空间傅里叶光谱仪高精密大范围动态测角技术

　　0 引 言

　　空间傅里叶光谱仪，其分光系统的核心基于经典 Michelson 干涉仪基本结构，动镜采用直线电机驱动的平面镜结构。仪器对动镜扫描时的准直度有较高的要求，同时仪器在轨工作时有来自于卫星平台的晃动和来自仪器内部其它部件的振动，因此有必要对动镜进行实时动态校准。动态测角作为动态校准的一个重要环节，常用的测角算法有基于相位的检测算法[1-2]，其特点是简单、易于实现、精度高，但同时需要动镜的方向信息，适用于动镜倾角不超出±π 的情况。而空间傅里叶光谱仪工作环境要求测量算法同时具有高精度和大范围的测角性能。基于此，设计了基于瞬时激光光功率检测的动态测角算法，其特点是不需要动镜的方向信息，可以在满足精度的同时实现大范围倾角检测。本文介绍了这种测角算法的原理，关键技术环节以及实验结果。

　　1 测角原理

　　空间傅里叶光谱仪采用激光参考光路来实现对动镜速度和倾角的实时测量。图 1 为空间傅里叶光谱仪激光参考光路示意图。激光信号经过线偏振器后变为与竖直方向成 π/4 的线偏振光，线偏振光到达分束器时被分成近似等光强的两束，经动镜反射的一束光仍保持原来的偏振方向，经定镜反射的光束，两次经过λ/8 波片，成为一个圆偏振光。光路中的渥拉斯顿棱镜把两个垂直方向的振动分开，具有相同偏振方向的分量之间发生干涉，产生了相位差 π/2 的两路干涉信号。采用两个十字正交分布的五元激光探测器D1和D2分别对两路信号探测，五元探测器的平面结构见图1。

式中：α 为动镜的倾角，M(α)是激光信号干涉调制度随倾角变化的函数[3-4]，Δθ(α)为倾角变化引起的信号相位的变化[5-6]，其中中心探测元为倾斜中心，因此Δθ(α)为 a 相对于中心探测元的相位变化。仪器在工作过程中，动镜采取往复扫描工作模式，存在加速，匀速，减速等状态，因此式(3)、(4)中的交流部分信号频率 f 为一变化量，与信号调制度 M(α)的变化率，动镜倾角Δθ(α)的变化率和位移 x(t)的变化率有关，因此光功率被探测器转化为电信号并通过放大和滤波电路后表达式变为

　　2 测角实现过程

　　在算法实现过程中，光学噪声和电路噪声会影响算法实现的效果，需要对算法进行优化。同时光机结构存在误差，也要求算法做出相应的调整：

　　1) 直流分量和归一化参数的实时获取。由测角原理可知，测角算法的实现精度能否达到要求，直流分量和归一化参数的获取精度非常关键。动镜在运动过程中存在倾角，即动镜对激光信号非垂直反射，会引起来自动镜的激光光束在探测器上晃动，由于激光光斑的非理想均匀，导致式(5)、(6)、(7)、(8)中的 Ima、Ima′、Imb、Imb′会随动镜的运动而变化，变化的程度跟动镜的倾斜程度和激光光斑的不均匀度相关。M(α)随着倾角α的变化而变化。f 会随着动镜的速度变化而变化，变化范围跟动镜的速度范围相关，同时与 Δθ (α )变化相关，其中主要相关量为动镜的运动速度。因此 H(f)与动镜的速度和倾角变化相关。通过以上分析，我们可以知道式(5)、(6)、(7)、(8)中的直流分量和交流分量的幅值都是随时间变化的量。因此，直流分量和归一化参数需要采用实时获取的方法得到，由于直流分量和归一化参数相对于测量控制算法是一个慢变化量，因此在实时测量控制时，可以采用上一周期信号的直流分量和信号幅值作为数字直流滤波和归一化的参数。