用于紫外光譜儀的探測器溫度控制系統(tǒng)

蔣 雪，侯 漢，馬慶軍，林冠宇

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033）

1 引言

大氣臭氧（O3）、平流層氣溶膠等微量氣體的密度和垂直分布情況，對氣候變化和大氣環(huán)境研究有重要價值。FY-3 紫外臨邊光譜儀是借助衛(wèi)星平臺觀測地球臨邊大氣紫外-可見波段太陽后向散射的光學遙感儀器。探測獲得的光譜遙感信息對于農業(yè)、氣候、軍事等方面的發(fā)展具有重要意義[1-3]。

FY-3 紫外臨邊光譜儀，選用的是英國e2v 公司生產的背照式互補金屬氧化物半導體（CMOS）探測器，測量范圍是290 nm～500 nm 紫外波段。CMOS 探測器和電荷耦合器件（CCD）探測器性能相當，但是CMOS 探測器具有驅動時序復雜度低、開發(fā)周期短、成本低的優(yōu)點。CMOS 探測器分為背照式和正照式兩種。背照式CMOS 探測器的結構布局使其不受遮擋，故其比正照式CMOS 探測器接收光子的能力更強，靈敏度更高，更適合用于航天領域。因此，本文選用背照式CMOS 探測器。但是，由于背照式CMOS 探測器的工藝特殊，在常溫條件下產生的暗電流較高，噪聲較大，為了提高圖像質量，需要將背照式CMOS 探測器置于低溫條件下應用。除此之外，極速的溫度變化產生的溫度沖擊可能會對背照式CMOS 探測器造成不可逆的損傷，導致探測器獲取的圖像出現(xiàn)大量的異常像素。這些異常像素的光響應情況不同于正常像素的感光情況，將影響圖像質量。為了解決上述問題，本文設計了探測器溫度控制系統(tǒng)，以使探測器的溫度達到控制要求。

本文設計的探測器溫度控制系統(tǒng)核心采用的是PID 控制。PID 控制算法是一種應用于過程控制的閉環(huán)控制算法，可以起到動態(tài)修正實測值與目標值之間偏差的作用，廣泛應用于各種工業(yè)控制中的連續(xù)系統(tǒng)[4-5]。傳統(tǒng)的溫控系統(tǒng)是在硬件上搭建PID 控制單元，用模擬控制的方式調節(jié)探測器溫度。這種模擬控制方式的靈活度很低，不易更改，調試難度較高[6-7]。本文設計的溫度控制系統(tǒng)是基于FPGA 實現(xiàn)的數(shù)字PID 控制。這種數(shù)字控制方式靈活度很高，可以在軟件界面預留參數(shù)輸入入口。通過更改控制參數(shù)，靈活調整制冷目標溫度、溫變速度與溫控精度，這種調節(jié)的靈活性大大提高了儀器的研制效率，而且在軌觀測時，如遇突發(fā)狀況也可以靈活應對。但是直接使用PID 控制算法會帶來一些問題，比如，偏差過大引起的溫度沖擊問題[8-10]，積分飽和問題。本文通過加入輸入過渡過程和抗積分飽和處理對基礎PID 控制進行改進，最終達到探測器溫度的控制要求。

本文介紹了FY-3 紫外臨邊光譜儀探測器溫度控制系統(tǒng)的組成、工作原理和實現(xiàn)方法。通過多次大型整機環(huán)境實驗驗證該系統(tǒng)性能。結果表明：本系統(tǒng)可實現(xiàn)對FY-3 紫外臨邊光譜儀CMOS探測器溫度的精確控制，探測器目標溫度可以靈活更改，并且在指定控制參數(shù)下，可以使探測器溫度變化速率和控溫精度均滿足控制要求。

2 溫度控制系統(tǒng)的構成及其工作原理

FY-3 紫外臨邊光譜儀的安裝位置是艙內，在軌運行時，儀器的環(huán)境溫度是室溫。根據(jù)探測器的特性和探測需求，需要將CMOS 探測器的工作溫度保持在-10 °C，低于環(huán)境溫度。所以設計的CMOS 探測器的溫度控制系統(tǒng)需具備降溫功能。而對于探測器工作結束后的回溫過程，則可以通過逐漸減弱制冷器的制冷強度，再通過探測器自身與環(huán)境的熱交換，使探測器溫度恢復到環(huán)境溫度，故CMOS 探測器的溫控系統(tǒng)不需要具備升溫功能。除此之外，還需要保證探測器的溫度不被周圍電源模塊、汞燈、鎢燈等其他輻射源干擾。

