0 引 言
在行星探测项目中，光谱仪是产出重大科学成果的关键载荷。通过光谱可获得行星物质、组分、热惯量等信息，是几乎所有行星探测任务的必备手段，对于科学产出具有至关重要的作用[1]。典型小行星/彗星探测器配置的光谱仪一般包括可见近红外光谱仪以及傅里叶变换光谱仪两类，前者可实现绘制地表矿物的组成和分布图、协助选择着陆点、揭示组成成分之间联系等重要科学目标；后者则以其宽光谱范围与超高光谱分辨率等优势，可在热辐射探测及精细化探测领域发挥重要作用。
基于上述科学探测需求，热辐射光谱仪需实现超宽谱段范围下超高光谱分辨率热红外探测，同时还需满足深空探测载荷轻量化、低功耗设计要求。因此，光谱仪电子学系统摈弃了以往载荷中通过分散功能模块组合实现光谱仪控制的总体方案，采取“功能控制模块集成化设计+主体负载电子学分散布局”的方式：将全部功能控制模块集成设计在一个电子学箱中；将计量激光及其探测电路、干涉信号探测前端电子学通过小型电路设计，以组件形式与光机结构紧密耦合。这一设计在压缩电子学系统尺寸、规模、功耗的同时，实现了复杂的光谱仪控制与信号探测功能，可为深空探测类光谱仪的集成化设计提供参考。
1 总体技术方案
1.1 光谱仪功能性能分析
根据载荷在“天问”二号中承担的科学探测任务，热辐射光谱仪须具备热红外谱段成像能力：探测光谱范围覆盖5~50 μm超宽热红外谱段；采用经典的四端口双角镜时间调制分光方式，实现优于10 cm−1的光谱分辨率及典型谱段下优于300的信噪比，满足小天体表面大多数物质在热红外发射谱段的吸收特征探测；在单点探测基础上，设计一维指向功能，结合小天体自转实现小天体表面热红外谱段打点成像。同时，载荷须具备在轨定标能力：通过设计内部定标黑体及切换机构，结合指向功能实现外部深冷空间、地球等外部定标源的利用，实现在轨内外源定标[7]。此外，载荷设计还需满足深空探测载荷的轻量化、低功耗的要求。热辐射光谱仪性能指标如表1 所示。
表 1 热辐射光谱仪性能指标Table 1 Specifications of ATES |
| 指标 | 数值 |
| 光谱范围/ μm | 5~50 |
| 光谱分辨率/cm−1 | ≤10 |
| 动态范围/K | 100~420 |
| 单点探测角分辨率/mrad | ≤3.3 |
| 单点探测时间/s | 3 |
| 信噪比 | 325 K黑体输入： 5.8~7.5 μm谱段，≥70 7.5~35.0 μm谱段，≥320 35.0~45.5 μm谱段，≥240 45.5~50.0 μm谱段，≥70 |
| 一维指向范围/(°) | ≥22 |
| 一维指向精度/(°) | ≤0.01 |
| 质量/kg | ≤10 |
| 电子学功耗/W | ≤50 |
热辐射光谱仪工作原理如图1 所示。整个光谱仪主体置于指向机构U型架中，由一维指向机构驱动在俯仰方向运动，结合小天体的自转，实现天体表面不同位置的打点驻留观测。热辐射光谱仪采用四端口干涉系统设计，通过设置两个输入端口和两个输出端口的干涉仪系统可实现两路输入信号的光学相减，提高干涉信号动态范围并实现背景辐射的减除。来自小天体的热辐射信息经过RC反射式前置光学系统压束后，进入指向目标小天体的干涉仪输入端口（即目标观测端口）[8]；在该端口的视场光阑前端设置定标黑体机构，可通过该机构将定标黑体切入，实现光谱仪在轨定标。光谱仪另外一个输入端位于参考源光学系统处（即参考源输入端口），该端口配备参考黑体组件，能通过机构控制实现深空背景与参考黑体的切换。