傳感器具有多種類型，數字式、模擬式等多種，測溫精度也有很多。根據溫控DSP芯片的接口，選擇數字式溫度傳感器DS18B20U芯片，其測溫精度0.5℃，滿足航空遙感器光學元件控溫精度要求。

2 典型硬件電路

溫度控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，這是一種基于TMS320C28x內核的32位低功耗定點數字信號處理器，具有較高的運算的精度（32位）和系統的處理能力（達到150MIPS），還集成了256KB的Flash存儲器，8KB位的引導ROM，數學運算表以及2KB的OTP ROM，從而大大提高了應用的靈活性。該器件上集成了多種外設，為電機及其他運動控制領域應用的實現提供了良好的平臺，如圖2所示為TMS320F2812的核心電路。

圖2 溫度控制器核心電路Fig.2 Temperature controller core circuit

溫度傳感器采用Dallas公司的DS18B20U，其典型電路如圖3所示。這是一款高精度的數字輸出溫度傳感器，采用單總線接口，僅用2個普通I/O就可以連接多個溫度傳感器，其測量溫度范圍為-55℃～+150℃，供電電壓+5V，精度：±0.5℃，該產品具有較高的性價比和優良的可靠性，獲得了廣泛應用。如圖3所示為溫度傳感器的數據采集電路。

圖3 溫度傳感器數據采集電路Fig.3 Temperature sensor data acquisition circuit

溫度繼電器采用國內陜西群力電工公司生產的JGC-5112M，這是一種密封直流固態繼電器，負載電壓50V，負載電流可以達到10A，具有體積小、輸出電流大、負載能力強、輸出壓降低、可靠性高等優點。如圖4所示是JGC-5112M控制電路。

圖4 溫度繼電器控制電路Fig.4 Temperature relay control circuit

3 軟件工作流程

軟件流程圖如圖5所示，系統上電后，首先進行硬件初始化配置，其次是數據和參數初始化配置，然后進行主控指令判斷，根據指令進行光學元件的溫度控制或者自檢，完成整個控制流程[1]。當收到溫控指令時，進入到溫控軟件模塊，采集溫度傳感器溫度，根據控溫目標值，控制對應的加熱片進行通電或斷電，完成閉環控制。當收到自檢指令時，進入到自檢軟件模塊，與溫度傳感器進行通訊，判斷溫度傳感器的正確性，并將自檢結果上報給主控[2]。

圖5 軟件工作流程Fig.5 Software workflow

4 總結

本文描述了一種航空遙感器光學元件的溫控方法，講述了控制方法、典型硬件電路及軟件工作流程，經試驗測試，該溫度控制方法能達到1℃的溫度精度，滿足控溫要求，具有一定的工程指導意義。

引用

[1] 楊智.工業自整定PID調節器關鍵技術綜述[J].化工自動化及儀表,2000,27(2):5-10.

[2] 尹彥龍.大滯后溫控系統自整定PID控制算法的研究與仿真[J].工業控制計算機,2016,29(10):38-40.