一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统技术方案

本发明专利技术提出了一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统。利用半导体激光器发出激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统后随摆臂运动形成光程差，从而产生P光和S光两路正交的干涉条纹，被激光探测器感知后经光电转换生成微弱正弦信号，将其放大至伏级后再过零检测生成正交A/B脉冲，作为干涉仪摆臂运动控制的位置反馈；然后设计数字控制器规划运动曲线，用高精度闭环控制算法计算控制量，功率放大后驱动音圈电机带动摆臂做等光程差运动。本发明专利技术可用于干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂控制，速度稳定度优于0.4％，还可根据串行指令切换扫描速度、修正零位偏置，并为成像电路提供等位置间隔的采样脉冲用于触发曝光。

Swing arm movement control system of interference type Fu Liye transform spectrometer

The invention provides an oscillating arm movement control system of an interference type Fu Liye transform spectrometer. A laser beam using semiconductor laser, optical system into Fu Liye transform spectrometer with arm movement of the optical path difference formed to produce interference fringes of P light and S light by two orthogonal, laser detector perceived by photoelectric conversion to generate weak sinusoidal signal, put it to the volt level after the zero crossing detection to generate orthogonal A/B pulse and as the interferometer arm motion control of position feedback controller design and planning; motion curve figures, calculated the control quantity with high precision closed loop control algorithm, power amplification to drive voice coil motor drives the swing arm to do optical path difference movement. The invention can be used for interferometric Fu Liye transform spectrometer swing arm control, speed stability is better than 0.4%, also can be modified according to the zero bias scanning speed, the serial command switch, and provide imaging circuit position interval sampling pulse is used to trigger exposure.

【技术实现步骤摘要】
一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统
本专利技术属于空间遥感光谱探测领域，涉及一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统。
技术介绍
