空间制冷机温控精度研究

张新玉，金占雷，董　婷

（北京空间机电研究所，北京　100094）

空间制冷机温控精度研究

张新玉，金占雷，董婷

（北京空间机电研究所，北京100094）

提高空间制冷机温度控制精度，对提高空间制冷机工作稳定性至关重要。通过仿真分析了在不同的白噪声强度下，采用过采样的方法获得更高的分辨率时，噪声强度和采样次数之间的关系。在白噪声强度固定的前提下，考虑到软件的执行效率和执行时间，通过适当增加采样次数，可以显著提高AD采集分辨率。从而在以高分辨率AD数据为温度数据输入时，达到温度控制精度更高的目的。

过采样；空间制冷机；温度控制精度

0　引言

在空间遥感红外成像领域，焦面温度的稳定性是探测器获取高精度图像的重要空间技术保证，通常需要用制冷机对焦面进行低温制冷。国内北京空间机电研究所、上海技术物理研究所、兰州空间技术物理研究所、中科院理化技术研究所、浙江大学等单位对制冷机进行了研究［1-5］；还有单位对制冷控制系统进行了研究，李元明等［3］对控制系统进行了设计并计算了驱动电路的功耗，魏广等［6］对斯特林制冷机驱动方案进行了分析，对制冷控制系统算法进行了研究［7］。高精度测温是稳定控温的前提，因此提高测温精度成为提高制冷控温性能的基础。

提高测温精度的方式主要包括选用高分辨率ADC和过采样滤波技术，有很多文献进行了论述［8-9］，而对采样频率、噪声分布、ADC分辨率与测温精度的关系缺少研究［10-13］。首先介绍过采样技术的原理，然后分析了ADC的分辨率、ADC噪声、采样滤波算法对测温精度的影响，并进行了仿真和实验验证，结果表明对于12 bit的ADC，当白噪声为-10 dBW时，采用110次采样滤波可以有效提高测量精度至1/10 LSB，再提高采样次数对测量精度帮助不大；当白噪声小于-20 dBW时，决定测温精度的是ADC分辨率，测温精度为1 LSB；当白噪声大于0 dBW时，ADC分辨率对测温精度的影响很小，要提高测量精度需要进一步提高采样次数。

1　制冷控制器测温精度分析

1.1过采样基本原理

由于ADC的分辨率取决于信号的动态范围、必须测量参数的最小变化和信噪比SNR，而ADC转换时可能引入很多种噪声，如热噪声、杂色噪声、电源电压变化、电压变化、采样时钟抖动引起的相位噪声及由量化误差引起的量化噪声。有很多技术可以用于减小噪声，例如精心设计电路板和在参考电压信号线上加旁路电容等，但是ADC总是存在对信号和噪声的频带重叠的量化噪声，因此一个给定位数的ADC的最大SNR由量化噪声定义。

根据奈奎斯特定理，被测信号的频带宽度如果在采样频率fs的一半以内，则该信号可以被重建。例如，采样频率为200 kHz则频率低于100 kHz的被测信号可以被可靠的重建和分析，与输入信号一起会有噪声信号混叠在有用的、可用的测量频带内（小于fs/2的频率成分）。通常以白噪声数学模型近似的描述实际信号的噪声，因此信号频带内的噪声能量密度（ESD）可以表示为:

式中:erms指平均噪声功率；fs指采样频率；E（f）指带内ESD。说明信号频带内的噪声能量谱密度ESD或被采样噪声的噪声平面随采样频率的增加而降低。假设噪声近似为白噪声，代表噪声的随机变量在ADC码之间分布的平均值为0，则方差为平均噪声功率，计算如式（2）:

式中:量化噪声为Δ=vref/2N；N为ADC的位数；vref为参考电压；量化误差eq≤Δ/2。

若输入信号的最高频率为 fm，采样频率为 fs，则过采样率（OSR）可以表示为式（3）:

若噪声为白噪声，则低通滤波器（对样本求平均值）输出带内噪声功率no为式（4）:

若平均噪声功率恒定，则带内噪声的输出功率与过采样率成反比，式（4）表明可以通过提高过采样率来减小带内噪声功率。设过采样率为OSR=4△N，进而，结合式（2）将代入式（4）得到式（5）:

