0 引言

    太陽輻射是地球最重要的外部能源，其能量變化具有波長依賴性^[1],。太陽輻照度光譜儀是風(fēng)云三號(hào)極軌氣象衛(wèi)星的主載荷之一,，通過觀測太陽直射輻射獲取紫外至紅外波段（165 nm~2 400 nm光譜范圍）高精度的太陽連續(xù)光譜輻照度信息，監(jiān)測太陽活動(dòng)變化對太陽光譜輻射的影響,，獲得逐日太陽光譜輻照度等產(chǎn)品,，用于太陽物理學(xué)、大氣物理學(xué)和氣候物理學(xué)研究和業(yè)務(wù)應(yīng)用,。同時(shí),，太陽光譜輻射的精確測量也有利于改善痕量氣體的反演精度及開展針對不同地物特征的氣候效應(yīng)評(píng)估^[2]。

    為了監(jiān)測星上光譜儀的波長變化情況,、確定各通道的光譜中心波長位置和通過特性,，需要進(jìn)行星上光譜定標(biāo)^[3]。汞燈從真空紫外波段到近紅外波段都具有較高強(qiáng)度的離散線譜,，廣泛應(yīng)用于光譜定標(biāo),、光刻、光化學(xué)合成等領(lǐng)域^[4-5],。其中,，小功率的低壓汞燈是地面及在軌儀器設(shè)備最常用的光譜定標(biāo)光源^[6]。

    光源電源的性能直接影響著光源發(fā)光的穩(wěn)定性,。汞燈的起輝電壓較高（1 000 V以上）,、工作電壓較低（約250 V），目前,，用于星上光譜定標(biāo)的汞燈電源設(shè)計(jì)主要是：分別利用變壓器將星上二次電源變換為起輝電壓和工作電壓,，通過微控制器控制加載起輝電壓實(shí)現(xiàn)汞燈起輝,，起輝后再利用繼電器將其切換為工作電壓^[7]。這種先后加載起輝和工作電壓的方法需要微控制器和繼電器的參與,，增加了系統(tǒng)配置項(xiàng)和復(fù)雜度,，繼電器的使用也降低了系統(tǒng)可靠性。此外,，衛(wèi)星工作環(huán)境相對惡劣,，環(huán)境溫度波動(dòng)很大，汞燈在不同溫度下所需的起輝電壓相差很大,，低溫下起輝電壓可達(dá)常溫的數(shù)倍,。并且，受汞燈制造一致性的影響,，不同汞燈的起輝電壓不盡相同,，目前的這種星上汞燈電源無法實(shí)現(xiàn)對不同汞燈的可靠起輝，尤其是在低溫條件下,。這對于要求高可靠的航天應(yīng)用是難以接受的,。

    為此，本文將從太陽輻照度光譜儀的光譜定標(biāo)需求出發(fā),，設(shè)計(jì)一種高性能,、高可靠、適用性強(qiáng)的星上光譜定標(biāo)汞燈電源,。無需外加微控制器即可實(shí)現(xiàn)高起輝電壓和低工作電壓的自動(dòng)切換,，并在保證電源指標(biāo)的同時(shí)，著重解決現(xiàn)有汞燈驅(qū)動(dòng)適用性較差,、低溫下無法起輝的問題,。

1 原理及方案設(shè)計(jì)

    汞燈是利用汞原子被激發(fā)產(chǎn)生能級(jí)躍遷并向外輻射汞的特征譜線，進(jìn)而達(dá)到發(fā)光目的的電光源,。根據(jù)輝光放電原理,，汞燈電源首先要提供高起輝電壓，擊穿汞蒸氣,，而后電源輸出電壓下降,。

    常用的汞燈電源有：漏磁變壓器、高頻交流穩(wěn)壓,、直流穩(wěn)壓,、直流穩(wěn)流四種方式。對于光強(qiáng)度穩(wěn)定性要求不高的場合,，一般用交流穩(wěn)壓和漏磁變壓器方式,；對于汞燈發(fā)光強(qiáng)度穩(wěn)定性要求較高的場合，需要高性能的恒流電源,，即直流穩(wěn)流電源,。

