CN113405659B - 用于临近空间的紫外光谱仪控制系统、方法及紫外光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种紫外光谱仪，具体涉及用于临近空间的紫外光谱仪控制系统、方法及紫外光谱仪。能够综合临近空间环境温度、光谱仪温控状态、太阳位置信息以及最近的光谱探测结果进行光谱仪积分时间调整，确保临近空间紫外光谱仪能够在特殊环境下正常工作。克服现有紫外光谱仪，无法应用于临近空间的问题。控制系统除了具备采集谱线数据、处理谱线数据、发送遥测数据以及接收平台指令等常规功能外，还具备独特的控制功能，根据临近空间环境温度变化情况、太阳入射情况、紫外光谱探测结果进行综合控制，确保光学系统、探测器正常工作前提下获取更多有效数据，能够在特殊环境下正常工作，圆满完成探测任务。
Description
技术领域
本发明涉及一种紫外光谱仪，尤其涉及一种用于临近空间紫外光谱仪控制系统、方法及包括上述控制系统的紫外光谱仪。
背景技术
临近空间距地表20km-100km，过去人们对这个领域鲜有研究，近些年才逐渐认识到其重要的科研价值。
相比20km以下的航空载荷及100km以上的航天载荷，临近空间紫外光谱仪的工作环境有其独特性，例如气温、气压变化范围很大，设备工作环境跨度大，经历空气、近真空和真空，大气背景辐射等基础数据缺乏，以及气球平台自身的特点等等。这些因素对光谱仪的光机主体与控制系统均具有特别要求，从而使得现有紫外光谱仪，无法应用于临近空间。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于临近空间的紫外光谱仪控制系统、方法及紫外光谱仪，控制系统能够综合临近空间环境温度、光谱仪温控状态、太阳位置信息以及最近的光谱探测结果进行光谱仪积分时间调整，确保临近空间紫外光谱仪能够在特殊环境下正常工作。
相比其他工作环境的紫外光谱仪，临近空间紫外光谱仪的特殊需求体现在以下几个方面：
1、从地表到40km的上升过程中，外界环境温度最低可达-75度，当上升到太阳可见时，外界温度可高达60度，真空环境下不利于整机散热，光机主体中光学系统的光栅和镀膜对温度较为敏感，因此，控制系统需要实时监测温度并调整温控参数，在合适的温度范围内控制光谱仪进行工作，在范围之外要使其暂停工作，否则探测结果不准确，数据无效。
2、为了探测较弱的紫外辐射信号，光谱仪需采用像增强型CCD相机(ICCD相机)作为探测器，其中的像增强器对强光较为敏感，浮空气球飞行过程中是缓慢旋转的，当太阳进入光谱仪视场时会损伤像增强器，因此控制系统需要判断太阳是否进入光学系统视场，对像增强器的高压模块进行使能控制。
3、紫外光谱仪的谱线范围位于190nm和400nm之间，已知短波和长波的信号强度差别较大，但由于缺乏实际数据支持，无法确定具体的动态范围，因此，需要光谱仪自动调整积分时间。此外，为了防止自控工作失效及其他意外，需要具备人工控制功能，并且确保两者自由切换。
综上所述，临近空间的紫外光谱仪控制系统除了要具备采集谱线数据、处理谱线数据、发送遥测数据以及接收平台指令等常规功能外，还需要具备独特的控制功能：根据临近空间环境温度变化情况、太阳入射情况、紫外光谱探测结果进行综合控制，确保光学系统、探测器正常工作前提下获取更多有效数据。
本发明的技术方案是提供一种用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特殊之处在于：包括硬件组件与软件模块；
硬件组件包括主控板、信号采集控制板、电源管理电路、光谱仪温控器、太阳敏感器及通信扩展卡；
主控板用于为软件模块提供运行平台，是计算、存储及通信的基础设施；
信号采集控制板与电源管理电路、主控板、太阳敏感器及ICCD相机连接，用于将电源管理电路的电压模拟量转化为数字量、将运行在主控板上软件模块提供的开关指令转化为电源管理电路中电源的开关信号、采集太阳敏感器输出的电信号并发送至软件模块及控制ICCD相机的增益电压或遥测电压；
电源管理电路与主控板、光谱仪温控器、信号采集控制板、太阳敏感器和ICCD相机连接，用于给主控板、光谱仪温控器、信号采集控制板、太阳敏感器和ICCD相机供电；
光谱仪温控器与主控板连接，用于监测并控制紫外光谱仪光机主体温度；
太阳敏感器与信号采集控制板及ICCD相机连接；太阳敏感器的光轴指向和紫外光谱仪的光轴指向一致，且视场角略大于紫外光谱仪视场角，将进入其视场的光信号转换为电压值输出，太阳光入射到太阳敏感器视场后，与其光轴夹角越小，输出的电压值就越大；
通信扩展卡与主控板接口连接，作为主控板的通信扩展；
软件模块包括主控模块、平台指令侦听解析与状态发送模块、ICCD相机控制与数据处理模块及控制与遥测模块；
主控模块用于参数初始化、工作线程初始化及运行日志记录；
平台指令侦听解析与状态发送模块用于侦听解析载荷仓管理计算机指令，更新相关参量并获取光谱仪状态；
ICCD相机控制与数据处理模块用于判断紫外光谱仪光机主体温度、平台位置及太阳是否进入视场，根据判断结果进行数据采集存储、图像预处理、谱线提取和谱线数据封装发送、根据探测结果自动调整ICCD相机积分时间；
控制与遥测模块用于通过信号采集控制板提供API进行光谱仪温控器、像增强器和ICCD相机加断电控制；并周期性的遥测模拟电压，对像增强器的增益电压进行设置和遥测。
进一步地，平台指令侦听解析与状态发送模块存储计算机指令，该计算机指令被运行时，执行下述过程：
1a、开启，接收载荷仓管理计算机指令，若指令正确，则根据预先设计的接口协议中的指令格式判断指令类型，根据不同指令执行不同操作；
如果指令是平台位置时间数据和俯仰角度数据，则将数据存入平台信息全局参量中，更新全局平台位置时间参量和俯仰角度参量；
