大气探测摆扫干涉机构及其控制研究

• 作 者: 刘日龙
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 傅立叶变换干涉光谱技术 干涉式大气探测仪 摆扫干涉机构 驱动电机 对称布局 数学模型

基于傅立叶变换的干涉式大气探测仪是一种高分辨率光谱仪器,它具有诸多优点,可通过空间遥感方式获取高光谱分辨率、多通道的大气和地球表面红外辐射光谱,经过反演得到高精度温度、湿度及其他的气象参数。然而,对于经典的迈克尔逊型干涉式大气探测仪,外界的机械振动对仪器的影响非常大,这大大增加了仪器整体设计的复杂性。　　
本文对国内外各种大气探测仪进行了充分调研,提出了一种摆动扫描干涉分光实现方案,通过用对称布局的动镜摆扫式干涉机构来提高仪器的环境适应性。同时,论证了方案的可行性并提出系统技术要求。　　
介绍了傅立叶变换干涉光谱技术的基本原理。通过理论推导,得到了摆扫干涉机构光程差和通光口径的计算公式,系统地分析了干涉机构的信号调制度、系统信噪比、摆扫机构运动状况对干涉性能的影响,为干涉分光方案的确定进行了理论上的论证。阐述了机构驱动电机的设计过程,对电机的磁钢和线圈进行计算,设计了干涉机构驱动电机。　　
建立了音圈电机驱动摆扫干涉机构的数学模型,给出了系统的传递函数关系式。依据系统的控制策略,设计了相应的控制器并进行实验仿真。采用FPGA作为系统控制芯片实现了干涉机构的全数字驱动控制系统。对前置放大级进行躁声分析,设计了干涉信号获取硬件电路,实现了对激光干涉信号进行光电检测、数据采集和数据传输。　　
搭建了一台摆扫干涉机构原理样机,采用He-Ne激光器作为光源,动镜和定镜都使用矩形平面反射镜。最后,对整个系统进行了性能测试,得到了控制系统性能曲线,并获取了激光干涉信号。　　
理论分析和实验结果表明,本课题所制定的干涉分光方案是切实可行的,为课题的后续研究提供了重要的理论和技术基础。