扫描镜装配的多光谱扫描偏振计Aerosol-UA太空任务

文摘

摘要空间实验Aerosol-UA扫描的扫描镜装配旋光计(ScanPol)。乌克兰的太空任务Aerosol-UA的目的是创建一个数据库的气溶胶的光学特性和云粒子在地球大气层在很长一段时间。气溶胶的光学特性和云粒子来自multiangular测量。Multiangular扫描ScanPol扫描镜装配提供的,它包含被动电动机转矩补偿器和两个扫描镜,安装在电机的轴。扫描镜装配的控制系统使连续扫描以一个恒定的速度空间进行调查。这个控制系统允许的运动轨道卫星和保留的空间位置不变性。的偏振计ScanPol旨在获取空间,时间,spectral-polarimetric同时测量仪器的影响降到最低,“false”偏振由于场景运动。仪器极化,介绍了扫描镜的装配,通过偏振补偿two-mirror最小化方案包含两个镜子正交平面的发病率。本文的偏振模式偏振补偿两个扫描镜子被认为是。理论计算得到证实的最大允许误差的相对角位置的镜子是15弧分(0.25°),和调整的方法和控制提出了角位置的镜子。 The polarization properties of mirrors are modelled in the spectral range of 370–1680 nm for bulk oxide-free aluminum. It is obtained that the maximum instrumental polarization of the unadjusted mirror system should be observed at 865 nm, and thus, the polarization characteristics of the scanning system at a given wavelength could be considered as representative for ScanPol in general. The key steps for assembling the unit are illustrated.

1。介绍

地球的大气中气溶胶粒子的影响气候,许多估计,可以与温室气体效应的大小。在未来的几年中,许多偏振空间实验来研究地球的大气中气溶胶计划(1,2]。

提出了科学的空间项目Aerosol-UA主要天文台的乌克兰国家科学院。主要目标是测量详细的物理特性和估计自然和人为气溶胶的化学成分的微卫星多光谱扫描photometer-polarimeter (ScanPol) [3)和多光谱成像偏振计(MSIP) [4]。

ScanPol的重要组件之一是扫描镜装配(SMA),它允许multiangular扫描的阳光散落的底层表面。ScanPol还包含多光谱偏振状态分析仪和校准单位。多光谱偏振状态分析仪用于测量和注册的光度和极化参数的光学辐射的光谱范围370 - 1680纳米,而校准单位任务期间保持测量精度。ScanPol的可操作性提供的基本电子模块。

本文设计的SMA的细节ScanPol。SMA镜像系统的关键元素的特征方法的理论偏振参数估计和调整的方法和控制角位置的镜子。表征SMA也显示。ScanPol组成部分中描述的很快2与活性转矩补偿器,一个电动马达的特点给出了部分3两个镜像系统,介绍了部分4其次是讨论和总结部分5和6,分别。

2。目的和组成

的SMA ScanPol由两个扫描镜的偏振补偿(TSM)(图1)安装在电机的轴(图2)。旋转的频率大约40 rpm, TSM提供同时扫描的阳光,被底层表面的散射角+ 50°−60°相对于最低点,导演多光谱偏振状态的输入学生分析仪(5]。光区域的大小的镜子为辐射的传播提供了一个光束直径至少60毫米,无渐晕(图1)。

SMA的维度和质量特征如下:光入口和出口直径窗口:58毫米;最大直径:212毫米;长度:142毫米;和体重:2.5公斤。

3所示。电动马达

电动马达提供连续的旋转TSM在地球轨道卫星的运动。电动机控制系统的主要需求是稳定的速度旋转和卫星的空间位置不变。电动马达的操作可分为三种主要模式:加速转子惯性载荷所需的速度,与稳定的恒定转速旋转,制动控制。

根据牛顿第三定律,产生的转矩电动机应用于电动机转子和定子(活性扭矩),然后到定子安装卫星的身体。卫星的反扭矩旋转方向相反的旋转转子与加速度成反比的值对应的轴向惯性矩的卫星。很可能反应的时刻,尤其是在转子加速度的动态模式,将超过目前由卫星定位系统,这将导致不可接受的变化的空间位置。这种现象的概率是最高的在毫微卫星,迷你,microclasses定位系统的有限能力(6]。为了避免的负面后果的行为反应,不添加加载卫星定位系统,有必要补偿无功的时刻由旋转电机。