2.1 CMOS 溫度控制系統(tǒng)的構成

圖1 為溫度控制系統(tǒng)結構圖。本溫控系統(tǒng)由溫度采集單元、算法控制單元、功率控制單元、半導體制冷器、CMOS 探測器組成。

圖1 溫度控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Block diagram of temperature control system

探測器內置MF501 測溫熱敏電阻。溫度采集單元由多路選擇器、運算放大器、A/D 轉換器組成。功率控制單元由D/A 轉換器、運算放大器、場效應管組成。算法控制單元由FPGA 實現(xiàn)，內含遙測采集模塊、PID 調節(jié)模塊、制冷輸出等模塊。

2.2 溫度控制系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)采用帕爾貼效應對探測器制冷。制冷器與焦平面之間安裝了導熱塊。探測器的溫度通過導塊傳輸?shù)浇蛊矫妫M而傳輸?shù)接糜谡麢C散熱的熱管中。

設定遙測采集周期為500 ms，F(xiàn)PGA 控制遙測采集模塊每間隔500 ms 驅動一次外部DAC，采集探測器當前溫度遙測值。PID 調節(jié)單元根據(jù)來自地面注入的目標溫度、PID 系數(shù)，結合當前溫度遙測值，利用增量式PID 算法計算出制冷控制增量，控制增量與上次輸出的控制量疊加得到當前控制量，然后制冷輸出模塊驅動外部DAC 將當前控制量輸出到功率控制單元，功率控制單元將制冷控制量作用到制冷器上，實現(xiàn)對探測器制冷。

周期地循環(huán)上述過程，即可實現(xiàn)對探測器溫度的動態(tài)調節(jié)。合適的制冷電流變化規(guī)律可以使探測器以指定的溫變速率變化到目標溫度，并且以一定精度穩(wěn)定在目標溫度。本系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA輸出的制冷控制量越大，制冷電流越大，系統(tǒng)制冷強度越強。制冷控制量與制冷強度正相關。

3 溫度控制系統(tǒng)的關鍵算法

3.1 PID 算法

PID 控制原理圖如圖2 所示。PID 算法由比例項（Proportion）、積分項（Integral）、微分項（Differential）組成。設目標值為r(t)，實測值為y(t)，PID 控制算法的輸入為目標值與實測值的偏差e(t)，輸出為u(t)。PID 算法對一段時間以來的偏差e(t)進行比例、積分、微分計算，得到控制值u(t)，將控制值u(t)作用到被控對象，即可實現(xiàn)對被控對象的控制[10]。

圖2 PID 控制原理圖Fig.2 Schematic diagram of PID control

設比例項系數(shù)為Kp，積分時間常數(shù)為Ti，微分時間常數(shù)為Td，PID 控制算法在連續(xù)系統(tǒng)中的公式為：

由式(1)可知，當溫度偏差存在時，比例項將針對當前偏差立即起到減小偏差的作用；積分項是針對過去所有的偏差，起到消除系統(tǒng)偏差的作用；微分項是根據(jù)偏差的變化規(guī)律提前阻止即將發(fā)生的變化。對于這種結合現(xiàn)在、過去、將來的控制，理論上，如果系數(shù)合適，即可實現(xiàn)對被控對象的動態(tài)校正。

3.2 數(shù)字PID 算法

由于數(shù)字控制是一種離散采樣的過程，需要將模擬PID 控制算法離散轉化成數(shù)字PID 算法后，才能應用于數(shù)字控制中。數(shù)字PID 算法有兩種：位置式PID 算法和增量式PID 算法。

