用于测量圆顶视宁度的微温脉动仪的研制

2010-01-25王红帅刘威卫

天文研究与技术 2010年1期

王红帅，李志，刘威卫

(1.中国科学院国家天文台云南天文台，云南昆明 650011；2.中国科学院研究生院，北京 100049)

大气视宁度影响天文观测的分辨率。为了获得更好的成像质量，通常需要通过天文选址，将天文观测设备放在大气视宁度较好的地区。但如果天文建筑设计不当，造成的局部视宁度可能会比整层大气所造成的像质衰减还要严重，也就无法体现出好的天文台址和望远镜的效力。云南天文台丽江2.4m望远镜的圆顶在设计时采取了许多措施来减少圆顶视宁度的影响，包括圆顶内强制通风、加开侧窗、圆顶和观测室加隔离层等。为了综合考察这些措施的效果，需要能够测量圆顶内不同位置大气湍流的强度，得到温度结构常数以及折射率结构常数的强度和分布情况。

大气湍流的强度可以通过目视观测衍射环、恒星闪烁、较差像运动测量仪(DIMM)、声雷达等方法来测量[1]，但以上方法反映的是整层或高层大气的湍流情况。对于近地面湍流，主要通过直接测量大气的微温脉动得到湍流强度。微温脉动测量的常用手段是金属丝微温脉动仪和超声风温仪。前者常用铂丝作为传感器，具有响应速度快、线性度好、分辨率高、体积小、易损坏等特点。超声风温仪频率响应快，工作稳定，不易损坏，但容易受水平风速和湿度影响，且价格较高[2]。考虑到测量装置最终要放置在圆顶的天窗附近以及成本控制，决定采用金属丝的微温脉动仪。目前国内有安徽光学精密机械研究所[3]和北京大学制作过类似的仪器。

1 仪器原理

根据Kolmogrov湍流各向同性假设，当大气中两点之间的距离位于大气湍流的惯性区时，其温度结构常数满足下列关系式：

CT2(r)=<[T(x)-T(x+r)]2>r-2/3.

(1)

其中T(x)、T(x+r)分别为空间两点的温度；r为二者之间的距离。

在光学波段，折射率结构常数和温度结构常数的关系可表示为：

Cn2(r)=[79.2×10-6×P/T2]2CT2(r)

(2)

其中P、T分别是空间测量点的气压(mb)和绝对温度(K)。

根据上面的公式，通过测量空间两点的温度差值(微温脉动)、平均气压和平均温度，可以得出折射率结构常数。在圆顶里面，望远镜前方光路的不同距离处，放置几组传感器，同时进行微温脉动的测量，然后对折射率结构常数在光路上积分，最终可以得到圆顶内的大气相干长度r0和FWHM。

(3)

FWHM=0.976λ/r0

(4)

h1,h2为传感器离地面的高度。

2 仪器组成描述

本套仪器的特点是同时采集8个微温传感器的数据，存储在各自的存储器(64K)中，再由指令控制下分时传送到主计算机，确保采集的同时性。该仪器由8个微温传感器、8个温度传感器和4个气压传感器组成。这些传感器分为4组，每组有2个微温传感器、2个温度传感器和1个气压传感器。微温测量采用20μm的铂丝，长约15cm。温度测量采用AD590M型温度传感器，分辨率±0.3℃。气压测量采用FKS-111型气压传感器，分辨率±1Pa。每组两个测量点之间的距离由实验确定，使其位于湍流的惯性区。铂丝传感器通过电桥，放大，V/F转换，单片机计数将温度的变化量转化为输出频率的变化。然后经串口通讯将测得的频率传输到PC机。温度和气压传感器读数通过数据采集卡进行AD转换，原理如图1。其中V/F转换采用TC9401芯片，仪表放大器输出的电压作为V/F转换的输入端，通过调整参考电压和电容，控制单位温度变化对应的输出频率值。采用AT89S52单片机对输出脉动进行计数。AD转换采用PCI卡,型号为AC6622。

