成像光谱仪运动补偿扫描镜的研制

　　1　引　言

　　扫描镜是空间光学遥感器的关键部件之一，常用于对地扫描成像、对地物进行运动补偿、扩大视场范围、引入定标源等场合[1]。为了获取高质量的图像，遥感器通常对扫描镜的位置精度和速度精度提出了很高的要求。例如全球臭氧监测实验仪器(GOME)的角速度误差为1 mrad/s[2]，EOS-TERRA卫星上的中分辨率成像光谱仪(MODIS)角速度误差为±2.1 mrad/s[3]，ADOES-II卫星上的扫描装置的方位轴转速误差为±0.015(°)/s[4]。

　　某高光谱成像仪中的扫描镜主要用于对地物进行运动补偿，以降低对探测器高帧频的要求，另外还用于星上定标时引入定标源。在运动补偿过程中，扫描镜始终处于加速-低变速-减速的状态，补偿完毕后要求扫描镜以最快速度返回初始位置，准备下一次拍摄任务[5]。在整个过程中扫描镜需要按照预先设定的角度-速度曲线运动，位置误差和速度波动都会造成图像的模糊不清。在星上定标时要求扫描镜具有一定的定位精度，保证开启定标灯时，定标灯光线能顺利到达光谱仪焦面。

　　本文基于光、机、电一体化的设计思想、研制了结构紧凑、质量轻、定位精度高、速度稳定性好的扫描镜。采用了新颖的驱动模块作为动力源，实现了严格体积重量限制下的大扭矩输出和精确定位。通过选用铁镍合金材料和合理设计支撑保证了扫描镜支撑结构具有良好的环境适应性。研制了一套基于P4级轴承的精密轴系，将驱动模块与扫描镜支撑结构联接起来，从而实现扫描镜高精度的低变速平稳运行。试验结果证明，该扫描镜达到了成像仪总体提出的各项指标要求，能够满足高质量的成像要求。

　　2　扫描镜控制方案

　　2.1　扫描镜性能指标要求

　　扫描镜作为研制某型高光谱成像仪的关键技术之一，它的性能指标要求富有挑战性。首先，为了顺利引入定标源，要求其定位精度优于1′，在工作速度范围内(0.1～0.8(°)/s)速度精度优于7%;其次，在工作角度范围(25°)内，要求轴系径向跳动误差小于2μm;最后，作为星上载荷，扫描镜机构有严格的质量限制，要求整机质量小于11kg。

　　2.2　驱动控制方案选择

　　为了保证扫描镜同时具有高的定位精度和速度精度，考虑了两种常见的空间活动机构驱动方案：方案一是通过有限转角直流无刷力矩电机直接驱动扫描镜，采用高精度的光电编码器或感应同步器进行位置反馈和速度反馈(数值差分)，构成二环或三环闭环控制系统;方案二由精密步进电机、大速比减速器和位置传感器组成，实现位置闭环控制，通过调节发送给步进电机脉冲的频率来达到控制速度的目的。前一种方案机构元件少，传动精度高，但是传感器尺寸和质量大，控制调试困难;而后一种方案体积和质量小、可靠性高、机械自锁，但是结构复杂，对步进电机性能要求较高。考虑到质量限制和研制周期短等因素，选择了第二种方案作为最终的驱动方案[6]。