3.2.1 位置式PID 算法

位置式PID 算法是由模擬PID 算法離散化后直接得到的。設采樣間隔為T，采樣序號為k，模擬PID 算法離散化后，即得到位置式PID 算法表達式：

其中，Ki是積分項系數(shù)，Kd是微分項系數(shù)。

3.2.2 增量式PID 算法

增量式PID 算法是由位置式PID 算法變形而來，它的輸出為控制量的增量 Δuk。增量式PID 算法與位置式PID 算法的關系為：

將式(2)位置式PID 算法的表達式帶入式(3)，得到增量式PID 算法表達式：

對比式(2)和式(4)可以看出，位置式PID 算法需要對歷次的偏移量進行累加和計算，而增量式PID 算法只需要計算最近三次的偏移量。二者相比較，增量式PID 算法的計算量更小、穩(wěn)定性更強，更適用于基于FPGA 的數(shù)字控制系統(tǒng)。

由于本系統(tǒng)內的功率控制單元不具備記憶能力，不能接收控制增量只能接收控制量，所以選擇用FPGA 儲存上次的控制量，利用式(3)，將上次的控制量與本次計算的控制增量相加，得到本次控制量，最終將本次控制量輸出到功率控制單元實現(xiàn)控制。

3.3 算法的改進

3.3.1 目標值過渡過程

PID 算法是一種快速調整偏差的算法，如果實測值與目標值的偏差很大，為了快速校正偏差，會產生較大的控制量。在本系統(tǒng)中，當系統(tǒng)剛啟動或探測器目標溫度改變時，制冷目標溫度與探測器當前溫度可能會相差較大。這種情況下，為了使探測器溫度達到目標溫度，PID 控制會連續(xù)產生最大制冷電流，使探測器溫度快速下降。但是由于背照式CMOS 探測器的工藝特性，溫度沖擊可能會對探測器造成不可逆的損壞。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，延長探測器壽命，要求探測器的溫度按照4 °C/min～5 °C/min 的速度變化。

考慮到探測器要求的溫變速率區(qū)間較小，但是探測器溫度對制冷電流的響應很快，設計時在PID 算法的前端增加了一個過渡過程控制。使輸入到PID 算法的探測器目標溫度按照要求的溫變速率緩慢變化。

已知要求的變化速率為4 °C/min～5 °C/min，那么將4.5 °C/min 作為目標溫度過渡過程的變化速率v。為了便于調試，將時間步長n與溫度增量ΔT均設計為界面可輸入的參數(shù)。則有，

由于系統(tǒng)采樣間隔是500 ms，所以時間步長的單位是500 ms。這個過渡過程可使每間隔n個500 ms，輸入到PID 控制器的目標溫度增加或減少 ΔT。通過多次單機、整機、整星大型環(huán)境實驗可以證明，當設置n=8，ΔT=0.3 °C 時，在回溫和制冷的過程中，均可使探測器溫度變化速度達到要求的4 °C/min～5 °C/min。

3.3.2 抗積分飽和控制

PID 調節(jié)單元輸出的制冷控制量是通過外部DAC 作用到制冷器的。真正作用到制冷器的控制量的范圍受DAC 的量化位數(shù)限制。本系統(tǒng)中使用的DAC 是12 位量化，那么，實際可輸出的控制量的碼值范圍是000H 至FFFH。

本系統(tǒng)有制冷功能沒有加熱功能。控制探測器制冷是增大控制量的過程；控制探測器回溫是減小控制量的過程。PID 調節(jié)單元輸出到DAC的控制量越大，那么制冷電流越大，系統(tǒng)的制冷強度越強。當控制量為FFFH 時，制冷電流達到最高，值為1.1 A。反之，PID 調節(jié)單元輸出到DAC的控制量越小，那么制冷電流越小，系統(tǒng)的制冷強度越弱，當控制量為000H 時，制冷電流達到最小，值為0 A。此時制冷電路的開關狀態(tài)不變，只是不起制冷作用。

當PID 算法得到的控制量低于極限小值000H，或高于極限大值FFFH 時，如果不對輸出做限幅處理而直接截斷輸出，那么實際制冷作用可能會與預期相差較大，甚至相悖。這種情況將會導致制冷時間過長，甚至出現(xiàn)震蕩而無法制冷，達到目標溫度。