    為了保證光譜定標(biāo)汞燈能夠穩(wěn)定發(fā)光,，汞燈電源需要具備高起輝電壓、低工作電壓及恒流控制能力,。設(shè)計(jì)的汞燈電源總體方案框圖如圖1所示。系統(tǒng)包括：電壓調(diào)整單元,、振蕩發(fā)生單元,、高壓變換單元、倍壓整流單元,、電流取樣單元,、反饋比較單元、誤差放大單元等部分,。

    衛(wèi)星主控系統(tǒng)控制光譜定標(biāo)時(shí)開啟汞燈,，由電流取樣單元獲取汞燈工作電流并轉(zhuǎn)換為電壓，與設(shè)定的電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較,；得到的誤差電壓經(jīng)誤差放大單元放大后送入電壓調(diào)整單元,，由其調(diào)整振蕩發(fā)生單元產(chǎn)生的振蕩波形幅值；由振蕩波形驅(qū)動(dòng)MOSFET,，并通過變壓器實(shí)現(xiàn)高壓變換,，再經(jīng)倍壓整流、濾波后加載到汞燈兩端,。

    汞燈尚未起輝時(shí),，電流取樣單元處電壓為0，經(jīng)反饋比較和誤差放大后得到的誤差值較大,，通過電壓調(diào)整使振蕩波形較強(qiáng),，經(jīng)高壓變換和倍壓整流后得很高的直流電壓，擊穿汞蒸氣,，實(shí)現(xiàn)汞燈起輝,；汞燈起輝后，實(shí)時(shí)取樣汞燈工作電流并及時(shí)調(diào)整,，從而實(shí)現(xiàn)汞燈工作在恒流狀態(tài)下,，電流與設(shè)定值相等。

    光譜定標(biāo)汞燈選用上海光電器材有限公司生產(chǎn)的筆形汞燈,，如圖2所示,。該型號(hào)汞燈已在風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星中的多個(gè)載荷中使用，具有航天飛行經(jīng)驗(yàn),。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    根據(jù)汞燈電源的工作原理及各單元功能,，可將其分為電壓變換模塊和恒流控制模塊兩部分。電壓變換模塊包括振蕩發(fā)生單元,、高壓變換單元及倍壓整流單元,；恒流控制模塊包括電流取樣單元,、反饋比較單元、誤差放大單元及電壓調(diào)整單元,。

2.1 電壓變換模塊

2.1.1 振蕩發(fā)生單元

    振蕩發(fā)生單元用于產(chǎn)生幅值可調(diào)的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào),，驅(qū)動(dòng)高壓變換單元的MOSFET，實(shí)現(xiàn)電壓逆變,，其核心是由LM555構(gòu)成的多諧振蕩器,。振蕩發(fā)生單元的電路原理圖及輸出波形如圖3所示，電路中電容選用溫度系數(shù)小的一類瓷介電容,，電阻為金屬膜電阻,。通過調(diào)節(jié)輸入電壓V_trim可以實(shí)現(xiàn)對輸出方波幅值的控制。

2.1.2 高壓變換及倍壓整流單元

    高壓變換及倍壓整流單元是汞燈電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,，直接決定了電源能否對不同溫度下,、不同規(guī)格的汞燈實(shí)現(xiàn)可靠起輝，其電路原理圖如圖4所示,。

    高壓變換單元采用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，通過設(shè)置振蕩波形的頻率及占空比等參數(shù)，使其工作在斷續(xù)模式下,。反激變換器具有電流源性質(zhì),，初級(jí)與次級(jí)安匝比守恒，次級(jí)繞組電壓只與負(fù)載有關(guān)^[8-9],。當(dāng)接汞燈負(fù)載時(shí),，起輝前汞燈相當(dāng)于斷路，次級(jí)電壓迅速上升,，直至將汞蒸氣擊穿,，產(chǎn)生輝光放電；點(diǎn)亮后,，汞燈電阻減小,，次級(jí)輸出電壓由電流閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)?？梢?，此高壓變換方式可以實(shí)現(xiàn)不同起輝電壓下汞燈的可靠點(diǎn)亮。