如果指令是光谱仪控制指令，需要根据具体的指令进行相应的操作：
当接收到探测模式切换指令、ICCD相机加断电指令、ICCD相机探测开始停止指令和ICCD相机增益及积分时间设置指令时，更新ICCD相机全局控制参量，并记录日志；
当接收到温控加断电和温度设置指令后，通过硬件接口发送给光谱仪温控器；
2a、正确接收到指令后，返回指令成功的应答信息，否则返回失败应答指令；在返回指令成功的应答信息或失败应答指令的同时，通过控制与遥测模块查询光谱仪最新的状态信息并存储到光谱仪状态全局遥测参量中；最后汇总整理成状态字和应答指令一起发送给平台；
3a、继续接收载荷仓管理计算机指令，执行步骤1a-2a的过程。
进一步地，ICCD相机控制与数据处理模块存储计算机指令，该计算机指令被运行时，执行下述过程：
1b、根据ICCD相机全局控制参量判断控制模式，若为自动探测模式，则执行步骤1b1-1b7，若为人工控制探测模式，则执行2b1-2b7；若无模式控制参量，则默认进入自动探测模式，执行步骤1b1-1b7；
步骤1b1、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量及光谱仪温控器，判断平台位置和紫外光谱仪光机主体温度，如果检测到平台位置未达到观测高度或光机主体各个温控点温度超出光谱仪正常工作温度范围，则通过控制与遥测模块执行ICCD相机断电操作，否则执行ICCD相机加电操作；
步骤1b2、判断太阳是否进入视场，若太阳敏感器输出的电压值大于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个低电平，低电平信号经过选通模块后转换成使能关闭信号，控制像增强器停止工作，并停止ICCD相机图像采集；若太阳敏感器输出的电压值低于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个高电平，高电平信号经过选通模块后转换成使能打开信号，控制像增强器继续工作，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；
步骤1b3、调用控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤1b4、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤1b5、进行图像预处理和谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤1b6、判断本次探测结果，若探测结果满足设定区间，则直接进入步骤1b7，否则调用相机AEC功能自动调整下次积分时间，更新ICCD相机全局控制参量中ICCD相机积分时间；
步骤1b7、返回步骤1b；
步骤2b1、首先判断ICCD相机是否加电，如果没有加电，则等待平台发送ICCD相机加电指令，接收到ICCD相机加电指令后通过控制与遥测模块执行ICCD相机加电操作；
步骤2b2、ICCD相机加电后，等待探测开始指令；
步骤2b3、开始探测后，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；
步骤2b4、调用控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤2b5、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤2b6、进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤2b7、返回步骤1b。
进一步地，太阳敏感器为四象限探测器，采集当前太阳光线与太阳敏感器四象限探测器垂直方向的夹角；并根据不同的夹角输出不同的电压。
进一步地，主控板采用工业级PC104主板，与主控板连接的接口包括RS422接口、RS422数据接口、RS232信号板通讯接口、网口、VGA及USB。
进一步地，信号采集控制板为多功能PCI-104模块，通过PCI-104插槽和主控板连接，通过AD端口连接到像增强器增益的监控端。
进一步地，通信扩展卡为RS422扩展总线卡。
进一步地，电源管理电路包括6个并联的DC-DC模块，分别对主控板、光谱仪温控器、信号采集控制板、太阳敏感器、像增强器和CCD供电。
本发明还提供一种用于临近空间的紫外光谱仪控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、平台对光谱仪加电；
步骤2、电源管理电路对主控板、信号采集控制板、太阳敏感器与光谱仪温控器加电；
步骤3、光谱仪温控器按照默认温控设置进行闭环控制，当温度范围超出光谱仪正常工作温度范围，则断电，暂停工作，否则正常工作；
步骤4、主控模块开启平台指令侦听解析与状态发送模块，平台指令侦听解析与状态发送模块默认进入自动探测模式；
步骤5、平台指令侦听解析与状态发送模块侦听解析载荷仓管理计算机指令，更新相关参量并获取光谱仪状态；
ICCD相机控制与数据处理模块判断紫外光谱仪光机主体温度、平台位置及太阳是否进入视场，根据判断结果进行数据采集存储、图像预处理、谱线提取和谱线数据封装发送、根据探测结果自动调整ICCD相机积分时间；
控制与遥测模块通过信号采集控制板提供API进行光谱仪温控器、像增强器和CCD加断电控制；并周期性的遥测模拟电压，对像增强器的增益电压进行设置和遥测。
进一步地，步骤3具体为：当实际温度在设定时间未达到设置的最优温度值且稳定在某一温度范围内时，若光谱仪能够在该温度范围内能够正常工作，则将最优温度值调整至该温度范围内，若该温度范围超出光谱仪正常工作温度范围，则断电，暂停工作。
