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星载干涉光谱仪接收地球大气的红外辐射信号,经过仪器干涉调制过程,红外辐射变换为红外干涉信号,通过对干涉信号的傅里叶反变换得到入射辐射的光谱特征,通过对光谱参数进行气象学反演,得到温湿度等气象学参数的垂直分布情况,为数值天气预报提供科学依据。随着社会和经济的发展,数值天气预报对卫星气象数据的要求越来越高。根据世界气象组织(WMO)提出的要求:温度准确度达到1K,湿度准确度达到10%和垂直分辨率达到1公里,由此,用于垂直探测的仪器光谱分辨力要求达到1200,通常,干涉式光谱仪是重点发展方向。
干涉光谱仪通常采用平面镜作为动镜和定镜,动镜是其中唯一运动部件,入射辐射在干涉过程中对动镜和定镜的准直性要求极高,需要使用动态校准的方法对动镜扫描过程中的准直性误差进行校准补偿。本课题主要研究空间傅里叶光谱仪的动镜校准技术。校准目标为控制精度在±1.5微弧度之内,范围大于100微弧度,测量频率高于10KHz,控制频率达到1KHZ。
搭建了动镜校准技术的实验平台。采用852nm波长的半导体激光器作为参考干涉仪的参考光源,采用1/8λ波片作为光学移相器产生正交偏振信号,通过渥拉斯顿棱镜的光学结构进行偏振移相信号的检测。设计制作两个PIN型五元激光探测器进行激光干涉信号探测:两个中心探测元用来判断动镜的位移,速度和运动方向;边缘的8个探测元完成动镜倾角引起的光路二维方向上的准直性误差的测量。设计了非接触式的校准执行器,利用电磁线圈实现了动镜的动态校准,同时保证定镜光路作为参考主光轴保持不变。
通过理论分析和实验验证描述了激光参考干涉信号的数学特征。分析了系统的一系列重要特征如激光光斑的不均匀性,动镜速度和运动方向的不断改变,激光信号传感电路和探测器的幅频特性等。针对激光干涉信号的特征,设计、仿真并实现了相应的准直性误差的测量算法。新的测角算法测角分辨率达到0.1微弧度,测量范围超过200微弧度。四个电磁执行线圈通过非接触的方式完成准直误差的两维动态校准。采用模糊PID算法计算动态校准的控制量,并使用Simulink对动态校准执行机构进行了仿真。实验结果表明所研制的动镜校准系统的动态校准精度为1.5微弧度,校准范围100微弧度,可校准频率为20Hz。