光谱探测仪用于在轨遥感探测温室气体分布，是当前大气遥感中的一个重要领域和发展方向。目前在ENVISAT-1上的SCIAMACHY、MIPAS，AURA上的TES、AQUA上AIRS、Terra上的MOPPIT以及METOP-A上IASI等都具有一定的温室气体探测能力。但完全以温室气体为探测目标的载荷到目前为止有：美国的OCO和日本GOSAT上的TANSO。其中OCO由于发射失败，未能进入A-Train队列进行在轨观测。当前只有日本GOSAT上的TANSO在轨正常运行。在2009年12月的AGU年会上，日本GOSAT团队发布了TANSO在轨观测和反演分析数据，并于2010年春开始向全球相应研究机构提供数据产品。干涉型傅立叶变换光谱仪具有信噪比高、光谱分辨率不受谱段范围限制、光谱位置稳定等优势，其核心是需要解决摆臂非线性往复摆动问题，在焦面投影方向上实现严格的等光程差运动，才能实现对输入光束进行动态干涉调制，输出干涉光信号和等光程差的采样脉冲等信号；干涉图信号被采集并数字化后，通过逆傅立叶变换计算就可以复原出被测光谱信息。目前国内尚无科研院所研发成功干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，国外仅有加拿大ABB公司的ACE卫星有类似控制系统成功运行，但其精度尚不能满足当前更高的任务需求。
技术实现思路
：本专利技术解决的技术问题是：本专利技术构建了一套干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，能够驱动干涉型光谱仪摆臂在焦面投影方向上实现严格的等光程差运动，从而实现光谱探测仪入射光束的动态干涉调制，同时还为红外信号处理器提供等位置间隔采样脉冲。本专利技术的技术方案是：一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，包括半导体激光器、激光探测器1、激光探测器2、微弱信号放大电路、移相电路、过零检测电路、可逆计数器电路、角速度计算模块、规划运动曲线模块、数字控制器、电机驱动电路、地面检测设备；半导体激光器发出激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统后分为两路，分别为P光和S光。激光探测器1、激光探测器2接收P光和S光，分别对P光和S光进行光电转换，生成两路正交的干涉信号，分别为正弦电信号和余弦电信号送至微弱信号放大电路，正弦电信号和余弦电信号为毫伏级；微弱信号放大电路对正弦电信号和余弦电信号进行放大，将毫伏级信号放大至伏级送至移相电路；移相电路将放大后的正弦电信号和余弦电信号相位调整到相差90°后，作为相移电路的输出送至过零检测电路；过零检测电路，将移相电路输出的正弦电信号和余弦电信号均变为A脉冲和B脉冲，A脉冲和B脉冲相位相差90°，将A脉冲和B脉冲送至可逆计数器电路；可逆计数器电路，能够检测出A脉冲和B脉冲的相位关系及A脉冲的上升沿，在摆臂往复运动时，对A脉冲的上升沿数量进行加减计数；将计数结果作为摆臂实时位置送至角速度计算模块和数字控制器；角速度计算模块，对输入的摆臂实时位置进行微分运算，得到摆臂的角速度送至数字控制器；地面检测设备，能够发送摆臂运动模式指令，包括：速度切换指令和修零偏指令，将摆臂运动模式指令送至规划运动曲线模块；速度切换指令能够改变摆臂运动速度；修零偏指令能够改变摆臂运动的机械零位位置；规划运动曲线模块，根据摆臂运动模式指令，确定摆臂位置随时间变化的曲线，将该曲线送至数字控制器；数字控制器，根据可逆计数器电路输出的摆臂实时位置、角速度计算模块输出的摆臂角速度和规划运动曲线，确定音圈电机的控制量，该控制量为PWM信号，送至电机驱动电路；电机驱动电路，将数字控制器输出的PWM信号进行功率放大后送至音圈电机，控制音圈电机带动摆臂转动。本专利技术与现有技术相比具有如下优点：本专利技术利用半导体激光器发出激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统后随摆臂运动形成光程差，从而产生P光和S光两路正交的干涉条纹，干涉条纹被激光探测器感知后经光电转换生成微弱正弦信号，将其放大至伏级后再过零检测生成正交A/B脉冲；将A/B脉冲鉴相并进行可逆计数，作为干涉仪摆臂运动控制的位置反馈；然后设计数字控制器规划运动曲线，采集实时位置，用高精度闭环控制算法计算控制量，功率放大后驱动音圈电机带动摆臂做等光程差运动。本专利技术采用的高精度闭环控制算法包括位置闭环、速度闭环，具有较高的鲁棒性，能够抵抗各类突发干扰；摆臂运动速度不稳定度小于0.4％，优于国外同类产品4个百分点。同时，本控制系统还具备串行指令接收接口，根据指令切换扫描速度，可用于变积分时间的探测系统；还能根据指令修正零偏，将摆臂运动机械零位与干涉图零光程差处修正为一致；此外，本控制系统还可以为成像电路提供等位置间隔的采样脉冲，用于触发曝光。附图说明图1为干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统示意图；图2为微弱信号放大电路；图3为移相电路；图4为过零检测电路；图5为过零检测电路将正弦信号变为方波信号的阈值设置；图6为规划的摆臂运动曲线；图7为调头信号及采样脉冲产生时序；图8为本专利技术的摆臂速度不稳定度测试结果。