一种基于DSP的航空遥感器光学元件温控方法*

陈志超王健飞刘少明高健周聪

1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所；2.空装驻某地区军事代表室

航空遥感器是一种遥感成像设备，用于远距离对地面目标进行信息获取，主要应用在地理测绘、应急减灾等领域，在国民经济建设中发挥重要的作用。传统航空遥感器焦距短、工作时间有限、成像质量要求不高，因此航空环境的影响不大。随着航空遥感成像技术的不断发展和人们对高质量航空遥感图像的需求，航空遥感器的焦距不断增长，载机平台的飞行高度不断提高，变化剧烈的航空环境对相机的高清晰度成像造成了很大的影响。

航空遥感器的核心是其光学系统。光学系统中的各个光学元件的面型和位置在成像过程中必须处于光学设计的公差之内才能保证良好的成像质量，而航空遥感器的环境适应性控制则是保证上述条件的重要因素。合理的环境适应性技术能够保证光学元件在各种变化的环境条件下仍然处于良好状态，从而保证在环境变化时航空遥感器仍然能够获得好的成像结果。航空遥感器热学成像环境十分恶劣，从地面到空中温度变化剧烈，由于航空遥感器高机动性的特点，温度水平要在短时间内达到适合的温度范围，同时对热均匀性也有要求，因而航空遥感器的环境适应性设计目前仍然是一个难点。与折射式光学系统相比，反射式光学系统对温度变化更为敏感，这就要求在进行总体设计时充分考虑航空遥感器的温度适应性，使其在较大温度范围内能够获得较好的成像质量。本文提出的光学元件温控方法对航空遥感器在恶劣环境下仍然能够获得较好的成像质量具有重要意义。

1 系统总体方案

本方法主要针对一种反射式光学系统的主镜和次镜等光学元件进行温度控制，其总体结构如图1所示，由温度控制器、直流电源、直流继电器、加热片、温度传感器等组成。作为一种闭环控制方法，通过不断的采集光学元件的温度，计算目标温度与当前温度的差值，依据控制算法设定加热片的通电功率的大小，从而对光学元件进行加热，控制其温度升高或者降低，使光学元件达到目标温度，完成闭环工作，确保航空遥感器的成像质量。

图1 温控系统结构图Fig.1 Structural diagram of the temperature control system

温度控制器为核心部件，采用高速数字处理器DSP作为主控芯片，用于采集温度传感器反馈回的温度数据，控制直流继电器控制加热片的通电与停止，快速达到温度控制的目标。

直流继电器根据温度控制器的信号，对加热片进行通电或停止通电，从而对光学元件进行辐射加热。直流继电器包括电磁继电器、固态继电器等多种类型。根据该方法温控周期短、温控频繁的特点，选择直流固态继电器JGC-5112M，能够满足温控需求，并具有较高的可靠性。

温度传感器粘贴于光学元件以及加热片上，用于测量光学元件的温度。温度传感器具有多种类型，数字式、模拟式等多种，测温精度也有很多。根据温控DSP芯片的接口，选择数字式温度传感器DS18B20U芯片，其测温精度0.5℃，满足航空遥感器光学元件控温精度要求。

2 典型硬件电路

温度控制器采用TI公司的DSP芯片TMS320F2812，这是一种基于TMS320C28x内核的32位低功耗定点数字信号处理器，具有较高的运算的精度（32位）和系统的处理能力（达到150MIPS），还集成了256KB的Flash存储器，8KB位的引导ROM，数学运算表以及2KB的OTP ROM，从而大大提高了应用的灵活性。该器件上集成了多种外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台，如图2所示为TMS320F2812的核心电路。

图2 温度控制器核心电路Fig.2 Temperature controller core circuit

温度传感器采用Dallas公司的DS18B20U，其典型电路如图3所示。这是一款高精度的数字输出温度传感器，采用单总线接口，仅用2个普通I/O就可以连接多个温度传感器，其测量温度范围为-55℃～+150℃，供电电压+5V，精度：±0.5℃，该产品具有较高的性价比和优良的可靠性，获得了广泛应用。如图3所示为温度传感器的数据采集电路。

图3 温度传感器数据采集电路Fig.3 Temperature sensor data acquisition circuit

温度继电器采用国内陕西群力电工公司生产的JGC-5112M，这是一种密封直流固态继电器，负载电压50V，负载电流可以达到10A，具有体积小、输出电流大、负载能力强、输出压降低、可靠性高等优点。如图4所示是JGC-5112M控制电路。

图4 温度继电器控制电路Fig.4 Temperature relay control circuit

3 软件工作流程

软件流程图如图5所示，系统上电后，首先进行硬件初始化配置，其次是数据和参数初始化配置，然后进行主控指令判断，根据指令进行光学元件的温度控制或者自检，完成整个控制流程[1]。当收到温控指令时，进入到温控软件模块，采集温度传感器温度，根据控温目标值，控制对应的加热片进行通电或断电，完成闭环控制。当收到自检指令时，进入到自检软件模块，与温度传感器进行通讯，判断温度传感器的正确性，并将自检结果上报给主控[2]。

图5 软件工作流程Fig.5 Software workflow

4 总结

本文描述了一种航空遥感器光学元件的温控方法，讲述了控制方法、典型硬件电路及软件工作流程，经试验测试，该温度控制方法能达到1℃的温度精度，满足控温要求，具有一定的工程指导意义。

引用

[1] 杨智.工业自整定PID调节器关键技术综述[J].化工自动化及仪表,2000,27(2):5-10.

[2] 尹彦龙.大滞后温控系统自整定PID控制算法的研究与仿真[J].工业控制计算机,2016,29(10):38-40.