光谱扫描装置的运动分析

    引言

    扫描装置是多光谱扫描仪、成像光谱仪和扫描辐射仪等仪器常用的装置，一般由驱动电机、传动机构、扫描镜和检测元件组成。驱动电机通过传动机构驱动扫描镜对探测目标进行扫描，检测元件提供速度和位置反馈。一般在对系统进行设计和分析时，可以假定电机、检测元件和扫描镜之间的机械连接是绝对刚性的，三者的运动完全一致。但现代扫描仪器对扫描镜的位置精度、速度精度要求往往很高。例如美国的可见/红外成像光谱仪AVIRIS要求的瞬时位置误差小于0.1 mrad，累积位置误差小于0.5 mrad^[1]，全球臭氧监测实验仪器GOME的角速度误差要求为1 mrad/s^[2]。EOS-TERRA卫星上的中分辨率成像光谱仪MODIS角速度误差要求为±2.1 mrad/s^[3]。对这样高精度的系统来说，传动机构的刚度对扫描装置运动的影响就不可忽视了。

    由于系统的传动机构刚度总是有限值，实际上检测元件和扫描镜之间存在相对扭转，两者的运动是不一致的。在文献^[1]中作者指出：连接扫描镜和编码器的轴是一个弹簧—质量系统，编码器的运动不同于扫描镜的运动。因此设计者在检测扫描镜的运动性能时，不是将检测编码器安装在扫描镜的末端，而是用了一个与扫描镜转动惯量相匹配的试验惯性体，将编码器安装在该惯性体上进行检测。这种方法虽然有效，但是需要专门的检测设备，比较麻烦。传动刚度有限除了给性能检测带来困难之外，还会带来控制上的问题。因为检测元件的检测结果并不能反映扫描镜的真实运动情况，如果以此检测结果作为反馈信号去控制电机，进而控制扫描镜的运动，将难以达到预期的效果。尤其是在扫描镜转动惯量较大或角加速度较高时，传动机构因承受很大的负载扭矩而产生扭转变形，造成传动的滞后，直接影响整个系统的控制性能，甚至可能使系统产生振荡。

    为此，本文提出了一种理论分析的方法。该方法通过分析检测元件和扫描镜之间运动的差别，可以简单地由检测结果推算出扫描镜的运动情况，从而为系统性能评估提供了一个便捷的方法，同时也使系统控制有了更加准确的依据。仿真实验表明分析结果能够反映系统运动的情况。

    1 扫描装置的动力学模型

    现在扫描装置的传动机构大多通过联轴器将驱动电机和扫描镜的轴直接连接，检测元件再与电机轴或扫描镜轴连接。这样不仅可以减轻扫描装置的重量，还减少了传动机构带来的误差。例如我国风云四号卫星上的扫描机构就采用了这种形式^[4]。一些公司还将电机和检测元件集成为一体，进一步简化结构，提高系统刚度。例如BEI公司为大气红外探测器AIRS设计的电机编码组件和MOOG公司为MODIS设计的扫描装置。本文将以电机和检测元件为一体的设计为例，分析扫描装置的运动情况。一个典型的扫描装置如图1所示。