非连续大气偏振观测精密控制系统设计

李启丙+王洪

摘 要：为观测大气中性区域的偏振特性，获取大气偏振STOKES参量，为大气偏振观测系统设计了一种高精度精确定位观测控制系统。该系统利用位置式高精度角度编码器，实现对大气观测系统的位置高精度测量，通过对观测系统的方位与俯仰控制对象传递函数的测量，并采用PID控制策略，对观测系统的位置和速度实现了高精度双闭环控制，并进行了相关实验验证，结果表明，该精密控制系统运行位置伺服精度在0.002 °范围内，满足大气偏振观测系统定位测量要求。

关键词：偏振观测；高精度伺服控制；角度编码器；闭环控制

中图分类号：TP273 文献标识码：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

偏振成像遥感对地观测中，大气偏振效应要强于地表目标的偏振效应，这将影响星载遥感器无法准确接收到地表目标的偏振信息。经研究发现天空中存在大气效应为零的区域即大气偏振中性点，实验证明该区域传感器接收到的反映地表信息的偏振信號比其他区域强。

研究设计一套非连续全天空偏振观测系统，该系统以实现全天空的非连续偏振模式观测，获取天空偏振模式随时间的变化，为寻找大气中性点提供数据支撑；并利用大气中性点实现地表-大气信息分离。

本系统主要实现对立体空间精密定位系统的设计，采用位置式高精度角度编码器作为转台位移检测工具，采用了位置环和速度环共同组成闭环控制系统。实验结果表明，该精度定位系统运行位置伺服精度<0.002 °，满足大气偏振观测系统的伺服精度要求。

2 大气偏振观测的基本原理

2.1 系统组成

大气偏振观测系统研发内容主要包括外罩与内部观测系统两部分，图1所示。其中大气偏振观测系统外罩是一个含有45个观测孔的密闭外罩，对设备具有防水防腐防蚀作用。内部观测系统具有多光谱观测覆盖能力，分440 nm， 550 nm， 670 nm三个检测波段，覆盖范围400～700 nm。观测系统能够在被观测空间内准确与观测区域重合，定位精度高于0.002 °。

2.2 工作原理

非连续大气偏振观测转台结构示意图，图2所示。

基本工作过程如下：当观测天空某位置时，由上位机发来方位、仰角和相机位置信息，本控制系统解析定位数据并进行相应控制。用方位电机带动仰角及相机系统（6）和仰角及相机支架做水平方位360度旋转，定位到指定方位；用仰角电机带动仰角及相机系统（6）围绕仰角电机（7）的轴芯做旋转，即做仰角控制，定位到指定仰角，让相应偏振片3、4、5对准外罩的孔位。当偏振片与外罩的孔位对准后，调整相机对准相应的偏振片位置即可进行指定天空位置的偏振数据观测。endprint