图1 系统硬件框图

3 数据采集软件

数据采集软件分为PC机和单片机两部分。

单片机中的程序主要测量频率值，使用MCS-51汇编语言编写。V/F转换器TC9401的输出范围是0～100KHz。当输出为100Hz时，每个脉冲周期为10μs。采样周期取50Hz，这是由于铂丝裸露在空气中，工业电流在上面感应出了幅值约0.2mv，频率50Hz的电动势，因此需要取20ms的间隔去掉这个干扰。如果单片机直接对脉冲计数，单片机的晶振频率为11.0592MHz，每个机器周期为1.085μs，在20ms的时间间隔内将会有一个计数脉冲的误差，而1个计数脉冲最小为10个机器周期，这样就损失了传感器的分辨率。因此这里采用了一种新的方法，计数器的初值设为0FFH，工作方式2，自动重载，一个脉冲产生一次中断，在中断处理程序中利用一个寄存器来记录脉冲的个数，计时器初值设为0。打开计数器，当第一个脉冲到来时产生中断，打开计时器，返回。在接下来的中断处理程序中，判断计时器的值是否达到20ms，如果没到，用来计数的寄存器加1，程序返回，继续等待下一次中断；如果计时器达到20ms，关掉计时器和计数器。利用此时的计时器的值以及计数的寄存器中脉冲的个数，就可以计算频率值。

PC机上的数据采集软件用VC++写成，主要用于控制单片机和AD卡上的数据采集，为微温脉动的数据采集提供控制信号和同步信号，并保存采集的数据。程序开始运行后，可以实现数据的自动采集和保存。

4 仪器定标

由于各个传感器之间存在系统误差，所以必须对它们进行定标。

对于温度传感器，在黄铜块上钻一些小孔，将每个要使用的AD590M传感器编号并全部放在里面。传感器的外壳采用导热硅胶连接，以便更好地传热。传感器外部封闭，将黄铜块放到冰水混合物里，测量此时的读数。然后将黄铜块放到一个装满热水的保温瓶里，得出在热水中的传感器的温度。通过计算，可得到不同输出电压对应的温度值。

对于气压传感器，由于传感器本身精度可以达到1Pa，不必进行定标。

对于微温传感器，将传感器放置于密闭的环境中，尽量减少空气流动，在一系列不同温度下分别测得输出的频率值，由于频率输出与温度值成正比，对它们进行线性拟合，可以得到输出频率差值所对应的温度变化值。

5 仪器测试

仪器制作完成后，在丽江2.4m望远镜圆顶内做了一个简单测试。传感器连续采样一定个数的数据，完成后将数据传给PC机，然后开始下一次的数据采集。经过测试，仪器能够实现连续的自动观测和数据传输。下面给出了放置在天窗附近的编号为3、4的两个微温脉动仪的几组数据。横坐标表示每次连续采集1000个数据，采样间隔为20ms。

图2 4月2日18：40所取得的数据，天窗关闭

图3 4月2日20:21所取得的数据，天窗打开，望远镜在跟踪观测

图4 4月2日22:38所取得的数据，天窗打开 3小时后

图5 4月3日12:00所取得的数据，天窗打开

这两个传感器被悬挂于圆顶内天窗附近，高度距地面约8m，距天窗约2m，略偏离望远镜的光路，两者之间间距1m。温度值为经过定标以后的值。可以看出两者间有一定的温差，说明距离已经超出湍流的惯性亚区，需要减小两个传感器之间的距离。

图2为天窗还没有打开时采集的数据，4号传感器更靠近天窗，天窗缝里漏进来的冷空气使得它的温度略低。图3为打开天窗40min后测得的数据，可以看出传感器测得的数据波动加剧。图4为天窗打开3h后的数据，温度波动仍然比较厉害。图5为第二天中午12:00测得的数据，天窗打开，两者有一定的温差，温度波动也比较大。