具体实施方式：本专利技术的基本思路为：提出了一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统。利用半导体激光器发出激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统后随摆臂运动形成光程差，从而产生P光和S光两路正交的干涉条纹，被激光探测器感知后经光电转换生成微弱正弦信号，将其放大至伏级后再过零检测生成正交A/B脉冲，作为干涉仪摆臂运动控制的位置反馈；然后设计数字控制器规划运动曲线，用高精度闭环控制算法计算控制量，功率放大后驱动音圈电机带动摆臂做等光程差运动。本专利技术可用于干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂控制，速度稳定度优于0.4％，还可根据串行指令切换扫描速度、修正零位偏置，并为成像电路提供等位置间隔的采样脉冲用于触发曝光。本专利技术提出的一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，下面结合附图对本专利技术做进一步介绍。干涉型傅立叶变换光谱仪，包括摆臂、角镜1、角镜2、分束器、音圈电机、挠性支撑、基座、入射反射镜、出射反射镜、分光棱镜；摆臂为L型，两个角镜分别固定在摆臂两端，挠性支撑为X型，挠性支撑位于摆臂的拐弯处内侧，基座通过挠性支撑与摆臂连接，挠性支撑能够带动摆臂绕基座转动；分束器与基座固定，分束器位于角镜1和角镜2之间，半导体激光器发出的激光经入射反射镜、分束器、角镜1、角镜2、出射反射镜、分光棱镜后，将光束分为两路正交的偏振光，分别记作P光和S光，分别送至外部激光探测器1和激光探测器2(本专利技术中的激光探测器1和激光探测器2)，音圈电机位于摆臂的拐弯处外侧，能够带动摆臂绕基座转动。如图1所示，本专利技术的干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统由半导体激光器、激光探测器1、激光探测器2、微弱信号放大电路、移相电路、过零检测电路、可逆计数器电路、角速度计算模块、规划运动曲线模块、数字控制器、电机驱动电路、地面检测设备组成。半导体激光器负责产生激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统，经过入射反射镜、角镜1、角镜2、分束器、出射反射镜、分光棱镜后进入激光探测器；当摆臂运动时，带动角镜往复摆动，即可使两路同源激光到达激光探测器焦面时产生光程差；分光棱镜将激光光束分为两路正交的偏振光，分别记为P光和S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，其特征在于包括：半导体激光器、激光探测器1、激光探测器2、微弱信号放大电路、移相电路、过零检测电路、可逆计数器电路、角速度计算模块、规划运动曲线模块、数字控制器、电机驱动电路、地面检测设备；半导体激光器发出激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统后分为两路，分别为P光和S光。激光探测器1、激光探测器2接收P光和S光，分别对P光和S光进行光电转换，生成两路正交的干涉信号，分别为正弦电信号和余弦电信号送至微弱信号放大电路，正弦电信号和余弦电信号为毫伏级；微弱信号放大电路对正弦电信号和余弦电信号进行放大，将毫伏级信号放大至伏级送至移相电路；移相电路将放大后的正弦电信号和余弦电信号相位调整到相差90°后，作为相移电路的输出送至过零检测电路；过零检测电路，将移相电路输出的正弦电信号和余弦电信号均变为方波电信号1和方波电信号1，方波电信号1和方波电信号2相位相差90°，记作A脉冲和B脉冲。将A脉冲和B脉冲送至可逆计数器电路；可逆计数器电路，能够检测出A脉冲和B脉冲的相位关系及A脉冲的上升沿，在摆臂往复运动时，对A脉冲的上升沿数量进行加减计数；将计数结果作为摆臂实时位置送至角速度计算模块和数字控制器；角速度计算模块，对输入的摆臂实时位置进行微分运算，得到摆臂的角速度送至数字控制器；地面检测设备，能够发送摆臂运动模式指令，包括：速度切换指令和修零偏指令，将摆臂运动模式指令送至规划运动曲线模块；速度切换指令能够改变摆臂运动速度；修零偏指令能够改变摆臂运动的机械零位位置；规划运动曲线模块，根据摆臂运动模式指令，确定摆臂位置随时间变化的曲线，将该曲线送至数字控制器；数字控制器，根据可逆计数器电路输出的摆臂实时位置、角速度计算模块输出的摆臂角速度和规划运动曲线，确定音圈电机的控制量，该控制量为PWM信号，送至电机驱动电路；电机驱动电路，将数字控制器输出的PWM信号进行功率放大后送至音圈电机，控制音圈电机带动摆臂转动。...

