太阳闪烁仪设计*

杨画桔，许 骏，许 光，李雪宝，郑艳芳，黄善杰

(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)

测量夜间的视宁度可以利用测量夜间恒星的闪烁效应实现，同理白日视宁度也可以通过测量太阳的闪烁效应实现[1-2]。但是太阳是一个面源，闪烁效应是由许多独立子源平均的结果，一般认为太阳的闪烁效应被整个大气平滑而不易测量。美国国立太阳天文台的J Beckers教授及其同事用一个简单的装置实现了对太阳闪烁的测量，在了解这个装置的工作原理并参考国外相关文献[3]之后，经过重新设计，制作了这样一台太阳闪烁仪，并通过实际测试，得到了初步的实验结果。

1 原 理

中国科学院云南天文台的刘忠研究员和美国国立太阳天文台的J Beckers教授在抚仙湖老鹰地为1 m红外太阳塔选址时，发现太阳的闪烁和视宁度有很好的相关关系[4]：

(1)

(2)

α和(1-α)分别是靠近地面的大气和稍高层大气对视宁度的影响系数，其中α的范围在0到1之间，对于山地环境和湖泊环境其值变化规律不同[4]，可以联合太阳差分像运动监视仪(Solar Differential Image Motion Method, SDIMM)实测对其进行定标。从(2)式可以看出，如果测定了σ1的大小，就可以大致估计近地面大气视宁度参数r0的值。

2 硬件设计

太阳闪烁仪的硬件设计主要分3部分：光电信号转换部分、滤波器部分和信号采集传输部分。

硬件电路的基本构成是：光电二极管将太阳光强信号转换为电流信号，由电流电压变换电路得到一个随太阳光强变化而线性变化的电压。由于需要记录太阳相对亮度涨落的均方根值，而太阳光强信号是直流分量与交流信号的叠加，因此设计了有源滤波器将电压信号中的直流分量与交流分量分离出来，通过模拟通道选择器后输入到14位模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)中进行模拟信号到数字信号的转换，由单片机对数字信号进行采集处理，得到带正负号的字符型数据，通过串口发送给上位机，上位机中的接收程序对数据进行接收保存。整个流程如图1。

图1 太阳闪烁仪原理

Fig.1 Principle of the solar scintillometer

2.1 光电信号转换部分

光电二极管可以将光强信号转换为电流信号。针对太阳闪烁的特性，选择了日本滨松公司生产的S1227-1010BR型硅光电二极管。它的响应频率高、线性度好，接收面积为10 mm×10 mm，能很好地符合探测太阳光强闪烁的要求。

光电二极管装在金属圆筒内，圆筒开口处被滤光片和毛玻璃覆盖，使得一定波长的入射太阳光可以均匀地照射在探测器接收面上。其引脚由Q9接头引出，通过屏蔽线与采集电路连接，减少外部信号的干扰。

根据光电二极管的特性，在特定光强的照射下，会产生特定的反向电流I。这个电流信号为毫安级别，为了方便信号处理，需要通过电流电压转换电路将光电二极管的电流信号转换为放大的、具有线性关系的电压信号。具体电路如图2，从中可以推导出Vout=-I(R1+Rv)，通过改变电位器Rv的大小，可以将Vout的值调整到模数转换器芯片的输入电压范围内，防止信号失真。

2.2 滤波器部分

图2I/V转换电路

Fig.2I-to-Vcircuit

电流电压转换电路得到的随太阳光强变化而变化的电压信号既包含直流分量又包含交流分量。从前面知道，测量太阳相对亮度涨落方差需要得到交流分量与直流分量之比。因此需要在电路中加入有源滤波器将其中的直流分量与交流分量分离。从相关文献中了解到只需留下频率在0.1 Hz到700 Hz左右的交流分量和频率低于0.3 Hz的直流分量[3]。

太阳闪烁造成的交流分量幅度最大仅有直流分量幅度的0.2%，十分微弱，不方便检测。因此交流分量滤波器设计成带有放大倍数的四阶有源带通滤波器,频率响应曲线如图3(a)。滤波电路采用Filterlab软件进行设计，通带频率为0.13 Hz到670 Hz，从I/V转换电路来的信号经过滤波电路之后，直流分量被滤除，只剩下交流分量，在此过程中信号被放大113倍，从输出端输出到后级的模拟通道选择器。

直流滤波使用的是二阶低通有源滤波器，频率响应曲线如图3(b)，其-3 dB截止频率为0.32 Hz。直流分量的幅值较大，为了能够使其范围在模数转换器芯片的输入范围之内，在直流分量滤波电路后端加入了反向比例运算电路，将其幅值缩小为四分之一后再输入到模拟通道选择器，具体电路如图3(c)。

模拟通道选择器选用的是MPC508A，如图3(c)，它有8个通道，其中只使用1、2两个通道即可。单片机通过A0端和EN端控制模拟通道选择器选择导通直流分量或交流分量以获得想要输出的电压信号。模拟通道选择器本身有1 kΩ的阻值，为了和后端的模数转换器芯片电阻匹配，在输出端加入了一个电压跟随器，得到的输出电压out_AD输入到采集电路的模数转换器芯片输入端。

2.3 信号采集传输部分

从带通滤波器出来的电压信号是模拟信号，通过14位模数转换器芯片将模拟信号转换为数字信号后，由单片机进行读取，处理成字符型的数据后通过串口发送给上位机。由于采用的是14位的模数转换器芯片，采集的数据有正负之分，因此接收的数据范围是-8 191到+8 191。