干涉仪系统采用双角镜搭配摆臂往复运动的方式，对入射光谱辐射进行时间调制[9]，同时实现两路光谱干涉信号的空间错位。两路空间错位的光谱干涉信号在后光学系统中分别通过抛物镜消像差处理后，分别汇聚至两个独立的热释电探测器。同时，将与主光路干涉信号共光路的高稳频计量激光生成的干涉信号，通过过零检测得到脉冲信号作为同步采样信号，对两个热释电探测器输出的模拟干涉信号进行等光程差采样[10]，进而完成数据处理和格式编排，最终将科学探测数据通过数传接口发送至主探测器系统。
1.2 电子学系统设计方案
热辐射光谱仪的电子学系统采用高度集成、低噪声、机电一体化的设计思路，采取功能控制模块集成化设计结合主体负载电子学分散布局的方式，将全部功能控制模块尽可能集中于一个控制单元，同时将各驱动电路、探测前端电路作为组件，就近安装于光机主体及其负载部件上，形成机电高度耦合的扁平化设计方案。电子学系统各模块功能要求如表2 所示。
表 2 电子学系统功能模块Table 2 Function modules of electronics system |
| 电路功能模块 | 功能设计 |
| 供配电模块 | 接收载荷管理单元一次电源与配电指令，完成自身的供配电管理，并返回电源遥测。完成电磁锁的加电与断电控制 |
| 主控模块 | 完成工作流程管理、工作模式控制、遥控遥测、RS422总线通信、各负载闭环控制算法和探测数据采集编码、数据处理、打包输出等功能 |
| 热控模块 | 完成加热片的驱动和测温信号的采集，保证光机主体工作温度 |
| 激光器控制模块 | 完成主备2路计量激光器的恒温恒流控制 |
| 激光信号处理模块 | 完成2路计量激光信号的探测、滤波、放大，正弦方波转换，产生干涉仪机构运动闭环控制的脉冲信号和干涉采样信号 |
| 干涉仪机构控制模块 | 完成干涉仪机构的闭环控制 |
| 机构控制模块 | 完成指向机构的闭环控制；完成深空机构位置控制与检测；完成定标机构位置控制与检测 |
| 热释电探测模块 | 完成2路热释电焦面板的供电、数据接收、探测干涉信号的驱动、放大、滤波、增益调整和AD量化 |
光谱仪电子学系统如图2 所示，分为独立的电子学箱和光机主体电子学两部分。电子学箱包括供配电模块、主控模块（含RS422总线通信）、热控模块、激光器控制模块、激光信号处理模块、干涉仪控制模块和机构控制模块。主体电子学包括热释电探测模块（含热释电探测器）、激光器驱动板、激光信号探测板（含激光探测器）及各模块的负载组件，且各组件与光机结构紧密耦合。电子学箱与光机主体电子学之间通过电缆连接。电子学系统在光谱仪中的具体位置如图3 所示，主体电子学各组件三维模型如图4 所示。
2 电子学箱功能模块设计
2.1 供配电模块设计
热辐射光谱仪供配电模块以载荷控制单元输出的28 V一次低压母线作为输入。该母线经过平衡并联熔断器后，一路通过干涉仪锁定继电器为锁定电磁铁供电；另一路则经过电路加断电继电器、霍尔电流传感器、浪涌抑制电路，为电子学箱全部控制电路供电。浪涌抑制电路输出的28 V一次电分为两路：一路经熔断器、热控开关继电器后，为热控提供功率电；另一路经电源滤波器、直流-直流转换器(DC-to-DC Converter, DCDC)模块产生+5 V、±12 V、+15 V二次电，作为电子学箱内部各功能控制模块的工作二次电源。光谱仪供配电链路如图5 所示。
2.2 主控模块设计