的电动马达ScanPol开发研究所的乌克兰国家科学院的电动力学。机电系统(7)由行政主要和次要补偿汽车和两个相应的控制系统。主要的和次要的电动马达是基于与无槽无刷永磁盘式机定子与表面贴装转子磁铁。提供放置体积,使用这样的电机结构确保最好的能量,大小,和操作特征的电动汽车和设备作为一个整体(8]。图3示意图显示了电动机和表明其主要部分。主电机的电机轴与转子的磁路,房屋永久磁铁。定子绕组放置在磁铁之间的空间,这是固定在电机住房。它是安装在卫星住房。补偿电机也有类似熔磁路的转子磁体和定子绕组。主要和补偿汽车控制板之间的安装和信号处理系统的增量式传感器镜子被放置的位置。镜子位置传感器由一个金属盘安装在轴与等间距的洞和一组发光二极管和接收器控制董事会。它还执行同步的功能ScanPol和MSIP [4]。一系列的电脉冲的1000脉冲/旋转的电动机(0.36°)上形成一个单独的信号通道在电动机的输出。零脉冲的宽度(参考点)是四次脉冲的宽度,提供关于镜子的角位置的信息。

主电机在角转速的稳定模式工作。因此,它的启动和制动进行顺利,给定的加速度。无功补偿转矩产生的主电机实现通过一个额外的电机与主电机同轴安装,这是在空闲模式和旋转相反的方向。

两电机的旋转部件的运动描述的一般形式由以下方程: 在哪里和是主要的转子角的速度和补偿汽车,分别; 是主要的轴的转动惯量和补偿转子的转动惯量two-mirror单元,分别;主要的是动态的时刻和补偿汽车,分别;电磁力矩是由主要和补偿汽车分别;和是时刻和补偿汽车轴承摩擦的执行官。

从(1),由此可见,无功的补偿转矩的主要汽车提供了平等的条件下的动态时刻马达。的角加速度旋转部件必须比成反比的轴的转动惯量 。

在稳定模式下,当主和补偿汽车达到所需的角速率,其角加速度趋于零。角之间的比例的汽车的速度,这是他们的转动惯量的比值 ,应该保持。

能力不同的参数补偿电动机允许我们实现这些条件可接受的重量和大小。例如,考虑机电系统,是公认的关系 ,,额外的转子的轴向惯性矩是小于25倍的转动惯量的大小的主电机的转子two-mirror单位。因此,反应的负面影响主电机的转矩实现没有显著增加质量和功耗的机载设备的卫星。

在表1,主要的主要技术特点和补偿汽车。

4所示。Two-Mirror系统

4.1。镜子对准的要求

TSM的镜子(图1)改变入射光的偏振。尽量减少仪器光偏振的TSM作为一个整体,一个偏振补偿two-mirror计划(图4使用)。注意仪器光学系统的偏振光线的偏振光学系统的输出为一个未极化的输入。偏振补偿方案(图4)的情况下提供的完整身份镜的光学特征米1,米2,当平行平面光线落在镜子米1,米2在同一角度和光线的入射平面的夹角镜子是90°。当上述条件没有得到满足,也违反了偏振补偿,无报酬的工具性极化将极化的混合输入。不平行度的射线也会违反镜的偏振补偿(图4)[9]。

评估镜子对准精度的影响的方案图4在TSM仪器的水平极化,穆勒矩阵方法。

在穆勒方法中,光束的偏振是由斯托克斯矢量表示年代。光学系统由穆勒表示米矩阵。一个视图的斯托克斯矢量年代在给出一般形式如下方程: 在哪里我,问,U,V斯托克斯参数;我也总强度的光;p光的偏振度;和θ和ε是椭圆形的方位和角度的光偏振椭圆,分别。

遥感经常处理部分或完全线性偏振光。部分或完全的椭圆率角线性偏振光是零(ε= 0°),第四个斯托克斯参数为零(V=0)。因此,斯托克斯矢量采用以下形式: 的参数p意味着线性极化的程度(DoLP)θ是线偏振的方位(AoLP)。穆勒矩阵米连接的输入和输出光偏振光学系统 在哪里是输入和输出光的斯托克斯矢量和米的米勒矩阵光学系统。

来描述TSM的偏振特性(数据1和4),有必要定义其穆勒矩阵。穆勒矩阵的一个理想的金属镜是众所周知的(见,例如,10): 在哪里 投影的复杂的反射系数是电气组件的入射电子束的入射面(p)和它的正交平面上(年代)(图4)。

注意,矩阵(5)写在几何特征,z设在是沿着光传播的方向和指导x -和y预测相互重合是平行的和分别电气组件的光。这个坐标系统是线性的特征几何,因为光的偏振沿x -或y设在这个坐标系统并没有改变其偏振反射的镜子。当旋转周围的入射光的坐标系统z设在一个角α矩阵(5)将 在哪里旋转矩阵:

在正常位置,飞机上的入射光线的镜子米1,米2(图4)是相对旋转的角度90°,所以对于镜子米2 -α= 90°。据穆勒矩阵法,考虑方程(5)- (7),TSM的偏振特性可以被描述为一个矩阵乘积的形式: 在哪里是一般穆勒矩阵两个扫描镜,穆勒矩阵镜子吗米1,的矩阵是镜子吗米2、旋转90°对第一个,这是计算使用(5)。