进一步地，步骤5中平台指令侦听解析与状态发送模块具体执行下述过程：
1a、接收载荷仓管理计算机指令，若指令正确，则根据预先设计的接口协议中的指令格式判断指令类型，根据不同指令执行不同操作；
如果指令是平台位置时间数据和俯仰角度数据，则将数据存入平台信息全局参量中，更新全局平台位置时间参量和俯仰角度参量；
如果指令是光谱仪控制指令，需要根据具体的指令进行相应的操作：
当接收到探测模式切换指令、ICCD相机加断电指令、ICCD相机探测开始停止指令和ICCD相机增益及积分时间设置指令时，更新ICCD相机全局控制参量，并记录日志；
当接收到温控加断电和温度设置指令后，通过硬件接口发送给光谱仪温控器；
2a、正确接收到指令后，返回指令成功的应答信息，否则返回失败应答指令；在返回指令成功的应答信息或失败应答指令的同时，通过控制与遥测模块查询光谱仪最新的状态信息并存储到光谱仪状态全局遥测参量中；最后汇总整理成状态字和应答指令一起发送给平台；
3a、继续接收载荷仓管理计算机指令，执行1a-2a过程。
进一步地，步骤5中ICCD相机控制与数据处理模块执行下述过程：
1b、根据ICCD相机全局控制参量判断控制模式，若为自动探测模式，则执行步骤1b1-1b7，若为人工控制探测模式，则执行2b1-2b7；若无模式控制参量，则默认进入自动探测模式，执行步骤1b1-1b7；
步骤1b1、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量及光谱仪温控器，判断平台位置和紫外光谱仪光机主体温度，如果检测到平台位置未达到观测高度或光机主体各个温控点温度超出光谱仪正常工作温度范围，则通过控制与遥测模块执行ICCD相机断电操作，否则执行ICCD相机加电操作；
步骤1b2、判断太阳是否进入视场，若太阳敏感器输出的电压值大于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个低电平，低电平信号经过选通模块后转换成使能关闭信号，控制像增强器停止工作，并停止ICCD相机图像采集；若太阳敏感器输出的电压值低于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个高电平，高电平信号经过选通模块后转换成使能打开信号，控制像增强器继续工作，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；
步骤1b3、调用控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤1b4、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤1b5、进行图像预处理和谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤1b6、判断本次探测结果，若探测结果满足设定区间，则直接进入步骤1b7，否则调用相机AEC功能自动调整下次ICCD相机积分时间，更新ICCD相机全局控制参量中ICCD相机积分时间；
步骤1b7、返回步骤1b；
在自动探测流程中，如果要转为人工控制探测模式，则平台管理计算机必须首先发送人工控制探测模式(全局参量)切换指令，光谱仪控制软件接收到指令后，会等待当前自动探测流程执行完毕，然后进入人工控制流程。
步骤2b1、首先判断ICCD相机是否加电，如果没有加电，则等待平台发送ICCD相机加电指令，接收到ICCD相机加电指令后通过控制与遥测模块执行ICCD相机加电操作；
步骤2b2、ICCD相机加电后，等待探测开始指令；
步骤2b3、开始探测后，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；在探测过程中，如果接收到平台新的增益或者积分时间设置指令，则在当前探测流程结束后，下一次探测时按照新的参数进行探测。
步骤2b4、通过控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤2b5、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤2b6、进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤2b7、返回步骤1b。
本发明还提供一种可应用于临近空间的紫外光谱仪，其特殊之处在于：包括紫外光机主体、紫外增强型相机和上述用于临近空间的紫外光谱仪控制系统；目标紫外辐射经过紫外光机主体后紫外各个谱段的光信号投射在紫外增强型相机的阴极，经过紫外增强型相机的增益放大和曝光输出原始的谱段图像，紫外光谱仪控制系统用于执行上述方法。
本发明的有益效果是：
1、本发明控制系统能够综合临近空间环境温度、光谱仪温控状态、太阳位置信息以及最近的光谱探测结果进行光谱仪积分时间调整，确保临近空间紫外光谱仪能够在特殊环境下正常工作，尽可能多的采集有效数据，圆满完成探测任务。
2、本发明针对临近空间探测任务研制的紫外光谱仪将获取临近空间190nm-400nm范围的紫外光谱辐射背景数据，建立或充实该领域空间背景辐射相关的基础特性数据库，为未来相关科学研究及相关应用提供基础数据和技术支撑。
3、本发明通过改进控制系统并增设光谱仪温控器，可以实时监测光谱仪温度并调整温控参数，在合适的温度范围内控制光谱仪进行工作，在范围之外要使其暂停工作，消除了温度对探测结果的影响，使得探测结果更为有效。
4、本发明通过改进控制系统，自动判断太阳位置，如果在成像之前检测到太阳进入视场，需要停止探测，待避开太阳后再开始，进一步提高最终数据质量。
