非連續(xù)大氣偏振觀測精密控制系統(tǒng)設計

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)設計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的測量，并采用PID控制策略，對觀測系統(tǒng)的位置和速度實現(xiàn)了高精度雙閉環(huán)控制，并進行了相關實驗驗證，結果表明，該精密控制系統(tǒng)運行位置伺服精度在0.002 °范圍內，滿足大氣偏振觀測系統(tǒng)定位測量要求。

關鍵詞：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：TP273 文獻標識碼：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，大氣偏振效應要強于地表目標的偏振效應，這將影響星載遙感器無法準確接收到地表目標的偏振信息。經研究發(fā)現(xiàn)天空中存在大氣效應為零的區(qū)域即大氣偏振中性點，實驗證明該區(qū)域傳感器接收到的反映地表信息的偏振信號比其他區(qū)域強。

研究設計一套非連續(xù)全天空偏振觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以實現(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間的變化，為尋找大氣中性點提供數據支撐；并利用大氣中性點實現(xiàn)地表-大氣信息分離。

本系統(tǒng)主要實現(xiàn)對立體空間精密定位系統(tǒng)的設計，采用位置式高精度角度編碼器作為轉臺位移檢測工具，采用了位置環(huán)和速度環(huán)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實驗結果表明，該精度定位系統(tǒng)運行位置伺服精度<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)內容主要包括外罩與內部觀測系統(tǒng)兩部分，圖1所示。其中大氣偏振觀測系統(tǒng)外罩是一個含有45個觀測孔的密閉外罩，對設備具有防水防腐防蝕作用。內部觀測系統(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準確與觀測區(qū)域重合，定位精度高于0.002 °。

2.2 工作原理

非連續(xù)大氣偏振觀測轉臺結構示意圖，圖2所示。

基本工作過程如下：當觀測天空某位置時，由上位機發(fā)來方位、仰角和相機位置信息，本控制系統(tǒng)解析定位數據并進行相應控制。用方位電機帶動仰角及相機系統(tǒng)（6）和仰角及相機支架做水平方位360度旋轉，定位到指定方位；用仰角電機帶動仰角及相機系統(tǒng)（6）圍繞仰角電機（7）的軸芯做旋轉，即做仰角控制，定位到指定仰角，讓相應偏振片3、4、5對準外罩的孔位。當偏振片與外罩的孔位對準后，調整相機對準相應的偏振片位置即可進行指定天空位置的偏振數據觀測。endprint