式（5）说明通过过采样可以增加ADC的分辨率及增加了ΔN的分辨率。可以通过设定过采样率的方式来获得工程中所需要的分辨率。如果输入信号在样本之间随机变化，变化幅度与代码规模1个LSB接近，并且输入信号在两个相邻代码之间呈线性随机分布，则噪声可被当做白噪声处理，其特点是在整个有用频率内具有一致的功率谱密度。当噪声可以被近似为白噪声的情况下，过采样和求平均值可以改善SNR和提高数据的有效分辨率。

1.2过采样技术提高ADC测温精度的软件实现

空间制冷机ADC芯片在特定采集数据环境下，根据仿真结果，可以理解为ADC数据采样时的白噪声特性基本不变，只需要验证在多大的采样次数下能够达到提高空间制冷机测温精度，通过算法，在测温精度提高的前提下，提高空间制冷机的控温精度。对于AD采集软件流程如图1所示。

图1　软件实现过采样AD采集流程图

1.3噪声分布、采样次数与ADC测温精度关系仿真

理论上硬件ADC的分辨率越高，系统测温精度越高，但是高分辨率的ADC虽然省去了模拟电路，却对ADC本身性能要求较高，更多时候是通过速度来换取高精度，导致采样率不高。另外，在硬件电路设计完成后，硬件噪声也就固定下来，因此只有采样次数可以影响ADC测温精度。

考虑到过采样技术，需要占用软件较多的时间和资源的弊端，针对空间制冷机所使用ADC，在空间制冷机所处环境影响、软件占用资源和时间尽量少的前提下，通过过采样技术提高其温度采集精度，在满足工程需求时尽可能少的降低采样次数。

利用MATLAB仿真，建立不同白噪声强度数组，将不同强度的白噪声注入到相应的ADC信号中，来仿真模拟不同强度白噪声情况下，过采样和求均值对数据精度的影响。

假设ADC转化数据跳动量为1，例如在100和101之间跳动，出于对称性考虑，只需分析100～100.5之间的情况即可。通过设定不同的输出噪声强度以及不同的采样率，对信号进行过采样，来比较不同的采样率和高斯白噪声对数据精度的影响。通过比较，一般由4个输出噪声强度和4个不同的采样率组成的4×4矩阵，对信号的SNR和数据有效分辨率的影响基本可以体现出来。假如设定输出噪声强度为-30 dBW、-20 dBW、-10 dBW和0 dBW，其中-10 dBW表示幅值落在±1 LSB的概率为99.8%的噪声，采样次数分别为10、110、210 和310次。每组采样率实验100次，统计实验结果，分析白噪声强度和采样次数之间的关系。通过MATLAB编程仿真结果如图2～4所示。

由图2～4可以看出:（1）相同的白噪声强度下，采样次数越多，被测数据越接近实际数据；（2）相同的采样次数下，白噪声强度越大，被测数据越接近实际数据；（3）当白噪声强度很小（-30 dBW）时，通过提高采样次数，对被测数据的精度影响不大。

图2　测试数据100.1在不同白噪声强度和采样次数下仿真结果图

图3　测试数据100.3在不同白噪声强度和采样次数下仿真结果图

图4　测试数据100.5在不同白噪声强度和采样次数下仿真结果图

当白噪声强度为-5 dBW，采样次数为110次时，针对被测数据100～100.5，采样结果最能体现信号的实际输出。增加白噪声强度或增加采样次数虽然会在一定程度上提高采样精度，但是改善效果不大，反而会引起采样数据离散。即在白噪声强度固定的前提下，采样次数有一个最优值，并不是采样次数越多越好。

2　实验验证

在地面环境下，针对空间制冷机，通过不同的采样次数来提高AD采样数据的精度，经实验验证，取1次实际测量电压转化为AD数据时，如2.3 V电压下，分别在采样1次、18次和34次的情况下，比较所得到的采样数据和所需要的时间，具体实验数据如表1所列。