5、本发明通过改进控制系统，每次进入新的探测流程之前，都要首先判断各个谱段前一次的探测结果，如果响应太弱或者出现饱和，就要按照预定的算法对本次探测的积分时间进行修正，进一步提高最终数据质量。
附图说明
图1为临近空间紫外光谱仪系统示意图；
图2为临近空间紫外光谱仪控制系统软硬件组成外部信息流示意图；
图3为电源管理电路框图；
图4为临近空间紫外光谱仪控制系统工作流程图；
图5为临近空间紫外光谱仪软件模块组成图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
紫外光谱仪搭载于浮空气球平台，气球滞留的高度可有效避开大气的吸收，进行大气紫外(190nm-400nm)背景辐射的高精度测量，同时光谱仪自身具备一定的环境适应能力，保证放飞后的稳定工作状态及回收后的可维护性。
本发明临近空间紫外光谱仪的系统组成如图1所示，由紫外光机主体、紫外增强型相机(ICCD相机)和紫外光谱仪控制系统组成。紫外光机主体包含镜筒、反射镜、狭缝、光栅及相应的结构件，目标紫外辐射经过狭缝后由光栅分光，分光后紫外各个谱段的光信号投射在ICCD相机的阴极，经过ICCD相机的增益放大和曝光输出原始的谱段图像，紫外光谱仪控制系统不仅为各部件提供电源、温控、通信等基础硬件设施，也接收来自光谱仪内部和外部平台的各项状态信息，承担着指令侦听、执行、内部状态监控、原始谱段图像预处理、谱线提取和数据打包发送的功能，是整个光谱仪的控制中心。
紫外光谱仪控制系统包含硬件和主控软件，本发明综合考虑研制任务周期、临近空间飞行试验任务特点，对软硬件任务进行合理规划，充分发挥硬件平台高效和高可靠的优势、以及软件应对复杂处理任务的先天优势。
总体设计原则是：在实现控制系统任务需求的基础上，技术方案要有利于降低成本和研制周期，满足多次飞行和回收的可靠耐用，有利于后续批量化、规模化的采集大气背景数据采集。
临近空间紫外光谱仪控制系统软硬件组成外部信息流如图2所示。硬件组件基于宽温的工业级器件、三防接插件和标准工业协议进行设计，软件模块运行于主控板上，并采用高效可靠的C/C++代码实现。硬件组件主要提供软件运行环境、数据存储、光谱仪内部电源供给、温控、太阳传感器以及内外部的控制遥测通信接口等基础设施；软件模块提供自动和人工控制功能，收集来自硬件的遥测状态信息，根据相关参数自主工作或者根据地面人工指令工作，采集ICCD相机原始谱段数据进行图像处理后提取出紫外光谱，最后打包发送给平台。以下对硬件组件及软件模块分别描述。
由图2可见，紫外光谱仪控制系统的硬件组件主要包括主控板、电源管理电路、光谱仪温控器、太阳敏感器、通信扩展卡和信号采集控制板。通信扩展卡可以为RS422总线扩展卡。
主控板为软件模块提供运行平台，是计算、存储及通信的基础设施，本实施例采用宽温的PC104工业控制主板，该主板是针对有限空间下标准操作系统要求而设计，拥有强劲的处理能力，完备的接口，基于Windows操作系统可以方便后期基于CCD SDK控制软件的开发。此外，根据浮空试验时长和数据速率，主控板配置了一块2T的SSD硬盘。直接和主控板连接的接口有命令RS422接口、RS422数据接口、RS232信号板通讯接口、网口(CCD数据通讯)、VGA(调试监视器)、USB(鼠标、键盘、外设扩展口)。其中两路RS422总线和平台总控连接用于和平台进行命令、工作状态、数据的交换；主控板通过RS232接口和信号采集控制板进行通信。
光谱仪需要单独供电的模块有主控板、光谱仪温控器、太阳敏感器、像增强器、CCD和信号采集控制板。因此，电源管理电路与主控板、光谱仪温控器、太阳敏感器、像增强器、CCD和信号采集控制板连接。整个电源管理电路设计框图如图3所示：
电源管理电路使用了6个分立的DC-DC模块完成了对6路电源的电源转换，在每一路电源的输入端放置了保险丝，防止单个电源链路损坏影响整个电源管理电路。CCD、像增强器、光谱仪温控器均设置了数字开关使能接口和模拟量遥测接口，输入电源端也设置了模拟量遥测接口。其中遥测模拟量是通过电阻分压再经过运放隔离之后输出的，能够最大限度的降低信号板和电源板直接的关联，提高整体的可靠性。
信号采集控制板相当于主控板的扩展，主要作用是将电源管理电路的电压模拟量转化为数字量、将运行在主控板上软件模块提供的开关指令转化为电源管理电路中电源的开关信号、周期性地获取太阳敏感器输出信号及控制ICCD相机的增益电压或遥测电压；本实施例选用了商业级的多功能PCI-104模块，该模块集成了16路数字I/0，16路12bit模拟数字转换通道，2路12bit数字模拟转换通道触发。该模块通过PCI-104插槽和主控连接，该插槽提供了PCM-3810I数据通讯和电源，使用时需要在主控板操作系统中安装相对应的驱动，由主控软件调用相关的API函数即可完成该模块的控制。
由于像增强器除了自身供电电源外，还需要一路可调高压来调节增益，因此利用信号采集控制板的DA1和DA2输出两路0～5V和0～10V的连续可调电压，能够兼容不同类型像增强器调节增益的需求，ImageMonitor为像增强器增益的监控端，直接连接到信号采集控制板的AD端口，最终由主控软件进行调用访问。
针对电源板的温控、像增强器、探测器电压模块使能的需求，使用3路数字IO口进行控制；针对电源板一路输入电压监控、探测器供电电压监控、光谱仪温控器电压监控、像增强器供电电压监控使用4路AD进行数据获取。
