星载大气痕量气体差分吸收光谱仪光路切换转动部件研究

论文摘要

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪通过测量地表或地球大气反射、散射的紫外光/可见光辐射,利用痕量气体的指纹吸收,可获得大气关键成分和污染物浓度的时空分布和变化的数据。由于空间环境会对载荷的表面和内部器件等产生一定影响,需要对其进行星上定标,主要包括利用太阳光进行光谱定标、辐射定标以及利用载荷内置卤钨灯进行坏像元检测。差分吸收光谱仪载荷通过光路切换转动部件实现对地球测量主光路与定标光路间的切换,完成星载差分吸收光谱仪的在轨定标。在轨运行的高分五号01星搭载差分吸收光谱仪载荷通过步进电机完成光路切换,但存在步进电机失效时,光路定标转动部件遮挡主光路,无法保证主光路正常测量的可能。因此,本文在后续型号02星载荷的研制过程中,在光路切换装置转动部件中增加了涡卷弹簧,在电机失效时,可利用涡卷弹簧将转动部件拉出主光路,保证了对地观测主光路的正常工作。本论文针对在轨01星存在的问题,在原有转动部件结构上增加了涡卷弹簧结构,研发了基于高可靠性的BM3803FMGRH和LMD18200驱动芯片的步进电机控制电路,完成了系统软硬件设计,实现了光路切换系统的精确控制。主要完成的工作如下:首先,在01星转动部件基础上增加了涡卷弹簧,该装置可以在转动电机失效的情况下将转动部件拉出主光路,保证了对地观测主光路的正常工作。其次,采用具有抗辐照指标的BM3803FMGRH芯片作为主控芯片,并设计了基于该芯片及LMD18200驱动芯片的驱动控制电路,该电路主要包括BM3803FMGRH最小系统电路、带EDAC功能的存储器电路、看门狗复位电路、供电电路、串口通信和硬件调试电路。研发了基于SPE-C集成开发环境的下位机驱动软件,该软件可实现转动电机驱动信号的产生、与上位机的通讯等功能;研发了基于Qt平台的上位机控制软件,该软件具有设置电机参数、接受下位机数据、测试实验控制等功能。最后,利用研发的软、硬件系统对光路切换转动部件进行了详细测试,主要包括:力矩测试、转动精度测试、可靠性测试以及驱动芯片真空温度测试。试验结果表明,当步进电机为50%占空比时,力矩裕度满足转动部件裕度要求;通过对比分析紫外通道中心视场70个周期内的DN观测光谱数据,表明转动精度高;通过分析转动部件寿命循环实验和驱动芯片真空热实验结果,验证了系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 论文研究背景及意义
•   1.2 星载差分吸收光谱仪概述
•   1.3 步进电机及其发展
•     1.3.1 步进电机研究现状
•     1.3.2 不同步进电机的工作原理
•     1.3.3 步进电机的控制方式
•   1.4 BM3803FMGRH芯片概述
•   1.5 论文主要工作
•   1.6 论文结构安排
• 第2章 光路切换转动部件设计
•   2.1 光路切换部件转动要求
•   2.2 带涡卷弹簧的光路切换组件整体设计
•   2.3 涡卷弹簧设计
•   2.4 装配工艺设计
•   2.5 光路切换部件力矩裕度计算
•   2.6 本章小结
• 第3章 系统硬件电路设计
•   3.0 电路设计功能要求
•   3.1 电路设计总方案
•   3.2 系统硬件概述
•     3.2.1 BM3803FMGRH主控芯片
•     3.2.2 步进电机选型
•   3.3 硬件电路详细设计
•     3.3.1 BM3803最小系统电路
•     3.3.2 看门狗复位电路
•     3.3.3 存储器电路
•     3.3.4 系统供电电路
•     3.3.5 UART和DSU通信电路
•   3.4 驱动电路设计
•   3.5 硬件电路抗干扰措施
•   3.6 本章小结
• 第4章 系统软件设计
•   4.1 系统软件总体设计
•   4.2 下位机设计与实现
•     4.2.1 下位机设计
•     4.2.2 下位机实现
•   4.3 上位机设计与实现
•   4.4 本章小结
• 第5章 光路切换转动部件测试试验
•   5.1 步进电机力矩测试实验
•   5.2 转动精度测试
•     5.2.1 光路切换转动部件光谱测试
•     5.2.2 光路切换转动部件位置重复性实验
•   5.3 可靠性测试
•     5.3.1 最小工作电流
•     5.3.2 涡卷弹簧回弹功能有效性
•     5.3.3 寿命循环实验
•   5.4 驱动芯片真空热试验
•   5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 许权

导师: 刘文清

关键词: 光路切换转动部件,步进电机,涡卷弹簧

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 气象学,仪器仪表工业

单位: 中国科学技术大学

分类号: TH765

总页数: 77

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