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傅里叶变换光谱技术具有光谱分辨率高,光通量大,通道数量多等优点,是未来空间遥感光谱仪技术的主要发展方向。干涉式大气垂直探测仪,利用这种先进的傅里叶变换光谱技术,从卫星上测量地球和大气的红外辐射,通过气象学反演,获取全球大气温度和湿度的三维分布情况。干涉式大气垂直探测仪不仅要求在整个动镜扫描过程中保持良好的动态准直度,而且要对环境温度以及振动等条件保持较高的适应性,为解决大气垂直探测仪干涉分光系统中动镜与定镜之间的准直度问题,可采用动态校准技术,这是干涉式大气垂直探测仪的关键技术和难点之一。本文全面阐述了干涉式大气垂直探测仪动态校准技术的原理、动态校准系统的方案设计、关键技术和实现方法,并给出了研究结果。
本文首先分析了影响干涉光谱仪调制度的主要因素,根据干涉波前的特点,从理论上分析了准直误差对干涉信号的影响,定性定量地分析了准直误差对光谱测量的影响。
随后在分析比较国内外典型的傅里叶变换光谱仪动态校准系统的基础上,给出了基于激光干涉信号相位检测的动态测角原理,制定了以压电倾斜镜为执行器的干涉式大气垂直探测仪定镜动态校准系统总体方案,对动态测角、动态校准等关键环节以及方案的空间工程应用可行性进行了分析论证。
本文对压电倾斜镜进行了动力学分析,得出它为电学上的一阶惯性环节和机械上的二阶振荡环节的串联,推导出它的传递函数。为有效减小系统超调量并降低对扰动的敏感性,使压电倾斜镜在控制系统的作用下,响应快,超调小,稳态精度高,构造了一种Fuzzy-PID双模态分段控制器,给出了模糊控制规则、PID控制参数的整定方法及采样周期的确定原则。
根据提出的定镜动态校准方案设计实现了激光前放、滤波及整形电路,采用FPGA实现了高精度双向过零相位检测电路,实现了动态测角。采用定点DSPTMS320LF2407A作为控制器实现了定镜动态校准控制系统。系统测试表明:本文构造的模糊PID控制算法,具有良好的控制性能,动态校准系统工作后动镜与定镜间的动态误差实现了1微弧度的控制精度,性能得到明显改善。
论文研究结果表明,动态校准技术是解决干涉式大气垂直探测仪分光系统中动镜与定镜之间的准直度问题的可行技术,本课题所制订的以压电倾斜镜为执行器的定镜动态校准方案是可行的,这为干涉式大气垂直探测仪工程阶段的研制提供良好了的理论和技术基础。