這種現(xiàn)象是由積分飽和導致的，解決的辦法是對PID 調節(jié)單元的輸出做限幅處理，即，當PID 算法得到的控制量超過FFFH，那么PID 調節(jié)單元將輸出最大邊界值FFFH，并且取消積分作用，即將積分項系數(shù)置0；當PID 算法得到的控制量是負值，那么PID 調節(jié)單元將輸出最小邊界值000H，并且取消積分作用，即將積分項系數(shù)置0。只有當控制量在000H 至FFFH 范圍時，才執(zhí)行積分運算，并輸出控制量。

4 溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 數(shù)字PID 算法

由圖3 探測器溫度碼值曲線可知，探測器的溫度越低，對應的碼值越大；在本系統(tǒng)中，輸出控制量越大，制冷效果越強。在本系統(tǒng)中，偏差為目標值減去實測值，即：

圖3 探測器溫度和碼值關系曲線Fig.3 Relationship between detector temperature and code values

即，當制冷目標溫度大于當前溫度時，溫度偏差的符號為正，否則為負。

圖4 為此溫度控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)流程。按照系統(tǒng)要求，遙測采樣的間隔為500 ms。在溫控流程中，每個遙測采樣時刻均為一次溫度調節(jié)的開始時刻。此溫控系統(tǒng)的實現(xiàn)流程為：

圖4 溫度控制系統(tǒng)的軟件流程圖Fig.4 Flow chart of temperature control system software

當采樣時刻到來時，首先，從遙測采集模塊讀取探測器當前溫度遙測值，同時讀取經(jīng)過前置濾波器的當前目標溫度 ；

接著，計算當前溫度遙測與目標溫度值的偏差，并標記偏差的符號，同時緩存前兩次的溫度偏差和偏差的符號；

然后，將最近三次的偏差和偏差符號帶入增量式PID 算法，計算控制增量并標記控制增量的符號；

利用式(3)，將控制增量與上一次的控制量疊加，得到當前控制量；

再對當前控制量做限幅處理，得到最終要輸出的控制量；

最后，驅動外部DAC 將限幅后的控制量輸出到功率控制單元，進而作用到制冷器。此時一次溫度調節(jié)結束，等待下一次采樣時刻到來，重復上面過程，開展新一次溫度調節(jié)。

4.2 PID 參數(shù)整定

PID 控制算法由比例項、積分項、微分項組成，每一項的系數(shù)決定了該項作用的強弱。

比例項的作用是快速修正偏差，比例項系數(shù)越大，效果越強，但如果比例項系數(shù)過大，將會產生較大超調；積分項的作用是補償系統(tǒng)的靜差，積分時間常數(shù)越小，積分項作用越強，消除系統(tǒng)靜差的時間越短，但如果積分項作用過強，將會引起振蕩；微分項的作用是提前阻止偏差的變化，在偏差變化之前進行修正，適用于噪聲較小的系統(tǒng)，微分時間常數(shù)越大，微分項作用越強，合適的微分項系數(shù)可以加快修正速度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

PID 參數(shù)整定方法有臨界比例法、反應曲線法、衰減法和經(jīng)驗法。本系統(tǒng)采用經(jīng)驗湊試法，通過多次試驗，根據(jù)實際控制情況，按照比例系數(shù)、積分系數(shù)、差分系數(shù)的順序調整，最終選擇合適的PID 系數(shù)。

5 測量實驗與結果

經(jīng)過多次整機溫度循環(huán)、老煉等環(huán)境實驗發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)Y-3 紫外臨邊光譜儀探測器溫控系統(tǒng)制冷或回溫的溫度變化速率均可通過數(shù)據(jù)注入靈活調節(jié)，目標溫度也可通過數(shù)據(jù)注入靈活控制。該系統(tǒng)可在指定參數(shù)下滿足探測器溫度的控制要求。

系統(tǒng)要求探測器制冷和回溫的速率均滿足4 °C/min～5 °C/min。在多次環(huán)境實驗中，隨機提取一次制冷過程曲線如圖5（彩圖見期刊電子版）所示，一次回溫過程曲線如圖6（彩圖見期刊電子版）所示。