太阳敏感器的作用是为了判断太阳是否进入紫外光谱仪视场，防止强光损伤ICCD相机的像增强器阴极，采用太阳敏感器作为传感器。太阳敏感器由电源管理板供电，其光轴指向和紫外光谱仪的光轴指向一致，视场角略大于光谱仪的视场角，将进入其视场的光转换为电压输出，并不断地输出电压值，太阳光入射到太阳敏感器视场后，与其光轴夹角越小，输出的电压值就越大。当电压超过控制软件预先设定的阈值电压时，就会给ICCD相机的高压选通模块发送使能关闭信号，使其暂停工作，保护像增强器阴极。当输出电压未超过阈值电压时，则发送使能打开信号给ICCD相机高压选通模块，使其继续工作。控制软件的ICCD相机控制与数据处理模块在自动模式下，每次采集数据前都要进行太阳敏感器电压判断，当超过阈值电压时，本模块就停止ICCD相机图像采集，因为此时的像增强器已经关闭，所获取的图像是无效图像。当检测到太阳敏感器电压低于阈值后，又继续开始图像采集处理工作。
以下介绍光谱仪主控软件工作原理及流程：
紫外光谱仪主控软件运行于PC104主控板的操作系统之上，光谱仪电源管理单元加电后，主控软件和光谱仪温控器直接加电开启，主控单元启动就绪后控制软件开始启动，软件启动后直接开启平台指令侦听解析和状态发送功能，ICCD相机控制与数据处理模块默认进入自动探测模式。
在自动探测模式下，首先要判断温控和平台位置，如果检测到各个温控点温度未达到工作范围或者未达到观测高度(>＝20km)，则执行ICCD相机断电操作，否则执行ICCD相机加电操作；
加电完毕后设置一个初始成像参数，判断太阳位置，若太阳没有进入视场，则进行原始图像采集存储，同时进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议封装成数据帧发送给平台存储管理器；
因为目标辐射亮度范围未知，每次进入新的探测流程之前，都要首先判断各个谱段前一次的探测结果，如果响应太弱或者出现饱和，就要调用CCD的AEC功能对本次探测的积分时间进行修正，如果在成像之前检测到太阳进入视场，还需要停止探测，待避开太阳后再开始，其目的就是尽可能的提高最终数据质量。
在自动探测流程中，如果要转为人工控制探测模式，则必须首先发送人工控制探测模式切换指令，光谱仪控制软件接收到指令后，会等待当前自动探测流程执行完毕，然后进入人工控制流程。
进入人工控制流程后，首先判断ICCD相机是否加电，如果没有加电，则等待平台发送ICCD相机加电指令，接收到ICCD相机加电指令后执行ICCD相机加电操作，当接收到平台发送的探测开始指令后，根据平台发送的增益和积分时间，或者根据上一次的增益和积分时间进行探测数据采集存储，同时进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议封装成数据帧发送给平台存储管理器。在探测过程中，如果接收到平台新的增益或者积分时间设置指令，则在当前探测流程结束后，下一次探测时按照新的参数进行探测。如果接收到ICCD相机探测停止指令或者接收到ICCD相机断电指令，则在当前探测结束后进入后续指令等待状态。人工模式下，将由人工判断温控、平台位置和探测数据状态，以此进行人工增益和积分时间设置。光谱仪控制软件对探测不做任何条件限制，完全取决于人工判断。
在人工控制探测模式下，如果想切换为自动探测模式，则平台首先应该发送自动探测模式指令，光谱仪控制软件接收到指令后，会等待当前人工探测流程执行完毕，然后切换至自动探测模式。从人工进入自动模式后，控制软件会根据温控状态、平台高度和上一次的探测结果进行参数调整。
由于光谱仪温控器闭环控制，独立于探测单元和控制软件之外的，因此无论何种工作模式下，平台都可以对光谱仪温控器进行加断电和温控点温度设定操作。具体可以是，当实际温度在设定时间未达到设置的最优温度值且稳定在某一温度范围内时，若光谱仪能够在该温度范围内能够正常工作，则将最优温度值调整至该温度范围内，若该温度范围超出光谱仪正常工作温度范围，则断电，暂停工作。控制软件仅是转发平台指令给温控，并遥测温控点信息。涉及温控的指令包括加电、断电、最多10个测温点的温度遥测和最多10个温控点的温度设置。
在整个控制软件运行过程中，无论是否探测，无论是自动还是人工控制工作模式，平台指令侦听解析和状态发送功能都处于开启状态，直到主控单元断电。在所有成像开始采集之前都需要进行太阳位置判断，防止太阳进入视场时，ICCD相机设置增益后导致像增强器损伤。
基于上述流程，可将软件模块划分为如图5所示的模块，包括主控模块、平台指令侦听解析与状态发送模块、ICCD相机控制与数据处理模块及控制与遥测模块；
主控模块主要是进行软件环境初始化、全局参量定义及初始化、各个工作线程的创建以及运行日志记录。
平台指令侦听解析与状态发送模块用于侦听解析载荷仓管理计算机指令，更新相关参量并获取光谱仪状态；具体可结合图4进行说明：
平台数据指令侦听及发送模块采用异步方式侦听RS422串口通信，当接收到载荷仓管理计算机指令，若指令正确，则根据预先设计的接口协议中的指令格式判断指令类型；如果是平台位置时间数据和俯仰角度数据，则将数据存入全局的平台信息变量中，更新全局平台位置时间参量和俯仰角度参量。如果是光谱仪控制指令，需要根据具体的指令进行相应的操作。当接收到探测模式指令、ICCD相机加断电指令、ICCD相机探测开始停止指令和ICCD相机增益及积分时间设置指令时，则更新ICCD相机全局控制参量，并记录日志。接收到温控加断电和温度设置指令后，通过硬件接口进行相应的操作。正确接收到指令后，返回指令成功的应答信息，否则返回失败应答指令。在返回应答指令的同时，要查询光谱仪最新的状态信息并存储到光谱仪状态全局遥测参量中，最后汇总整理成状态字和应答指令一起发送给平台。继续接收载荷仓管理计算机指令，重复上述操作，直至断电。
ICCD相机控制与数据处理模块用于判断温控、平台及太阳敏感器输出电压值，根据判断结果进行数据采集存储、图像预处理、谱线提取和谱线数据封装发送、根据数据质量自动调整ICCD相机积分时间。可进行ICCD相机自动控制和人工控制下的参数调整；紫外光谱仪的各个谱段的数据分别对应于原始图像的特定列，根据仪器的光谱定标参数，可获得各个谱段对应的列的索引，从而提取出各个谱段的数据。