热辐射光谱仪主控模块采用“现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)+数字信号处理器( Digital Signal Processor, DSP)”的处理架构。DSP选用国防科技大学研制的抗辐照高性能浮点数字信号处理器FT-C6701V-A，可实现高带宽，高精度闭环系统控制算法的100 μs实时计算，并通过三模冗余设计，实现光谱仪短时开机时的单粒子防护设计。FPGA选用Actel公司高可靠性反熔丝型AX2000系列，其工作主频可达350 MHz以上，实际使用频率为40 MHz。
主控模块对外连接关系如图6 所示。FPGA完成光谱仪的管理控制、422通信、电机驱动、热控、激光器驱动与探测、热释电探测信号采样等功能；DSP负责完成温控、干涉仪控制等闭环算法计算、指令解析及流程控制等。
2.3 热控模块设计
热控模块通过6回路主动闭环控温，确保光谱仪各光机部件处于设定的温度平衡状态，这是热辐射光谱仪完成小天体热辐射探测的关键条件。该模块的控温方式包括定点控温与随动控温，其中，随动控温以主镜位置为目标测温点，以次镜位置为控温点，实现次镜温度随主镜温度而变化，且平衡状态下二者温差不超过0.2 ℃，从而避免主次镜之间因温度梯度引起的相对位置变化。
热控模块包括测温电路和加热片驱动电路。测温电路采用精密参考电阻分压测温+高精度AD采集的方式，在(25.00±15.00) ℃范围内实现0.01 ℃的测温精度。基于轻量化设计原则，6路测温采用模拟开关切换配合FPGA轮询的方式实现。采用模拟开关进行多路切换选通，测温电压经射随电路、放大电路后，由高精度16位模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC)采集后输入FPGA，再通过数字滤波进一步提高测量精度。热控测温电路如图7 所示。
DSP接收来自FPGA的温度数据，根据热控阈值运行比例控制算法并生成控制量，回传至FPGA；FPGA根据控制量生成控温脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)驱动量。加热片驱动电路根据FPGA输出的PWM驱动量生成功率驱动信号，经电平转换为5 V的驱动量后，再通过施密特反相器整形和电平上拉处理，最终驱动加热片。热控驱动电路框图如图8 所示。
2.4 激光器控制模块设计
激光器作为光谱仪干涉系统光程差的计量基准，需要非常高的波长精度和稳定性。傅里叶变换光谱仪计量激光器选用线宽小于3 MHz、共模抑制比大于35 dB、输出光功率大于10 mW、器件功耗小于0.1 W且采用小体积TO5封装的高稳频半导体激光器。激光器控制模块完成计量激光器的恒温与恒流闭环控制，该模块包括恒温闭环控制电路和恒流驱动电路两部分。
激光器恒流控制的主要目的是输出满足激光器运行需求的恒定电流。如图9 所示，该电路采用模拟闭环驱动控制方式，由整形电路、数模转换电路、比较器电路、金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)驱动电路和放大电路实现模拟闭环控制，并利用跟随电路和模数转换电路实现激光器电流实时遥测。其控制流程为：FPGA根据指令输出控制量，由数模转换器生成电流调节信号输出至运算放大器，与电流采样信号进行比较后，输出恒流源驱动控制信号，驱动激光器稳定工作。激光器恒流驱动电路如图9 所示。