    倍壓整流單元由高壓二極管和高壓儲(chǔ)能電容組成,，利用二極管的整流和導(dǎo)引作用及電容充放電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電壓整流,，輸出數(shù)倍于變壓器次級(jí)交流電壓幅值的直流電壓^[10]。航天應(yīng)用中衛(wèi)星的重量和體積嚴(yán)格受限,，倍壓整流的設(shè)計(jì)減少了變壓器匝數(shù)比,、降低了所需整流元件的耐壓值，有效減輕了汞燈電源的重量和體積。根據(jù)汞燈電源的實(shí)際需求和實(shí)驗(yàn)分析,，設(shè)計(jì)選用了四級(jí)倍壓整流電路,。

2.2 恒流控制模塊

    電壓變換模塊實(shí)現(xiàn)了汞燈的高壓起輝和低壓工作，恒流控制模塊則保證了汞燈點(diǎn)亮后不受外界干擾及自身電阻等參數(shù)變化的影響,，在預(yù)先設(shè)定的電流下穩(wěn)定發(fā)光,，以滿足星上光譜定標(biāo)的需求。恒流控制電路的原理圖如圖5所示,。

    取樣電阻R16將汞燈電流取樣,，并轉(zhuǎn)換為電壓值V_X；與基準(zhǔn)電壓V_R進(jìn)行差分運(yùn)算和誤差放大后得到誤差電壓V_D,，誤差電壓V_D的大小表征汞燈工作電流與預(yù)期電流的差值；將V_D送入調(diào)整晶體管VT1的基極,，通過控制V_D可以控制VT1發(fā)射極電流,，VT1相當(dāng)于一個(gè)可調(diào)電阻的作用，從而控制電壓調(diào)整器LM117的輸出電壓,，即振蕩發(fā)生單元的輸入電壓V_trim,。

    汞燈的恒流控制電路采用了閉環(huán)負(fù)反饋的設(shè)計(jì)思想，當(dāng)汞燈工作電流因某種原因變小時(shí),，誤差電壓V_D增大,，晶體管發(fā)射極電流減小，配置電阻R10上電壓增大,，從而使電壓調(diào)整器輸出電壓V_trim增大,，振蕩波形幅值增大，MOSFET的漏極電流增大,，汞燈工作電流增大,。通過這種檢測、反饋,、調(diào)整,，最終保證了汞燈工作在恒流模式下。

3 性能測試與分析

    為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的光譜定標(biāo)用汞燈電源的性能,，分別對其電流精度,、電流調(diào)整率、穩(wěn)流系數(shù),、高低溫性能進(jìn)行測試與分析,。實(shí)驗(yàn)采用固緯GPD-3303S線性直流電源為汞燈電源提供12 V電源電壓，通過計(jì)算機(jī)操作上位機(jī)程序控制KEITHLEY 2000E六位半數(shù)字萬用表進(jìn)行測量,，并通過RS-232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳輸,。

    汞燈的自身屬性決定其起輝后需要一段預(yù)熱時(shí)間才能穩(wěn)定發(fā)光，為了保證性能測試的準(zhǔn)確性，首先測試了汞燈的起輝,、穩(wěn)流過程,，如圖6所示。汞燈在預(yù)熱30 min后工作電流基本穩(wěn)定,，因此后續(xù)性能測試均在開機(jī)預(yù)熱30 min后進(jìn)行,。

3.1 電流精度

    開機(jī)預(yù)熱30 min后，測試汞燈工作電流,，每次測量20組數(shù)據(jù),，記錄平均值I_AVE及最大最小差值ΔI，重復(fù)實(shí)驗(yàn)10次,。計(jì)算汞燈電源的電流精度=ΔI/I_AVE=0.000 21,。

3.2 電流調(diào)整率及穩(wěn)流系數(shù)