本模块另一个重要的功能是提供自动探测控制功能，这是为了满足目标强度未知情况下提高有效数据率的需求，目标强度范围未知，不能采用固定探测参数，否则会出现探测不到或者饱和的情况，这样就会降低有效数据率。
具体可结合图4进行说明：
根据ICCD相机全局控制参量判断控制模式，若为自动探测模式，则执行步骤1b1-1b7，若为人工控制探测模式，则执行2b1-2b7；若无模式控制参量，则默认进入自动探测模式，执行步骤1b1-1b7；
步骤1b1、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量及光谱仪温控器，判断平台位置和紫外光谱仪光机主体温度，如果检测到平台位置未达到观测高度(>＝20km)或光机主体各个温控点温度未达到工作范围，则通过控制与遥测模块执行ICCD相机断电操作，否则执行ICCD相机加电操作；
步骤1b2、判断太阳是否进入视场，太阳敏感器的视场角略大于光谱仪的视场角，当太阳光入射到太阳敏感器视场后，与其光轴夹角越小，输出的电压值就越大，当超过预先设定的阈值电压时，就说明太阳光已进入光谱仪的视场，此时太阳敏感器就给ICCD相机的选通模块发送一个低电平，低电平信号经过选通模块后转换成使能关闭信号，控制像增强器停止工作，防止强光损伤，因为像增强器停止工作后，CCD输出的图像都是无效的暗背景，因此控制软件也会随之停止ICCD相机图像采集；当输出电压低于阈值电压时，就给ICCD相机的选通模块发送一个高电平，高电平信号经过选通模块后转换成使能打开信号，控制像增强器继续工作，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始图像采集；
步骤1b3、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤1b4、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤1b5、进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤1b6、判断本次探测结果，若探测结果满足设定区间，则直接进入步骤1b7，否则调用相机AEC功能自动调整下次积分时间，更新ICCD相机全局控制参量中ICCD相机积分时间；
步骤1b7、返回步骤1b；
步骤2b1、首先判断ICCD相机是否加电，如果没有加电，则等待平台发送ICCD相机加电指令，接收到ICCD相机加电指令后通过控制与遥测模块执行ICCD相机加电操作；
步骤2b2、ICCD相机加电后，等待探测开始指令；
步骤2b3、开始探测后，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始图像采集；
步骤2b4、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤2b5、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤2b6、进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤2b7、返回步骤1b。
本发明针对临近空间探测任务研制的紫外光谱仪将获取临近空间190nm-400nm范围的紫外光谱辐射背景数据，建立或充实该领域空间背景辐射相关的基础特性数据库，为未来相关科学研究及相关应用提供基础数据和技术支撑。
Claims (9)
1.一种用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特征在于：包括硬件组件与软件模块；
硬件组件包括主控板、信号采集控制板、电源管理电路、光谱仪温控器、太阳敏感器及通信扩展卡；
主控板用于为软件模块提供运行平台，是计算、存储及通信的基础设施；
信号采集控制板与电源管理电路、主控板、太阳敏感器及ICCD相机连接，用于将电源管理电路的电压模拟量转化为数字量、将运行在主控板上软件模块提供的开关指令转化为电源管理电路中电源的开关信号、采集太阳敏感器输出的电信号并发送至软件模块及控制ICCD相机的增益电压或遥测电压；
电源管理电路与主控板、光谱仪温控器、信号采集控制板、太阳敏感器和ICCD相机连接，用于给主控板、光谱仪温控器、信号采集控制板、太阳敏感器和ICCD相机供电；
光谱仪温控器与主控板连接，用于监测并控制紫外光谱仪光机主体温度，按照默认温控设置进行闭环控制，当温度范围超出光谱仪正常工作温度范围，则断电，暂停工作，否则正常工作；
太阳敏感器与信号采集控制板及ICCD相机连接；太阳敏感器的光轴指向和紫外光谱仪的光轴指向一致，且视场角略大于紫外光谱仪视场角，将进入其视场的光信号转换为电压值输出，太阳光入射到太阳敏感器视场后，与其光轴夹角越小，输出的电压值就越大；
通信扩展卡与主控板接口连接，作为主控板的通信扩展；
软件模块包括主控模块、平台指令侦听解析与状态发送模块、ICCD相机控制与数据处理模块及控制与遥测模块；
主控模块用于参数初始化、工作线程初始化及运行日志记录；
平台指令侦听解析与状态发送模块用于侦听解析载荷仓管理计算机指令，更新相关参量并获取光谱仪状态；
ICCD相机控制与数据处理模块用于判断紫外光谱仪光机主体温度、平台位置及太阳是否进入视场，根据判断结果进行数据采集存储、图像预处理、谱线提取和谱线数据封装发送、根据探测结果自动调整ICCD相机积分时间；
控制与遥测模块用于通过信号采集控制板提供API进行光谱仪温控器、像增强器和ICCD相机加断电控制；并周期性的遥测模拟电压，对像增强器的增益电压进行设置和遥测；平台指令侦听解析与状态发送模块存储计算机指令，该计算机指令被运行时，执行下述过程：
