非連續(xù)大氣偏振觀測精密控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李啟丙+王洪

摘 要：為觀測大氣中性區(qū)域的偏振特性，獲取大氣偏振STOKES參量，為大氣偏振觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種高精度精確定位觀測控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用位置式高精度角度編碼器，實(shí)現(xiàn)對大氣觀測系統(tǒng)的位置高精度測量，通過對觀測系統(tǒng)的方位與俯仰控制對象傳遞函數(shù)的測量，并采用PID控制策略，對觀測系統(tǒng)的位置和速度實(shí)現(xiàn)了高精度雙閉環(huán)控制，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，該精密控制系統(tǒng)運(yùn)行位置伺服精度在0.002 °范圍內(nèi)，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)定位測量要求。

關(guān)鍵詞：偏振觀測；高精度伺服控制；角度編碼器；閉環(huán)控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Non-continuous Observation of Atmospheric Polarization Precision Control System Design

LI Qi-bing1，WANG Hong2

（1.Sichuan Institute of Architectural Technology，Deyang，Sichuan 618000，China

2.Sichuan Normal University，Chengdu，Sichuan 618000，China）

Abstract：In order to observe the polarization properties of the neutral region of the atmosphere and to obtain the STOKES parameters of the atmospheric polarization， a high precision and accurate positioning observation control system is designed for the atmospheric polarization observation system.The system using position type high precision angle encoder， the implementation of the atmospheric observing system location of high precision measurement， observation system of azimuth and elevation control object by means of transfer function measurement， and uses the classical PID control strategy， the position and the velocity of observation system realizes the double closed-loop control of high precision， and validated by some experiments， the results show that， the precision control system running position servo accuracy in the range of 0.002°， can meet the requirements of the atmospheric polarization observations of orientation measurement system.

Key words：polarization observation；high precision servo control；angle encoder；closed-loop control

1 引 言

偏振成像遙感對地觀測中，大氣偏振效應(yīng)要強(qiáng)于地表目標(biāo)的偏振效應(yīng)，這將影響星載遙感器無法準(zhǔn)確接收到地表目標(biāo)的偏振信息。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)天空中存在大氣效應(yīng)為零的區(qū)域即大氣偏振中性點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明該區(qū)域傳感器接收到的反映地表信息的偏振信號(hào)比其他區(qū)域強(qiáng)。

研究設(shè)計(jì)一套非連續(xù)全天空偏振觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)全天空的非連續(xù)偏振模式觀測，獲取天空偏振模式隨時(shí)間的變化，為尋找大氣中性點(diǎn)提供數(shù)據(jù)支撐；并利用大氣中性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地表-大氣信息分離。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對立體空間精密定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺(tái)位移檢測工具，采用了位置環(huán)和速度環(huán)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該精度定位系統(tǒng)運(yùn)行位置伺服精度<0.002 °，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)的伺服精度要求。

2 大氣偏振觀測的基本原理

2.1 系統(tǒng)組成

大氣偏振觀測系統(tǒng)研發(fā)內(nèi)容主要包括外罩與內(nèi)部觀測系統(tǒng)兩部分，圖1所示。其中大氣偏振觀測系統(tǒng)外罩是一個(gè)含有45個(gè)觀測孔的密閉外罩，對設(shè)備具有防水防腐防蝕作用。內(nèi)部觀測系統(tǒng)具有多光譜觀測覆蓋能力，分440 nm， 550 nm， 670 nm三個(gè)檢測波段，覆蓋范圍400～700 nm。觀測系統(tǒng)能夠在被觀測空間內(nèi)準(zhǔn)確與觀測區(qū)域重合，定位精度高于0.002 °。

2.2 工作原理

非連續(xù)大氣偏振觀測轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2所示。

基本工作過程如下：當(dāng)觀測天空某位置時(shí)，由上位機(jī)發(fā)來方位、仰角和相機(jī)位置信息，本控制系統(tǒng)解析定位數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)控制。用方位電機(jī)帶動(dòng)仰角及相機(jī)系統(tǒng)（6）和仰角及相機(jī)支架做水平方位360度旋轉(zhuǎn)，定位到指定方位；用仰角電機(jī)帶動(dòng)仰角及相機(jī)系統(tǒng)（6）圍繞仰角電機(jī)（7）的軸芯做旋轉(zhuǎn)，即做仰角控制，定位到指定仰角，讓相應(yīng)偏振片3、4、5對準(zhǔn)外罩的孔位。當(dāng)偏振片與外罩的孔位對準(zhǔn)后，調(diào)整相機(jī)對準(zhǔn)相應(yīng)的偏振片位置即可進(jìn)行指定天空位置的偏振數(shù)據(jù)觀測。endprint