CN109813973B - 一种用于空间电场探测仪的偏置电流校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于空间电场探测仪的偏置电流校准方法，解决了在轨评估不同偏置电流值下的等离子体等效耦合阻抗问题。按照前(500‑N＊2)个ULF周期输出Vn，后N＊２个ULF周期输出以(Vn‑0.625V)及(V+0.625V)为高低电平的一个方波运行第一个校准电压，计算得到对应的耦合阻抗值RS1，其中RS1表示施加第一个校准电压时计算获得的耦合阻抗值，Vn表示基准电压，N表示分频因子；依次计算RS2～RS14，选取所述RS1～RS14中最小值所对应施加的基准电压Vset，作为采样分周期的偏置电流施加时DAC输出的控制电压；以所述Vset为基准电压运行耦合电容校准波形，计算耦合阻抗值RSCS及耦合容抗值CSmin；用于定性判断传感器与等离子体耦合过程的效果。
Description
技术领域
本发明属于空间环境探测技术领域，涉及一种适用于空间电场探测仪进行偏置电流扫描、根据耦合特性计算最佳参数、并实现校准的方法。
背景技术
空间电场探测仪是卫星有效科学载荷产品，该设备的传感器是感应空间等离子体电势的球形探针。为了减小电流波动以及等离子体梯度对球形探针传感器相对电势的影响，提高电场测量精度和灵敏度，有必要采用主动式探针的探测方案，使其电势与周围等离子体基本相同，探针内部设置了偏置电流电路，通过给探针施加偏置电流，从而降低探针在等离子体环境中的动态阻抗，使探针的电位最大程度接近于周围等离子体环境的电位。这种方式精度高，适用范围宽，可应用于低密度等离子体环境。
在空间等离子体中，设Ie为周围等离子体环境流向球形探针的电子流；Ii为周围等离子体环境流向球形探针的离子流；Iph为球形探针表面光电子流；Ib为球形探针向等离子体施加的偏置电流。则当流向探针的电流达到平衡时，探针表面才能获得平衡电势，即有：
Ie+Ii+Iph＝Ib (1)
偏置电流的施加应根据等离子体环境的不同而变化，当前同类产品通常是通过理论分析选取若干个偏置电流值，由程控指令实现偏置电流的变换，此方法缺点在于不能根据探针实际所处的等离子体环境进行偏置电流的自适应。本发明通过一种偏置电流的扫描方式，计算出最低耦合阻抗对应的偏置电流值，解决了实时评估等离子体环境，并自动选择最佳的偏置电流的实现方法。
发明内容
本发明提供了一种用于空间电场探测仪的偏置电流校准方法，解决了在轨评估不同偏置电流值下的等离子体等效耦合阻抗问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种用于空间电场探测仪的偏置电流校准方法，包括：
按照前(500-N*2)个ULF周期输出Vn，后N*2个ULF周期输出以(Vn-0.625V)及(V+0.625V)为高低电平的一个方波运行第一个校准电压，计算得到对应的耦合阻抗值RS1，其中RS1表示施加第一个校准电压时计算获得的耦合阻抗值，Vn表示基准电压，N表示分频因子；
依次计算RS2～RS14，选取所述RS1～RS14中最小值所对应施加的基准电压Vset，作为采样分周期的偏置电流施加时DAC输出的控制电压；
以所述Vset为基准电压运行耦合电容校准波形，计算耦合阻抗值RSCS及耦合容抗值CSmin；用于定性判断传感器与等离子体耦合过程的效果。
进一步地，所述N取值范围为10～200。
本发明有益效果是：
本发明提供了一种适用于空间电场探测仪的偏置电流的在轨自动校准方法，可根据等离子体环境的变化而选择耦合阻抗最小的偏置电流。
附图说明
图1是本发明的以基准电压为均值的校准电压波形的示意图；
图2是本发明的校准周期内的14个基准电压台阶示意图；
图3是本发明的耦合电容校准波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
(1)电场探测仪工作周期中的校准分周期开始运行；
(2)如图2所示，在-4.375V至3.750V之间，步进长度为0.625V，共计14个电压值作为基准电压Vn，每个Vn施加在偏置电流的控制电压端，持续时间为500个ULF频段采样周期(每个ULF周期为0.2ms，合计0.1s)，按照图1所示的要求在前(500-N*2)个ULF周期输出Vn，后N*2个ULF周期输出以(Vn-0.625V)及(V+0.625V)为高低电平的一个方波，其中N为分频因子，取值范围为10～200，本例分频因子取12。按照以上关系运行第一个校准电压，计算得到对应的耦合阻抗值RS1；RS1表示施加第一个校准电压时计算获得的耦合阻抗值。
(3)依次类推，按照步骤(2)中所述的方式，依次计算获取RS2～RS14；
(4)选取RS1～RS14中最小值所对应施加的基准电压Vset；
(5)以Vset为基准电压，按照图3所示的要求运行耦合电容校准波形，具体施加方法为以(Vset-0.625V)及(Vset+0.625V)为高低电平施加10个方波，每个方波为2个ULF周期，并读取其中第6至第14个ULF周期的ULF数据，使用公式