1a、开启，接收载荷仓管理计算机指令，若指令正确，则根据预先设计的接口协议中的指令格式判断指令类型，根据不同指令执行不同操作；
如果指令是平台位置时间数据和俯仰角度数据，则将数据存入平台信息全局参量中，更新全局平台位置时间参量和俯仰角度参量；
如果指令是光谱仪控制指令，需要根据具体的指令进行相应的操作：
当接收到探测模式切换指令、ICCD相机加断电指令、ICCD相机探测开始停止指令和ICCD相机增益及积分时间设置指令时，更新ICCD相机全局控制参量，并记录日志；
当接收到温控加断电和温度设置指令后，通过硬件接口发送给光谱仪温控器；
2a、正确接收到指令后，返回指令成功的应答信息，否则返回失败应答指令；在返回指令成功的应答信息或失败应答指令的同时，通过控制与遥测模块查询光谱仪最新的状态信息并存储到光谱仪状态全局遥测参量中；最后汇总整理成状态字和应答指令一起发送给平台；
3a、继续接收载荷仓管理计算机指令，执行步骤1a-2a的过程；ICCD相机控制与数据处理模块存储计算机指令，该计算机指令被运行时，执行下述过程：
1b、根据ICCD相机全局控制参量判断控制模式，若为自动探测模式，则执行步骤1b1-1b7，若为人工控制探测模式，则执行2b1-2b7；若无模式控制参量，则默认进入自动探测模式，执行步骤1b1-1b7；
步骤1b1、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量及光谱仪温控器，判断平台位置和紫外光谱仪光机主体温度，如果检测到平台位置未达到观测高度或光机主体各个温控点温度超出光谱仪正常工作温度范围，则通过控制与遥测模块执行ICCD相机断电操作，否则执行ICCD相机加电操作；
步骤1b2、判断太阳是否进入视场，若太阳敏感器输出的电压值大于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个低电平，低电平信号经过选通模块后转换成使能关闭信号，控制像增强器停止工作，并停止ICCD相机图像采集；若太阳敏感器输出的电压值低于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个高电平，高电平信号经过选通模块后转换成使能打开信号，控制像增强器继续工作，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；
步骤1b3、调用控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤1b4、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤1b5、进行图像预处理和谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤1b6、判断本次探测结果，若探测结果满足设定区间，则直接进入步骤1b7，否则调用相机AEC功能自动调整下次积分时间，更新ICCD相机全局控制参量中ICCD相机积分时间；
步骤1b7、返回步骤1b；
步骤2b1、首先判断ICCD相机是否加电，如果没有加电，则等待平台发送ICCD相机加电指令，接收到ICCD相机加电指令后通过控制与遥测模块执行ICCD相机加电操作；
步骤2b2、ICCD相机加电后，等待探测开始指令；
步骤2b3、开始探测后，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；
步骤2b4、调用控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤2b5、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤2b6、进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤2b7、返回步骤1b。
2.根据权利要求1所述的用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特征在于：太阳敏感器为四象限探测器，采集当前太阳光线与太阳敏感器四象限探测器垂直方向的夹角；并根据不同的夹角输出不同的电压。
3.根据权利要求2所述的用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特征在于：主控板采用工业级PC104主板，与主控板连接的接口包括RS422接口、RS422数据接口、RS232信号板通讯接口、网口、VGA及USB。
4.根据权利要求3所述的用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特征在于：信号采集控制板为多功能PCI-104模块，通过PCI-104插槽和主控板连接，通过AD端口连接到像增强器增益的监控端。
5.根据权利要求4所述的用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特征在于：通信扩展卡为RS422扩展总线卡。
6.根据权利要求5所述的用于临近空间的紫外光谱仪控制系统，其特征在于：电源管理电路包括6个并联的DC-DC模块，分别对主控板、光谱仪温控器、信号采集控制板、太阳敏感器、像增强器和CCD供电。
7.一种用于临近空间的紫外光谱仪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、平台对光谱仪加电；
步骤2、电源管理电路对主控板、信号采集控制板、太阳敏感器与光谱仪温控器加电；