半导体激光器的中心波长与其温度息息相关，因此通过恒温闭环控制确保激光器波长在热辐射探测过程中的绝对稳定是至关重要的。如图10 所示，激光器恒温控制电路同样采用模拟闭环驱动控制方式，包括半导体制冷器(Thermo-Electric Cooler, TEC)恒流驱动电路和测温电路。其中，TEC恒流驱动电路的结构与激光器恒流驱动电路类似，设计控温点为固定温度值25 ℃。测温电路为恒流驱动提供实时温度反馈信号。
计量激光器工作时，首先启动恒温闭环控制；待激光器温度达到工作温度后，启动恒流驱动电路，计量激光器进入工作状态。
2.5 激光信号处理模块设计
激光信号处理模块完成计量激光干涉信号的探测与滤波，并通过比较器转换为方波信号，该方波信号可作为干涉仪运动控制的反馈信号和热辐射干涉信号的采样信号。激光信号处理模块包括前放电路、滤波电路、正弦/方波转换电路。
如图11 所示，前放电路接收2路激光探测器的微弱电流信号，将其转换为电压信号；随后通过2阶贝塞尔（Bessel）带通滤波器滤除通带外噪声，显著提升滤波后激光正弦波信号的信噪比，为后续正弦波/方波的转换创造条件。该转换电路拟采用斯密特触发电路实现，如图12 所示。当正弦波幅值超过高电平阈值（Uth+）时，输出高电平信号；当正弦波幅值低于低电平阈值（Uth-）时，输出低电平信号[11]。阈值位置设定关于0 V对称，从而保证摆臂工作在线性段时方波占空比为50%。考虑到激光信号处理电路位于主体内部，与电子学箱较远，因此将输出的2路计量激光方波信号转换为差分信号传输至电子学箱主控模块——该信号既可作为干涉仪机构控制的反馈量，也可作为热辐射探测电路的采样脉冲。
2.6 干涉仪系统控制模块设计
干涉仪机构扫描稳定度性能直接影响目标干涉数据的质量，从而影响探测光谱的反演精度[12]。该机构采用“音圈电机驱动+圆渐开线式板弹簧支撑”方案，实现角镜的直线运动。其闭环控制框图如图13 所示。当干涉仪启动后，激光信号处理模块从激光探测器接收经过干涉仪光路的正弦激光干涉信号，经过放大预处理与滤波之后，把正弦信号转换成方波信号，最终输出到电子学箱的干涉仪机构控制模块，作为干涉仪机构闭环控制的计量反馈信号。FPGA采集计量激光探测的波形作为反馈状态量，生成轨迹运行指令发送至DSP；DSP运行闭环控制算法生成控制量，回传至FPGA；FPGA据此生成驱动量，由驱动电路驱动音圈电机完成运动。
热辐射光谱仪干涉仪控制时序图如图14 所示。热辐射光谱仪单点观测时间为3.0 s，在此期间，干涉仪摆臂机构需完成一次左右极限位置之间的摆扫动作，其中匀速摆扫时间段为2.9 s，剩余0.1 s则为摆臂机构开始下一次反向摆扫的掉头时间。干涉仪控制模块以固定的计量激光方波信号脉冲，控制干涉仪机构完成固定行程摆扫；同时，该方波脉冲给到热辐射探测模块，作为2路热释电探测器的同步采样脉冲信号。
干涉仪系统控制模块包括激光信号处理电路与干涉仪机构驱动电路。其中，干涉仪机构采用音圈电机实现，其机构驱动电路采用功率H桥实现，驱动芯片选用成熟型号中常用的LMD18200，可满足音圈电机的驱动。
2.7 机构控制模块设计
除了干涉仪机构外，热辐射光谱仪还包括一维指向机构、定标黑体机构和参考黑体机构。一维指向机构实现光谱仪主体在俯仰维的高精度角度控制；定标黑体机构和参考黑体机构则分别安装于目标观测端口和参考源输入端口的光阑处，通过两机构的切入与切出动作，满足光谱仪在轨定标时对不同目标组合的需求。
