FPGA-basierte Ansteuerungselektronik für Justageeinheiten im Michelson-Interferometer. Holger Nöldgen

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1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft FPGA-basierte Ansteuerungselektronik für Justageeinheiten im Michelson-Interferometer Holger Nöldgen 1. April 2009 SEI-Tagung Frühjahr 2009 im Forschungszentrum Jülich GmbH Überblick Infrarotspektroskopie GLORIA Michelson-Interferometer Warum Justageeinheiten im Interferometer? Entwickelte Hardware Piezo Schrittmotor Drehgeber Fazit Folie 2

2 Infrarotspektroskopie Spektrale Auswertung des IR-Bereichs für z.b. Meterologie oder Astrologie Short Wave 1 3 µm Middle Range 3 5 µm Long wave 7 14µm: p, T, O3, H2O, GLORIA (GLObal Limb Radiation Imager of the Atmosphere) Instrument 2D IR-Detektor + Interferometer = abbildendes Fourierspektrometer arbeitet bei Wellenlängen von 7µm 14µm Folie 3 GLORIA - GLObal Limb Radiation Imager of the Atmosphere genutztes Detektor-Gesichtsfeld 128x128 pixel Wellenbereich (7µm 14µm) Messzeit für einen kompletten Sweep: 40 s Vertikale Auflösung: m Horizontale Auflösung: km Messbare Parameter: p, T, O3, H2O, N2O, CH4, HNO3, Flexibel: verschiedene Betriebsmodi möglich, z.b. imaging mode und high spectral resolution mode Folie 4

3 GLORIA vs. aktuelle Instrumente GLORIA zeigt erstmals ein 2-dimensionales Bild der atmosphärische Parameter mit hoher räumlicher Auflösung Bei mehreren Messreihen innerhalb einer Region kommt so ein gutes Abbild zustande Folie 5 GLORIA auf HALO Messkampagnen für Flugzeug geplant Instrument wird im Belly Pod der HALO platziert Flughöhe ~ 15km Reichweite ~ 9000km Flugdauer ~ 12h geringer Druck, niedrige Temperaturen, Vibrationen HALO: neues deutsches Atmosphärenforschungsflugzeug der DLR Folie 6

4 GLORIA - Instrument Abbildendes Fourierspektrometer 128² Pixel IR-Detektor mit 2600 Frames/s variables Pixel Binning abhängig der wissenschaftlichen Fragestellung Michelson Linear-Interferometer mit 10 cm OPD Kardanrahmen verstellbar in Azimut, Elevation und Bilddrehrichtung unterhalb des Flugzeugs im BellyPod montiert integriertes hoch präzises Lageregelsystem zur Stabilisierung der Sichtlinie während der Messsequenz Autonomer Betrieb (Steuerung via Sat-Com) Folie 7 Michelson Interferometer Optikmodul wird im FZK entwickelt und gebaut sehr kompakt, leicht, steif aufgebaut Linear-Interferometer notwendige Justageeinheiten Tilt Shear Fokusierung Objektiv fester Spiegel von der Atmosphäre Strahlteiler x 1 x2 x = x 2 -x 1 beweglicher Spiegel zum Detektor Folie 8

5 Tilt-Effekt im Interferometer Der Tilt-Effekt entsteht durch Verkippung der Planspiegel daraus resultiert ein schiefer Strahlengang und Verringerung der Signalamplitude verschlechtert das Signal-zu- Rauschverhältnis Lösung: Verwendung von Spiegelecken Folie 9 Shear-Effekt: IFM Strahlengang ohne Versatz Folie 10

6 Shear-Effekt: IFM Strahlengang mit 5mm Versatz Versatz: 5mm Korrektur in XY- Richtung notwendig Folie 11 Fokusierung des Objektives Problem: Große Temperaturvariationen am Detektorfenster Mit zunehmender Flughöhe ändern sich physikalische Eigenschaften der Linse auf Grund von Temperatur- und Druckänderungen Zur Kompensation muss das Objektiv während des Fluges individuell adjustiert werden Folie 12

7 Realisierung Justagemechanik Shear Effekt -> Piezo XY-Tisch einsetzen Piezo XY-Tisch mit Spiegelecke Fokusierung -> Stepper Motor mit Absolutwert Encoder Objektivversteller Folie 13 Anforderungen an die zu entwickelnde Hardware Klein, kompakt Frei programmierbar In Gesamtelektronik integrierbar Für den Flugbetrieb optimiert Einsatztemperaturbereich: -40 C bis +85 C Erhöhte mechanische Anforderungen Luftdruck: 1mbar 1030mbar Schockfestigkeit bis 10g Folie 14

8 Integration in Gesamtelektronik Justageelektronik Folie 15 Entwicklungsumgebung Xilinx Spartan- 3 Demoboard Entwicklungsboard für Justageeinheiten Folie 16