表1　不同的采样次数下AD采样数据及耗时对比表

表1数据可以看出，采样次数为18时，AD采样数据精度虽然比采样34次时略低，但是软件耗时却只有采样34次时的一半左右，软件耗时远低于34次采样耗时，软件占用的资源要比34次采样时占用资源少得多；而18次采样虽然比1次采样耗时长，但是AD采样数据精度却比1次采样精度高两位，因此18次采样相对于当前制冷机噪声环境下，采样率最优，采样数据精度提高一位，软件占用资源最优，软件执行时间最优。

3　结论

在不同的白噪声强度下，采用过采样的方法获得更高的分辨率，噪声强度和采样次数之间存在一个最优值，增加白噪声强度或增加采样次数虽然会在一定程度上提高采样精度，但是改善效果不大，反而会引起采样数据离散。由于实际硬件确定，相当于在白噪声强度固定的前提下，采样次数有一个最优值，并不是采样次数越多越好。在空间制冷机可选ADC固定的前提下，通过比较不同的采样次数下采集到的AD数据与实际理论计算数据证明，在硬件确定的前提下，考虑到软件的执行效率和执行时间，通过适当增加采样次数，可以显著提高AD采集分辨率，在以高分辨率AD数据为温度数据输入时，可以获得更高精度的温度控制目的。

［1］朱建炳.空间深空探测低温制冷技术的发展［J］.航天返回与遥感，2010，31（6）:39-45.

［2］朱鹏.基于FPGA的斯特林制冷机控制技术［J］.低温工程，2010（3）:39-46.

［3］李元明，于秀明，贾旭鹏，等.基于DSP的星载小型化斯特林制冷机控制器设计［J］.真空与低温，2007，13（1）:35-57.

［4］刘赛，李青，李正宇，等微型整体式斯特林制冷机系统的计算机仿真优化研究［J］.低温工程，2006（3）:43-54.

［5］陈国邦，颜鹏达，李金寿，等.斯特林低温制冷机的研究与发展［J］.低温工程，2006（5）:1-10.

［6］魏广，马少君，闫春杰，等高温超导滤波器用斯特林制冷机温度控制算法设计［J］.低温与超导，2012，40（5）:21-25.

［7］贾旭鹏，姜继善，于秀明，等.斯特林制冷机温度闭环控制系统的探讨［J］.真空与低温，2006，12（3）:176-179.

［8］于光平，张昕.过采样方法与提高ADC分辨率研究［J］.沈阳工业大学学报，2006，28（2）:137-139.

［9］李刚，张丽君，林凌.利用过采样技术提高ADC测量微弱信号时的分辨率［J］.纳米技术与精密工程，2009，7（1）:71-75.

［10］李国.基于过采样技术提高ADC分辨率的研究与实现［J］.计算机工程，2005，31（z1）:244-248.

［11］李君.基于过采样技术提高ADC分辨率探析［J］.现代电子技术，2010（6）:160-162.

［12］王萍，李小京.利用过采样法提高AD分辨率和信噪比［J］.科学仪表学报，2002，23（3）:1-2.

［13］王飞雪，郁文贤，郭桂荣.重复观测提高量化精度方法的研究［J］.电子学报，1997，27（3）:4-8.

RESEARCH OFSPACECRYOCOOLER TEMPERATURECONTROLLING PRECISION

ZHANG Xin-yu，JIN Zhan-lei，DONG Ting
（Beijing Institute of SpaceM echanicsand Electricity，Beijing100094）

Upgrading space cryocooler temperature controlling precision is very important to space cryocooler work stability.By emulate analysis，this paper obtain that in differentwhite noise intensity，a optimal value is existed between the noise intensity and the oversampling frequency，when useoversamplingmethod to obtain a better resolution.Under the prem ise of thewhite noise intensity fixed，taking into account the execution efficiency and execution time of the software，the AD acquisition resolution can be improved significantly by properly increasing the sampling times.So the high resolution AD data is input to the temperature data can getahigheraccuracy of temperature control.

oversampling；space cryocooler；temperature controlling precision

TB651

A

1006-7086（2016）03-0153-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.03.006

2016-02-23

张新玉（1983-），男，河北石家庄人，硕士，工程师，从事空间遥感控制软件设计工作。E-mail:xy_zhang0106@qq.com。