假设极化特征第一个和第二个镜子的配置(图4从()是相同的,8)可以获得是一个身份对角矩阵比例因子。换句话说,一双镜子(图4在这种情况下将polarization-neutral(即。偏振补偿)。系统的失调镜子会影响偏振补偿。为了简单起见,让修镜子米1,假设光落在它的角我= 45°。第二个镜子的位移相对准确的位置是相对于两个轴的旋转:“轴1”和“轴2”(图5)。这种简化显然是可以接受的,因为镜子的中立系统(图4)将取决于入射光的角度的区别在镜子上米1,米2和角度α他们的飞机之间的发病率。

倾斜的镜子米2轴周围1(图5)与角度的变化相对应α的价值β相对准确的位置α= 90°。倾斜的镜子米2在轴2(图5)对应的入射角的变化的价值γ相对准确的位置我= 45°。镜像系统矩阵的依赖倾斜的镜子米2可以确定使用(8), 在哪里新的复杂的反射系数是镜子吗米2有一些倾斜γ在轴2(图5)。

反射系数的有关入射角和镜子的复杂折射率材料吗 斯奈尔通过菲涅耳方程: 在哪里λ是光的波长,j虚数单位,N₀= 1是空气的折射率,φ折射角。

正如上面是假定的,光线入射角的镜子米1是我= 45°。因为镜子米2这个角是改变我= 45°±γ根据(10)和(11),反射系数不等于为米1。

在SMA、铝镜。计算在(10)和(11),需要替换的折射率为铝。众所周知,铝镜的精确的偏振特性很难模型。事实上,铝镜的折射率强烈取决于(1)涂层工艺特性(11),(2)氧化铝的电影(Al的存在₂O₃镜子上),(3)表面灰尘的存在(10]。因此,分散的信息依赖性铝电影的不同在不同的引用(见,例如,(11- - - - - -15])。我们的论文使用的数据(16基于[]11]。表2和图6展示真实的n(λ)和虚k(λ复杂的折射率)的一部分N(λ)模型的铝镜ScanPol使用的波长。

使用的数据表2与方程(4)和(9)- (11周围的镜子M2),考虑到倾斜轴1和2的范围角度β,γ∈(−1°,1°)相对准确的位置α= 90°和我= 45°,边界估计得到的学位 (图7)和工具性的方位角偏振 (图8),p₀和θ₀分别是,程度和方位线偏振的光在TSM的输入和分别是,程度和方位线偏振的光在TSM的输出。

的p_本月不依赖于p₀,但它是增加而增加β和γ(见图8)。的θ_本月依赖与β和γ增加的价值吗p₀减少从1到0(见图8和9)。图8显示了θ_本月估计在p₀= 0.2。

数据7- - - - - -9显示显著依赖TSM仪器偏振的光波长。它是工具性的价值偏振光谱范围是最大的λ= 865海里。因此,在设置镜像系统的对准精度要求,我们依靠光谱分量λ= 865海里。

声明的最大误差在决定ScanPol光的线偏振度的光谱范围Δp≤0.15%。声明的最大误差在确定方位的线性极化Δθ≤0.2°p₀≥0.2 (17)因为这里Δθ有弱依赖p₀。是预期的p₀> 0.2Δ的依赖θ在p₀将显著增长,从而在这种条件下是没有意义来确定θ另外由于显著的误差。光谱的期望已经确认至少组件λ=865纳米(图9)。

考虑到其他的系统误差来源ScanPol达到限制Δ声明的错误p和Δθ,TSM不应超过的工具性极化

从数据的依赖性7- - - - - -9的光谱分量λ=865海里,可以看出,(12镜子)将得到满足,如果错误设置(图5)不超过0.25°(15弧分)