9 Entwickeltes Testboard Schnittstelle für Drehgeber Schrittmotor Endstufe 4 ch. ADC Piezo Endstufe Folie 17 Funktionalität Testboard 1) Justierung Spiegelecke (Shear-Kompensation): Piezoantriebe werden sequentiell angesteuert Ansteuerung im FPGA implementiert, optional Test mit Funktionsgenerator möglich 2) Fokuseinstellung Objektiv Aufbau STEPPER Endstufe, Ansteuerung im FPGA Wegverwaltung über MAGRES Absolut-Drehgeber (SSI-Protokoll im FPGA) 3) Aufnahme von HK-Daten Strommessung Stepper Rampenform Piezo 4) Datenkommunikation zu Testzwecken RS-232 Schnittstelle im FPGA implementiert Telekommandobefehlsoberfläche mit NI LabVIEW Folie 18

10 Prinzip der Piezo-Ansteuerung Pulserzeugung durch DAC und Verstärker steile Anstiegszeiten realisiert durch MOSFETS Prinzip der Ansteuerung des Piezoschlittens Folie 19 Ergebnisse Piezo-Ansteuerung Folie 20

11 Kältetests am Forschungszentrum Karlsruhe Temperatureigenschaften des Piezo wurden charakterisiert Kältemessungen mit Hilfe von kapazitiver Wegmessung Messvorrichtung um Festfrieren zu verhindern Kühlung mit Trockeneis auf Temperaturen bis zu -70 C Folie 21 Frequenzabhängigkeit Frquenzabhängigkeit bei verschiedenen Temperaturen 35 Spannung: 48V 30 Dummy-Gewicht: 200g 25 Wegstrecke: 4cm Bewegung nach oben Fahrzeit (s) C -46 C -23 C Frequenz (Hz) Folie 22

12 Spannungsabhängigkeit Spannungsabhängigkeit bei verschiedenen Temperaturen 25 Frequenz: 667Hz Dummy-Gewicht: 200g Wegstrecke: 4cm Bewegung nach unten Fahrzeit (s) C -46 C -23 C Spannung (V) Folie 23 Fazit Piezo Piezoausdehnung nimmt mit fallender Temperatur minimal ab Piezo bewegt sich jedoch auch bei Temperaturen von -70 C Frequenz- und Spannungsabhängigkeit wurden bestimmt Beste Ergebnisse bei 4kHz und 48V Spannung Festfrieren konnte nicht gänzlich vermieden werden Folie 24

13 Implementierung des Schrittmotors Halbschritt- und Vollschrittbetrieb wurden implementiert Vollschrittbetrieb wird als sinnvoller erachtet, da höheres Drehmoment möglich, effektive mechanische Auflösung des Objektivs sehr gut, d.h. Motorschrittweite ausreichend Maximaler Fahrweg der Linse: 4mm Schneckenumdrehungen pro mm: 148 Motorschritte pro Schneckenumdrehung: 200 Motorschritte pro mm: Motorschritte für volle 4mm: Motorfrequenz: ~ 500Hz 2kHz ( U/min) Stromaufnahme: 1,2A Betriebsspannung: 42V Folie 25 Schrittmotor und Drehgeber Weitere Optimierungen der Schrittmotoransteuerung: Einstellbare Strombegrenzung mittels PWM Anfahrrampen für Strom und Frequenz Regelung mit Strommessung per ADC Drehgeber: 10 Bit Singleturn (1 Bit entspricht ~0,35 ) 15 Bit Multiturn (32768 Umdrehungen) SSI-Schnittstelle im FPGA implementiert Reset-Eingang Der Drehgeber wird benötigt um die exakte Position des Objektives bestimmen zu können und Festsitzen der Mechanik zu detektieren Folie 26

14 NI LabVIEW Testumgebung Steuerung der Justageeinheiten mittels Telekommando Befehlen Auslesen des Drehgebers Basierend auf die VISA Treiber für RS232 ADC wird noch implementiert Folie 27 Zusammenfassung Ausblick Hardware zum Test der Justageeinheiten wurde entwickelt und erfolgreich in Betrieb genommen VHDL Code für den FPGA wurde implementiert und mit der Hardware getestet Erste Tests am FZK für den kryogenen Einsatz zeigten gute Ergebnisse Weitere Arbeiten sind in erster Linie für die Ansteuerung des Schrittmotors durchzuführen: Strombegrenzung Anfahrrampen Weitere Kältetests Folie 28

15 Danke Tom Neubert Heinz Rongen Ralf Engels Günter Kemmerling Jakob Schelten MIPAS-Gruppe des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung am Forschungszentrum Karlsruhe Folie 29