圖5 制冷過程曲線Fig.5 Temperature cooling curve of the detector

圖6 回溫過程曲線Fig.6 Temperature rising curve of the detector

由圖5 制冷過程曲線可以看出，隨著制冷電流的增大，探測器溫度在降低。由圖6 回溫過程曲線可看出，隨著制冷電流減小，探測器溫度在升高。制冷電流在變化過程中有微小的調整，使得探測器溫度基本呈線性變化。將圖5 和圖6 中探測器溫度曲線在溫度變化階段進行擬合。可以看出，探測器溫度的變化速率控制在了(4.5±0.05) °C/min內，滿足指標范圍要求。

探測器制冷目標溫度默認為-10 °C，但也可根據(jù)實驗情況隨時調整，如圖7 和圖8 分別為制冷目標溫度為-5 °C 和-10 °C 時，在一個軌道時間內持續(xù)工作過程中，探測器溫度散點圖。可見，目標溫度分別為-5 °C 和-10 °C 時，控制誤差均可以達到±0.1 °C，優(yōu)于指標±0.2 °C。

圖7 目標溫度為-5 °C 時的溫度散點圖Fig.7 Scatter plot of temperature at a target temperature of-5 °C

圖8 目標溫度為-10 °C 時的溫度散點圖Fig.8 Scatter plot of temperature at a target temperature of-10 °C

FY-3 紫外臨邊光譜儀使用的探測器有效感光區(qū)域為2 000×100，光譜維覆蓋2 000 行，空間維覆蓋100 列。在軌運行時，對有效感光圖像的光譜維2 000 行不合并，空間維100 個像元合并后再下傳。

使用鎢燈作為標準光源，積分時間設置為12 s，分別在室溫23 °C 條件和制冷到-10 °C 條件下拍攝100 幀，曲線對比情況如圖9（彩圖見期刊電子版）所示。圖9 橫坐標為有效感光區(qū)域的光譜維行序號1～2 000；縱坐標為有效感光區(qū)域的空間維100 個像元合并后的DN 值。

圖9 不同溫度的鎢燈曲線圖Fig.9 Temperature curves of different tungsten lamps

由圖9 可看出，常溫下，曲線有兩處尖峰，這是由探測器上的壞點造成的，它們對于光響應與其他正常像素的反應不同。通過使探測器降溫，異常像素的光響應將恢復正常，曲線的異常尖峰值也將消失。并且，溫度的降低使得探測器的暗電流降低，光譜曲線向下平移，并且噪聲減小，光譜曲線更加平滑。取對應像元在100 幀內的平均值作為信號值，標準差作為噪聲，信號值除以噪聲可得到信噪比。繪制信噪比曲線如圖10 所示。可見，信噪比在探測器溫度為-10 °C 時比溫度為23 °C 時有所提高。

圖10 不同溫度的信噪比曲線Fig.10 SNR curves at different temperatures

將入光口遮住，使探測器置于暗場環(huán)境，積分時間設置為12 s，分別在室溫23 °C 條件和制冷到-10 °C 條件下拍攝100 幀圖像。剔除上述兩處尖峰位置的異常點，計算對應像元在100 幀的標準差，作為暗噪聲，繪制曲線如圖11 所示。可見，在制冷的作用下，探測器暗噪聲得到了有效抑制。

圖11 不同溫度的暗噪聲曲線Fig.11 Dark noise curves at different temperatures

6 結論

本文介紹了一種FY-3 紫外臨邊光譜儀探測器的溫度控制系統(tǒng)。通過對比實驗看出，低溫條件下，F(xiàn)Y-3 紫外臨邊光譜儀探測器的噪聲得到了有效抑制。通過多次大型整機環(huán)境實驗可以證明，此溫控系統(tǒng)的目標溫度和溫變速率均可通過數(shù)據(jù)注入靈活調節(jié)。在指定參數(shù)下，制冷速率和回溫速率均可以控制在(4.5±0.05) °C/min，滿足4 °C/min～5 °C/min 的指標要求。在不同目標溫度下，控溫精度均可達到±0.1 °C，優(yōu)于指標要求。本文所設計的探測器溫度控制系統(tǒng)具有靈活度高，控溫精度高，抗干擾能力強的特點。