指向摆镜的精度分析

　　0　引言

　　光谱成像技术(Imaging Spectrometry)是一类新型的多维信息获取技术,它能够得到被探测目标的空间信息和光谱信息,形成数据立方体(Datacube)[1].与几何成像仪相比,由于光谱成像仪在获得目标图像的同时,还能够得到空间可分辨单元的光谱特征[2],因此,光谱成像仪能够获得更多的信息.光谱成像仪在农作物估产、自然灾害监测和生态环境探测中发挥了重要作用.光谱成像仪在进行遥感探测时,除了要求具有较高的光谱分辨率和空间分辨率外,探测范围(即幅宽)也是光谱成像仪的重要而又实用的指标[3].为了扩大探测范围,往往采用扫描镜(Scanner Mirror)装置[4]或摆镜装置[5],前者可以实现对幅宽的连续扫描,后者具有指向功能,可以定向观察仪器本身视场以外的某些区域.

　　本文讨论的指向摆镜(Point Mirror)安装在光谱成像仪主光学系统的前端,实现光谱成像仪±30°范围侧视功能以及定标光路引入功能.

　　1　指向摆镜的构成和原理

　　指向摆镜组件主要包括遮光罩、支撑轴系、反射镜组件、蜗轮蜗杆组件、14位编码器测角装置以及步进电机驱动装置,其结构如图1.

　　在星上工作时,指向摆镜的初始位置为星下点位置,即指向摆镜与主光学系统光轴的夹角为45°.当卫星发出指令,步进电机带动蜗杆旋转,通过蜗轮蜗杆间的啮合作用,指向摆镜绕轴摆动±15°,可以实现超光谱成像仪的±30°范围侧视功能,当指向摆镜由星下点位置逆时针转动90°到达定标位置后,将定标光路引入主光学系统,进行超光谱成像仪的相对光谱定标.

　　2　指向摆镜的误差来源

　　2.1　指向摆镜的转角误差

　　转角误差是指向摆镜的运动结构所产生的摆镜指向与理论值之间的偏离.转角误差的来源主要由步进电机的步距角误差、蜗轮蜗杆的传动误差、摆镜轴系误差以及编码器的读数误差等.

　　2.2　指向摆镜的定位误差

　　反射镜在装入镜框时产生的装调误差主要有两种来源:1)反射镜相对理论位置存在向前或者向后的平移;2)反射镜镜面与理论镜面位置存在夹角,即反射镜存在侧倾.上述两种误差产生的影响,使得地球表面采样点发生偏移,入射光不能完全充满视场.

　　3　指向摆镜的准确度分析

　　根据误差来源,分别对指向摆镜的转角和安装准确度进行分析.为方便分析,光谱成像仪地元分辨率100 m覆盖范围的允许误差定为δ=100 m.

　　3.1　指向摆镜的转角准确度

　　当指向摆镜存在转角误差时,如图2,理想状况下,指向摆镜与主光学系统光轴的夹角为θ,有一微小偏角ε,地面观测误差为δ,理想情况下,主光线与H的夹角为2θ-90°;有偏角ε时,经反射镜后主光线与H的夹角为2θ+2ε-90°,因此,可以得出