在更高的值错误TSM镜子的位置或者增加的准确性决定输入光的线偏振角是必要的,有必要调整TSM根据中描述的方法(17]。

4.2。调整的过程

达到的精度15弧分镜安装在TSM和光学试验台是开发一个适当的方法。使用了两个认证标准的角度在板凳上:玻璃立方体表面90°命名控制光学元件(COE)和五棱镜保证返回光束在90°。角度公差的玻璃立方体和五棱镜2弧分。TSM的调整包括以下步骤:步骤1(见图10):预先安装TSM能够绕自己的轴旋转。我们使用的轴电机的结构元素,是固定在调整辅助安装装配。在输入窗口1中,陷害COE安装,提供其沿三个轴倾斜。COE初步安装,这样其表面1是垂直于TSM旋转轴。我们控制它,如下所示。从表面反射的光束1在屏幕上时,必须固定旋转TSM,即。dY= 0。这可以保证表面1是垂直于TSM旋转轴误差为±2弧分。如果不提供这个条件,调整COE使用螺丝,直到dY= 0。接下来,我们控制激光的光束经过窗口的中心1和窗口2和标签P1在屏幕上2。步骤2(见图11):五棱镜放置在TSM面前。它将激光束1×90°屏幕上2。在这一点上,马克P2。标签之间的距离P1,P2是决定在投影X设在。步骤3(见图12):激光2放入定位系统引导光束COE, COE的反射光束的位置是固定的使用标签P3所示。标签P3是任意选择。当我们把TSM旋转90°角,第二激光束反射从第二的COE,将创建一个标签P4所示。如果标签P4与标签一致P3,这意味着我们有旋转TSM 90°±2弧分。步骤4(见图13):镜子1删除,TSM旋转角度90°。控制单元的正确位置,标签P4与标签一致P在步骤3中3得到。标签之间的距离P2,P5在投影X设在决定。如果段P2 -P5 =段P1 -P2,在步骤2中定义,镜子2安装在TSM一个角度90°。否则,必须调整镜子2。第五步(见图14):把镜子1和TSM在旋转一个角度90°。旋转的角度是利用激光的光束控制2,从表面反射的COE,必须与标签一致P4在屏幕上2。

我们解决标签的位置P6激光光束的1 2(图在屏幕上14),它通过TSM。在镜子的确切角2相对于镜子1,等于90°,从激光1点必须放在一行沿Y设在,通过标签P5、必须在远处的镜子1和2之间的基地中心指定的标签。如果不满足此条件,我们调整镜子2。

TSM和屏幕之间的距离2是5米。屏幕上的标签位置误差和校准≤3毫米,这给了一个错误的视角< 2弧分。步骤的总误差不超过6弧分;因此,镜子的角度是固定的误差< 3弧分。图15显示了SMA的表示模型的一般视图。

5。讨论

应该注意,建模和分析光学系统的偏振变化与两个或两个以上的穿过镜子元素也被认为是被其他作者(见,例如,18- - - - - -20.])。然而,这些作品主要是考虑问题的建模和分析偏振像差的收敛/散射光线与一个已知的空间定位的镜子,,此外,可能会有不同的涂料。因此,问题不准确的影响调整镜子的提到在仪器光学系统偏振没有直接讨论。在开发研究扫描偏振计(负责)21)和气溶胶偏振测定传感器(APS) (22),作为一个基础在ScanPol,根本没有讨论这个问题。然而,实验研究表明,在负责的情况下,仪器极化p_本月没有超过0.1%21),APS的情况p_本月< 0.05%,在所有乐队除外λ= 410海里,p_本月< 0.5% (23),这可能是由于存在一定的共振波长范围的厚度₂O₃。与此同时,(描述的迭代算法24)可以有效地弥补仪器极化的1%。颗粒的观察扫描偏振计(POSP) [25),其设计也是基于APS,仪器极化估计为0.5%。

镜子调整过程,介绍中描述的工作,允许设置角度β和γ4 - 6弧分的准确性(≤0.1°)。这个理论上允许保持仪器内ScanPol极化即使在最坏的情况下的0.015%λ= 865海里,这对APS比情况下,尽管ScanPol是一个可接受的值p_本月≤0.08%,如上所述。实验,仪器ScanPol极化将估计在进一步地校准过程。

ScanPol指仪器极化,我们假设仪器偏振镜系统的主要,由于极化其他ScanPol组件的缺陷,这部分被认为是在26),有效地补偿了标定过程中描述(17]。

6。总结

我们已经开发出一种表征模型ScanPol偏振计扫描单元的乐器Aerosol-UA空间项目的调查微观物理学的大气中气溶胶的特性。发达和无功补偿器的力矩电机控制系统使空间的连续扫描在调查中以一个恒定的速度在卫星轨道上的运动和保护的空间位置的不变性。由于使用非接触式磁电盘式电机和补偿器的机器无槽定子,我们取得了最好的能量、质量、大小和操作特征的电动马达。估计的依赖仪器TSM的偏振镜误差调整表明,必须执行一个不到15弧分达到精度误差确定光的线偏振度在所有光谱范围在ScanPolΔp≤0.15%。开发过程的装配和调整安装镜子的镜像系统允许我们共同安排错误的不到6弧分。这将最小化ScanPol测量仪器误差的贡献。

数据可用性

没有数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者将特别感谢Olexandr安东诺夫研究所的乌克兰国家科学院的电动力学。不幸的是,他去世了。安东诺夫博士为手稿的研究做出了巨大的贡献。这项研究受到了乌克兰国家科学院在目标空间研究2018 - 2022年的综合项目。

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