【技术特征摘要】
1.一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，其特征在于包括：半导体激光器、激光探测器1、激光探测器2、微弱信号放大电路、移相电路、过零检测电路、可逆计数器电路、角速度计算模块、规划运动曲线模块、数字控制器、电机驱动电路、地面检测设备；半导体激光器发出激光光束，进入傅立叶变换光谱仪光学系统后分为两路，分别为P光和S光。激光探测器1、激光探测器2接收P光和S光，分别对P光和S光进行光电转换，生成两路正交的干涉信号，分别为正弦电信号和余弦电信号送至微弱信号放大电路，正弦电信号和余弦电信号为毫伏级；微弱信号放大电路对正弦电信号和余弦电信号进行放大，将毫伏级信号放大至伏级送至移相电路；移相电路将放大后的正弦电信号和余弦电信号相位调整到相差90°后，作为相移电路的输出送至过零检测电路；过零检测电路，将移相电路输出的正弦电信号和余弦电信号均变为方波电信号1和方波电信号1，方波电信号1和方波电信号2相位相差90°，记作A脉冲和B脉冲。将A脉冲和B脉冲送至可逆计数器电路；可逆计数器电路，能够检测出A脉冲和B脉冲的相位关系及A脉冲的上升沿，在摆臂往复运动时，对A脉冲的上升沿数量进行加减计数；将计数结果作为摆臂实时位置送至角速度计算模块和数字控制器；角速度计算模块，对输入的摆臂实时位置进行微分运算，得到摆臂的角速度送至数字控制器；地面检测设备，能够发送摆臂运动模式指令，包括：速度切换指令和修零偏指令，将摆臂运动模式指令送至规划运动曲线模块；速度切换指令能够改变摆臂运动速度；修零偏指令能够改变摆臂运动的机械零位位置；规划运动曲线模块，根据摆臂运动模式指令，确定摆臂位置随时间变化的曲线，将该曲线送至数字控制器；数字控制器，根据可逆计数器电路输出的摆臂实时位置、角速度计算模块输出的摆臂角速度和规划运动曲线，确定音圈电机的控制量，该控制量为PWM信号，送至电机驱动电路；电机驱动电路，将数字控制器输出的PWM信号进行功率放大后送至音圈电机，控制音圈电机带动摆臂转动。2.根据权利要求1所述的一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，其特征在于：微弱信号放大电路包括运算放大器、电阻R1、电阻R2、电容C1。外部激光探测器负端接地，正端送给运算放大器LF156的输入负端作为微弱信号放大电路的输入端，运算放大器LF156的输入正端连接电阻R1的一端。电阻R1的另一端接地；电阻R2和电容C1并联网络的一端接运算放大器LF156的输入负端，另一端接运算放大器的输出端；运算放大器的输出端作为微弱信号放大电路的输出端，运算放大器LF156的电源端接电源VCC，运算放大器LF156的接地端接地；微弱信号放大电路计算公式为：微弱信号放大电路的输出端Vout＝Iin*R2公式(1)式中，Iin为激光探测器输出电流。3.根据权利要求1所述的一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，其特征在于：移相电路，包括运算放大器、可调电阻R4、电阻R3、电阻R5、电容C2；可调电阻R4的一端作为移相电路的输入，可调电阻R4的另一端连接电容C2的一端和运算放大器OP27的输入正端；电阻R3的一端连接移相电路的输入，电阻R3的另一端连接运算放大器OP27的输入负端和电阻R5的一端，R5的另一端连接运算放大器OP27的输出端，运算放大器OP27的输出端作为移相电路的输出端；电容C2的另一端连接地，运算放大器OP27的电源端接电源VCC，运算放大器OP27的接地端接地。通过调节可调电阻R4的阻值，改变输入信号的相位，将正弦电信号和余弦电信号，即sin信号与cos信号相位差调节至90度，R4的阻值调节量根据实际情况确定。4.根据权利要求1所述的一种干涉型傅立叶变换光谱仪摆臂运动控制系统，其特征在于：过零检测电路，包括比较器、电阻R6、可调电阻R7、电阻R8；比较器LM139的正端作为过零检测电路的输入，比较器LM139的负端连接电阻R6的一端和可调电阻R7的一端，电阻R6的另一端连接电源VCC，可调电阻R7的...

【专利技术属性】
技术研发人员：康建兵，李寅龙，李婧，宋莉，黄刚，郝中洋，崔辰鹏，徐彭梅，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11