3.3 高低溫性能

    在航天應(yīng)用中星上汞燈電源的工作溫度變化較大，需要進(jìn)行高低溫性能測試,。為了方便對高壓的測量,，將100 MΩ與1 MΩ電阻串聯(lián)，共同并聯(lián)在汞燈兩端,，利用數(shù)字萬用表測量1 MΩ電阻端的電壓,。KEITHLEY 2000E在100 V量程下的內(nèi)阻為10 MΩ，計(jì)算得電阻分壓倍數(shù)為111倍,。利用高低溫試驗(yàn)箱控制環(huán)境溫度為-30 ℃～20 ℃,，測試各溫度下的汞燈起輝電壓，如圖7所示,?？梢姡療羝疠x電壓隨著溫度下降而升高,，設(shè)計(jì)的汞燈電源可以在-30 ℃時(shí)輸出3 263 V高壓使汞燈起輝,，完全滿足載荷要求。

4 結(jié)論

    為了滿足太陽輻照度光譜儀的星上光譜定標(biāo)要求,，設(shè)計(jì)了精度高,、適用性強(qiáng)的高可靠汞燈電源。其設(shè)計(jì)核心是：從汞燈高起輝電壓,、低工作電壓的原理出發(fā),，利用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及多級(jí)倍壓整流電路的特點(diǎn)，在無需微控制器參與的條件下,，實(shí)現(xiàn)了汞燈的高低電壓自動(dòng)切換,。而汞燈電源的長期穩(wěn)定性和電流精度主要取決于取樣電阻、電壓基準(zhǔn)的精度,、溫度系數(shù)以及運(yùn)算放大器的溫漂,、失調(diào)和PSRR。在電源設(shè)計(jì)中，取樣電阻選用溫度系數(shù)為±25 ppm/℃的高精度金屬膜電阻,；電壓基準(zhǔn)選用溫度系數(shù)為5 ppm/℃,、長期穩(wěn)定性為2 ppm/100 h的精密電壓基準(zhǔn)二極管；運(yùn)算放大器選用失調(diào)電壓為30 μV,、失調(diào)偏移為0.3 μV/℃,、PSRR大于100 dB的OP07。實(shí)際測試結(jié)果表明,，設(shè)計(jì)的汞燈電源電流精度為0.000 21,，電流調(diào)整率為0.001 8，穩(wěn)流系數(shù)為0.009,，在低溫下可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)汞燈工作,，完全滿足空間載荷的任務(wù)需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張艷娜,，鄭小兵,，李新，等.基于可調(diào)諧激光器的太陽光譜輻照度儀定標(biāo)方法[J].紅外與激光工程,，2014，43(8)：2678-2683.

[2] 張浩,，方偉,，葉新，等.寬光譜棱鏡型太陽光譜儀設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),，2013,，33(2)：1-9.

[3] 曹海霞，吳娜,，馮樹龍,，等.單色儀與成像光譜儀的交互光譜定標(biāo)[J].光學(xué)精密工程，2014,，22(10)：2585-2591.

[4] 安仁軍,，韓秋漪，張善端.汞蒸氣放電紫外光源的現(xiàn)狀和前景綜述[J].中國照明電器,，2015(11)：9-14.

[5] MIZUNAMI T,，F(xiàn)UJIYOSHI T.Fabrication of long-period fiber-gratings by low-pressure mercury lamp-effect of grating length[C].Tokyo：18th IEEE Microoptics Conference(MOC)，2013.

[6] 王加朋,，王淑榮,，徐領(lǐng)娣，等.紫外輻射計(jì)的波長定標(biāo)及不確定度分析[J].光電工程,，2008,，35(6)：42-47.

[7] 陳濟(jì)，王英鑒，張仲謀,，等.星上低壓汞燈恒流電源[C].第十七屆全國測控計(jì)量儀器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,，2007.

[8] 孫健，陳躍寧,，徐征,，等.基于單端反激式LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)[J].電源設(shè)計(jì)，2016,，40(2)：413-415.

[9] 楊榮峰,，劉英，于泳,，等.高輸入電壓單端反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)關(guān)鍵問題[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2011，37(5)：75-81.

[10] 冷利軍,，蒲世豪,，但敏，等.中頻倍壓整流在小型直流高壓電源中的應(yīng)用[J].真空,，2016,，53(1)：62-65.

作者信息：

張  恒，馬慶軍,，汪龍祺,，王淑榮

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033）