步骤3、光谱仪温控器按照默认温控设置进行闭环控制，当温度范围超出光谱仪正常工作温度范围，则断电，暂停工作，否则正常工作；
步骤4、主控模块开启平台指令侦听解析与状态发送模块，平台指令侦听解析与状态发送模块默认进入自动探测模式；
步骤5、平台指令侦听解析与状态发送模块侦听解析载荷仓管理计算机指令，更新相关参量并获取光谱仪状态；
ICCD相机控制与数据处理模块判断紫外光谱仪光机主体温度、平台位置及太阳是否进入视场，根据判断结果进行数据采集存储、图像预处理、谱线提取和谱线数据封装发送、根据探测结果自动调整ICCD相机积分时间；
控制与遥测模块通过信号采集控制板提供API进行光谱仪温控器、像增强器和CCD加断电控制；并周期性的遥测模拟电压，对像增强器的增益电压进行设置和遥测；
步骤5中平台指令侦听解析与状态发送模块具体执行下述过程：
1a、接收载荷仓管理计算机指令，若指令正确，则根据预先设计的接口协议中的指令格式判断指令类型，根据不同指令执行不同操作；
如果指令是平台位置时间数据和俯仰角度数据，则将数据存入平台信息全局参量中，更新全局平台位置时间参量和俯仰角度参量；
如果指令是光谱仪控制指令，需要根据具体的指令进行相应的操作：
当接收到探测模式切换指令、ICCD相机加断电指令、ICCD相机探测开始停止指令和ICCD相机增益及积分时间设置指令时，更新ICCD相机全局控制参量，并记录日志；
当接收到温控加断电和温度设置指令后，通过硬件接口发送给光谱仪温控器；
2a、正确接收到指令后，返回指令成功的应答信息，否则返回失败应答指令；在返回指令成功的应答信息或失败应答指令的同时，通过控制与遥测模块查询光谱仪最新的状态信息并存储到光谱仪状态全局遥测参量中；最后汇总整理成状态字和应答指令一起发送给平台；
3a、继续接收载荷仓管理计算机指令，执行1a-2a过程；步骤5中ICCD相机控制与数据处理模块执行下述过程：
1b、根据ICCD相机全局控制参量判断控制模式，若为自动探测模式，则执行步骤1b1-1b7，若为人工控制探测模式，则执行2b1-2b7；若无模式控制参量，则默认进入自动探测模式，执行步骤1b1-1b7；
步骤1b1、通过控制与遥测模块查询平台信息全局参量及光谱仪温控器，判断平台位置和紫外光谱仪光机主体温度，如果检测到平台位置未达到观测高度或光机主体各个温控点温度超出光谱仪正常工作温度范围，则通过控制与遥测模块执行ICCD相机断电操作，否则执行ICCD相机加电操作；
步骤1b2、判断太阳是否进入视场，若太阳敏感器输出的电压值大于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个低电平，低电平信号经过选通模块后转换成使能关闭信号，控制像增强器停止工作，并停止ICCD相机图像采集；若太阳敏感器输出的电压值低于阈值电压，则控制太阳敏感器给ICCD相机的选通模块发送一个高电平，高电平信号经过选通模块后转换成使能打开信号，控制像增强器继续工作，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；
步骤1b3、调用控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤1b4、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤1b5、进行图像预处理和谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤1b6、判断本次探测结果，若探测结果满足设定区间，则直接进入步骤1b7，否则调用相机AEC功能自动调整下次ICCD相机积分时间，更新ICCD相机全局控制参量中ICCD相机积分时间；
步骤1b7、返回步骤1b；
在自动探测流程中，如果要转为人工控制探测模式，则平台管理计算机必须首先发送人工控制探测模式切换指令，光谱仪控制软件接收到指令后，会等待当前自动探测流程执行完毕，然后进入人工控制流程；
步骤2b1、首先判断ICCD相机是否加电，如果没有加电，则等待平台发送ICCD相机加电指令，接收到ICCD相机加电指令后通过控制与遥测模块执行ICCD相机加电操作；
步骤2b2、ICCD相机加电后，等待探测开始指令；
步骤2b3、开始探测后，通过控制与遥测模块查询ICCD相机全局控制参量，获得当前设置的ICCD相机增益及积分时间，按照当前设置的ICCD相机增益及积分时间开始ICCD相机图像采集；在探测过程中，如果接收到平台新的增益或者积分时间设置指令，则在当前探测流程结束后，下一次探测时按照新的参数进行探测；
步骤2b4、通过控制与遥测模块，查询最新平台信息全局参量，获得光谱仪状态机平台信息，封装成辅助数据；
步骤2b5、将采集的图像数据与辅助数据一起打包存储；
步骤2b6、进行图像预处理和原始谱线数据提取，最后按照接口协议将谱线数据与辅助数据封装成数据帧发送给平台数据记录器；
步骤2b7、返回步骤1b。
8.根据权利要求7所述的用于临近空间的紫外光谱仪控制方法，其特征在于，步骤3具体为：当实际温度在设定时间未达到设置的最优温度值且稳定在某一温度范围内时，若光谱仪能够在该温度范围内能够正常工作，则将最优温度值调整至该温度范围内，若该温度范围超出光谱仪正常工作温度范围，则断电，暂停工作。
9.一种用于临近空间的紫外光谱仪，其特征在于：包括紫外光机主体、紫外增强型相机和权利要求1至6任一所述用于临近空间的紫外光谱仪控制系统；目标紫外辐射经过紫外光机主体后紫外各个谱段的光信号投射在紫外增强型相机的阴极，经过紫外增强型相机的增益放大和曝光输出原始的谱段图像，紫外光谱仪控制系统用于执行权利要求7至8任一所述方法。
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