一维指向机构采用中国原子能科学研究院双极性步进电机驱动，考虑到仪器的轻量化设计，位置反馈采用霍尔反馈的方式实现。该双极性步进电机的驱动电路与干涉仪控制电路采用相同的LMD18200芯片。霍尔反馈包括零位、上限、下限霍尔，精确位置采用“霍尔+步数补偿”的方式获取。上电后，机构先向上限方向执行回零动作，如果检测到零位霍尔信号，则进行步数补偿至物理零位；若检测到上限霍尔信号，则反向执行回零动作，直至检测到零位霍尔信号，再进行步数补偿至物理零位。
定标黑体机构与参考黑体机构均采用有限转角力矩电机，通过施加正反向电压实现电机的正反转，驱动方式采用H桥方式，同样采用LMD18200芯片。机构的到位信号通过霍尔传感器采集。
3 主体电子学设计
3.1 热释电探测器
针对深空探测热辐射光谱仪不可忽略的轻量化设计要求，综合考虑探测率、响应速度、响应谱段范围等因素，光谱仪选用了一款单元热释电探测器。该器件属于非制冷探测器，采用晶体管外形封装，可直接焊接到热辐射探测电路，并一同安装于光谱仪两个输出端口的焦点位置，极大地简化了探测电路的设计。作为热探测器的一种，其响应仅与吸收的热辐射功率相关[13]，与入射谱段的波长无关，非常适用于超宽谱段的热辐射探测领域。其热响应探测原理是利用热释电材料的自发极化强度随温度变化的效应，实现红外辐射能量的探测。
3.2 热释电探测模块设计
热辐射光谱仪干涉信号具有高精度、大动态范围的特点，要求模拟电子信号处理系统严格控制探测噪声，保证探测信号具有高保真度，需解决微弱信号检测中的噪声抑制及信号增强、高分辨率采样等技术。为缩短模拟信号路径，避免因电缆路径拾取干扰导致干涉信号质量降低，提高信号抗干扰能力，热释电探测电路与主体结构采用紧密耦合的安装方式。
热释电探测电路用于驱动热释电探测器工作[16]，接收探测器输出的目标干涉信号，完成信号调理后将量化数据传输至电子学箱主控模块。热辐射探测电路框图如图15 所示，每只热释电探测器配置了独立的探测电路，共用一路来自电源转换与滤波电路的供电。每路探测电路包含干涉信号前置放大和模数转换两部分功能。前端安装热释电探测器，后端的信号调理电路集成滤波、增益调整和模数转换等功能，前置放大、主放大和差分驱动由OP470运算放大器实现。
4 设计结果与验证
光谱仪电子学系统整备重量约1.8 kg，工作平均功耗低于50 W。主体电子学在满足深空探测载荷轻量化、集成化设计要求的基础上，实现了全部光谱仪功能与性能要求，集成化电子学箱实物如图16 所示，真空环境下实测干涉信号如图17 所示。
高精度激光器恒温恒流控制电路保证了半导体激光器的单色性和稳定性。高阶滤波激光信号处理电路结合成熟的干涉仪闭环控制电路，使得仪器在不同波长处的光谱分辨率均稳定在9.79 cm−1，干涉仪扫描速度稳定性保持在99.5%以上。高探测灵敏度热释电探测搭配低噪声、高采样分辨率探测电路，使得载荷光谱探测范围覆盖5~50 μm超宽谱段，探测动态范围超过53 dB，光谱探测动态范围测试结果如图18 所示。基于上述计量激光的稳定控制、干涉仪系统的高稳定性扫描以及后端低噪声、高动态的热辐射光谱探测与处理技术，热辐射光谱仪在典型光谱范围内对325 K黑体的信噪比达到350。
5 结 语
热辐射光谱仪是我国研制的首台覆盖5~50 μm超宽谱段、具备远红外低温天体热特性和光谱探测能力的光谱仪。为了满足载荷高度轻小型化和低功耗要求，光谱仪电子学系统在继承成熟单机设计经验的基础上，通过控制功能模块化、电路设计集成化，以及主体电子学与光机结构深度结合的设计理念，最终实现了热辐射光谱仪复杂的功能控制与高精度指标要求。该集成化电子学系统设计方案可为后续深空探测光谱仪以及轻小型化复杂载荷的设计与研制提供参考。