天文卫星相机焦平面制冷系统的设计与实现

发布时间：2017-12-17 23:17

本文关键词：天文卫星相机焦平面制冷系统的设计与实现

【摘要】：高性能天文观测相机CCD必须工作在-65℃的低温环境中，以抑制可见光CCD产生的暗电流噪声，因此为了保障天文观测相机的工作性能，必须对焦平面(FPA)进行独立制冷。为了满足空间天文相机焦平面制冷要求的体积小、重量轻、稳定性和可靠性好、精度高的工程应用需求，本文设计完成了一种基于热电制冷器（TEC）的焦平面制冷控制系统。该系统以80C32单片机为控制系统的核心处理器，，利用安装于图像传感器背面的5个温度传感器及其采集电路获取焦平面的多点实时温度，然后系统以采集到的多点实时温度为参数，采用数字PID自适应控制算法计算得到控制量，通过该控制量调节TEC的驱动电流，从而实现对焦平面的独立制冷。本文首先讨论了高精度、高稳定性制冷对高性能天文观测相机焦平面工作性能的重要性，介绍了使用TEC进行制冷的原因；其次阐述TEC制冷的理论基础及工作原理，并讨论了TEC的工作状态及选取原则，分析了热负载制冷的模型；然后完成了制冷系统硬件控制电路的总体设计，并分别对温度采集模块、TEC驱动模块、通信模块和计算控制模块的电路进行了详细设计；在电路原理图设计完成后，根据布局、布线原则设计了系统的PCB，并完成了PCB的加工与调试；根据本系统的工作要求和边界条件，对系统的软件算法进行了分析和设计，并采用模块化的设计方法完成了以数字PID控制算法为核心的软件总体设计，同时对各模块进行了详细的设计、编码和调试；最后完成了整个制冷控制系统的软、硬件集成和调试。通过系统的实物模拟实验表明，该系统可以在焦平面温度梯度小于1℃的情况下，快速达到其正常工作温度-65℃，并保证其温度控制精度为±2℃，满足了天文观测相机焦平面的工作要求。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P111

【参考文献】

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