14位模数转换器芯片是TI公司生产的AD7894BR-3，8脚SOIC封装。采用5 V单电源供电，转换时间低至5 us一次，含片上采样保持放大器，数据采用二进制补码的方式通过串行接口输出。输入电压范围在-Vref与+Vref之间，适合采集从滤波器中出来的正负电压信号。在此设计中Vref是2.5 V，由REF3125芯片产生并接到AD7894BR-3的参考电压输入端。

单片机输出的是生存时间(Time To Live, TTL) 电平，上位机是RS232电平，两者之间不匹配，必须通过MAX232芯片进行转换才可以和上位机进行串口通信，所以在硬件电路中加入了MAX232芯片。详细的采集电路如图4。

滤波电路的模拟通道选择器端口出来的电压信号out_AD从VIN口进入模数转换器芯片，经过模数转换被单片机采集处理之后从串口发送。

单片机采用的是Atmel公司的51系列单片机AT89C2051，20个引脚，含有一个串口模块，非常适合本设计的使用要求。

图3 滤波电路

Fig.3 Filter circuit

图4 采集发送电路

Fig.4 Sampling and transmitting circuits

单片机采集程序流程如图5。单片机初始化结束之后等待10 s使电路进入稳定状态，之后如果接收到上位机发来的开始采集的命令‘K’，则开始进行数据采集。在采集的过程中，如果接收到停止采集的命令‘G’，就停止采集，进入到等待下一次开启命令的状态。其中需要说明的是当间隔20 ms到了之后先采集交流电压紧接着采集直流电压。采集的方式是对同一电压连续进行4次采集，然后对采集的数据求平均，这样做一方面采集频率是50 Hz，可以有效地减少工频干扰；另一方面求平均也可以有效地抑制异常信号,减小噪声。而且交流电压与直流电压交替采集不只方便了后期的数据处理，也保证了得到的太阳相对亮度具有实时性。

2.4 电源

电路中总共有3组不同的电压：+5 V、+12 V和-12 V。其中运算放大器TL084由+12 V和-12 V 双电源供电，其它芯片由+5 V供电。电路只使用一个变压器从220 V电压得到+5 V电压，然后通过一个直流/直流模块(NR5D12/300C)将变压器出来的+5 V电压变换为+12 V和-12 V，每一路电压都通过滤波电容之后再给各个器件供电，各器件电压输入端应接有0.1 uf去耦电容，这样做可以有效滤除电压中的毛刺，减小电路噪声。

图5 MCU程序流程图

Fig.5 Flowchart of the MCU program

2.5 屏蔽

电流电压转换电路和有源带通滤波器均引入了放大倍数，前端极其微弱的干扰信号到了模数转换器输入端都有可能被放大上万倍，因此整个电路板做好之后必须采取相应的屏蔽措施：将电路板放在金属盒子之中且其地端要和盒子相连；电路板和探测器(光电二极管)之间也必须由屏蔽线进行连接。经过试验表明，采取这些措施之后，电路的干扰可以明显减弱。

3 接收软件

上位机只需要给单片机发送开启‘K’和关闭‘G’的命令并将单片机串口发送的数据接收保存，没有很特殊的操作，因此选择了“串口调试助手V3.6”。它可以将数据边接收边保存成文本文件(Text File, TXT)，十分方便于后期的数据处理。

4 测试结果

2011年9月1日上午和下午在澄江抚仙湖太阳塔进行了数据采集实验，通过Matlab对数据进行了相应的处理。采集的数据如图6(a)、(b)，其中需要说明的是每幅图的上方都是直接获得的交流电压与直流电压数字量之比，也就是太阳相对亮度值，每幅图的中间都是每3 000个点(1 min)做一次相对亮度均方根值得到的百分比闪烁数据，而每幅图的下方是由此估计的ro值。

从图6(a)可以看出9月1日上午10∶20～11∶20太阳相对亮度涨落百分比在0.05%和0.15%左右，近地面大气视宁度参数ro平均值大约是6 cm。而图6(b)显示下午15∶10～15∶55太阳相对亮度涨落百分比在0.02%到0.06%之间，近地面大气视宁度参数ro平均值大约为9 cm。

ro的准确性依赖于理论(2)式中α值的大小。α值在一天当中是不断变化的[4]，要想准确地得出一天当中α值的变化规律，必须联合太阳差分像运动监视仪，通过二者的同时测量，得到α值在不同时间的变化规律，才能有效地估计ro。

图6 测试结果

Fig.6 Test results

5 结 论

本文详细介绍了太阳闪烁仪的原理、设计与具体实现，并给出了初步的实验结果，实验表明该设计具有估测近地面大气视宁度的功能。太阳闪烁仪是太阳选址常用仪器之一，选址的顺利开展依靠的是各种设备之间的密切配合，在以后的选址工作中，可以根据实际使用情况对该设计进行相应的改进和完善。

[1] 刘忠, 娄柯, 张瑞龙, 等. 白日视宁度监视仪和在抚仙湖的初步观测结果[J]. 云南天文台台刊, 2000(4): 95-100.

Liu Zhong, Lou Ke, Zhang Ruilong, et al. The day-time seeing monitor at fuxian lake and some primary results[J]. Publications of Yunnan Observatory, 2000(4): 95-100.

[2] Roddier F. The effects of atmospheric turbulence in optical astronomy[J]. Progress in Optics, 1981, 19: 283-376.

[3] Sudhir Kumar Gupta, Shibu K Mathew, P Venkatakrishnan. Development of solar scintillometer[J]. Astronomy and Astrophysics, 2006(27): 315-320.

[4] Liu Zhong, Jacques M Beckers. Comparative solar seeing and scintillation studies at rhe Fuxian Lake solar station[J]. Solar Physics, 2001, 198(1): 197-209.