计算出耦合阻抗值RSCS及耦合容抗值CSmin，可用于定性的判断传感器与等离子体耦合过程的效果；
(6)步骤(4)中获得的Vset电压值，即作为采样分周期的偏置电流施加时，需要DAC输出的控制电压，该电压用于施加在偏置电流电阻上，可以获得以传感器表面耦合电位为参考的恒定数值的偏置电流。该偏置电流的施加，使得传感器在等离子体环境进行耦合时，能够以最低的耦合阻抗与等离子体电位进行耦合，获取更精确的测量结果；
(7)下一工作周期的校准分周期开始运行时，依照步骤(1)至(6)执行。
下面举例说明本发明的方法。
(1)空间电场探测仪的工作周期为247.808s，划分为121个分周期，包括1个偏置电流在轨校准周期和120个采样周期，每个分周期为2.048s；
(2)偏置电流校准周期作为工作周期的起始周期，偏置电流的校准结果在该周期内计算获得，此后120个采样周期均以该计算结果作为偏置电流的实际施加值；待120个采样周期完成后，进入下一工作周期，同样的先运行校准分周期，重新计算偏置电流值并应用于本周期内的采样分周期；
(3)ULF周期运行在步骤(1)中所述的分周期内，每个分周期共含有10240个ULF周期；
(4)在每个校准周期，自第2048个ULF周期开始，依次施加14个校准电压波形；
(5)每个校准电压波形如图1所示，共持续500个ULF周期(每个ULF周期为0.2ms，合计0.1s)；前(500-N*2)个ULF周期值为Vn(基准电平)，后N*2个ULF周期内施加1次方波，方波幅度为0.625V，频率为(2500/N)Hz，其基准电平为Vn；
(6)每周期在每个校准电压方波的高低电平末尾各进行3次连续的ULF数据采集，按如下公式计算Vn对应的耦合阻抗值：
式(2)中，RSn——耦合阻抗值，RP——偏置电流电阻，为10MΩ(传感器内部偏置电流电路决定)，VRS——ULF电压差，按式(3)计算：
公式(3)中U高为高电平读取到的ULF数据平均值，U低为低电平读取到的ULF数据平均值，838860.8为根据硬件设计得到的电压转换系数。
(7)14个校准电压波形的基准电压(Vn)的幅度为从-4.375V至3.750V，依次等间隔递增，台阶高度为0.625V，如图2所示；
(8)完成14次校准并获得所有耦合阻抗值后，对所有耦合阻抗值排序，取最小的耦合阻抗值和其对应的基准电平Vn(记为Vset)为阻抗计算结果和偏置电流自动校准结果；
(9)以Vset为基准电压，施加1次耦合电容校准波形，如图3所示，共持续20个ULF周期，包含10个方波，幅度为0.625V，频率为fcs＝2500Hz(每个方波为2个ULF周期)，读取第6至14个ULF周期的ULF数据，并按公式(4)计算得到新的耦合阻抗值RSCS；
公式(4)中，RS——耦合阻抗值，RP——偏置电流电阻，为10MΩ(传感器内部偏置电流电路决定)，VRS——ULF电压差，按公式(5)计算：
(10)按公式(6)计算得到耦合电容值CSmin；
公式(6)中CSmin为计算得到的耦合电容值，RP为偏置电流电阻，RSmin为自动校准获得的阻抗计算结果，RScs为施加耦合电容校准波形获得的耦合阻抗值，fcs为参考校准频率。
Claims (4)
1.一种用于空间电场探测仪的偏置电流校准方法，其特征在于，包括：
按照前(500-N*2)个ULF周期输出Vn，后N*2个ULF周期输出以(Vn-0.625V)及(Vn+0.625V)为高低电平的一个方波运行第一个校准电压，计算得到对应的耦合阻抗值RS1，其中RS1表示施加第一个校准电压时计算获得的耦合阻抗值，Vn表示基准电压，在-4.375V至3.750V之间，步进长度为0.625V，共计14个电压值作为基准电压Vn，N表示分频因子；
依次计算RS2～RS14，选取所述RS1～RS14中最小值所对应施加的基准电压Vset，作为采样分周期的偏置电流施加时DAC输出的控制电压；
以所述Vset为基准电压运行耦合电容校准波形，计算耦合阻抗值RSCS及耦合容抗值CSmin；用于定性的判断传感器与等离子体耦合过程的效果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N取值范围为10～200。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，
其中，RSn为耦合阻抗值，RP为偏置电流电阻，VRS为ULF电压差。
4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述耦合电容值CSmin采用以下方式计算：
其中RP为偏置电流电阻，RSmin为自动校准获得的阻抗计算结果，RScs为施加耦合电容校准波形获得的耦合阻抗值，fcs为参考校准频率。
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