CN111380835B - 星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱仪性能测试技术领域内的一种星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，包括以下步骤：S1，模拟在轨工况并建立测试状态；S2，光谱仪加电测试，记录无振动激励下的光谱仪动镜速度数据与干涉图T1；S3，通过微振动平台施加定向的振动激励给光谱仪，并实时监测测点的振动响应以及光谱仪的动镜速度数据，获取频率敏感点；S4，对频率敏感点进行定频振动激励，记录该激励下的干涉图T2；S5，分别计算干涉图T1和干涉图T2的光谱，通过分析气体典型吸收峰对应的位置和幅度，比较振动前后的光谱稳定度；S6，改变振动激励方向，重复步骤S3至步骤S5。本发明解决了以往仅通过仿真分析影响情况无法验证的问题，方法合理、操作可行、灵活性强。

Description

星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法
技术领域
本发明涉及一种光谱仪性能测试方法，特别是涉及一种星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法。
背景技术
由于干涉式光谱仪具有光谱分辨率高、光谱带宽宽、信噪比高等诸多优点，故而常被应用于精细光谱探测。星载干涉式光谱仪可以对地球大气中的各种气体成分进行精细光谱探测，从而可应用于反演温度、湿度、痕量气体等。
干涉式光谱仪核心为双光束干涉仪，利用动镜平动或角镜摆动的方式实现光程差随时间变化，获取干涉图，作为高精度测量仪器，干涉式光谱仪对细微的光程差变化都极为敏感，而微小的振动即有可能引起光程差的变化。卫星在轨运行期间，由于星上载荷驱动机构、飞轮、陀螺等速度各异的运动部件会引起卫星小幅度地颤振。若振动传递到干涉仪组件，会影响干涉仪动镜速度的平稳性，进而影响光谱仪性能。为了保障星载干涉式光谱仪的稳定工作，需要对其受振动影响情况进行实测评估，文献[1](邵春沅，顾明剑，FTIR光谱动镜速度和采样抖动的噪声分析[J]，激光与红外，2016)给出了动镜速度和采样抖动对光谱稳定性影响的理论分析和仿真分析，未评估微振动的影响，文献[2](范东栋，白绍竣，微振动与星载傅里叶变换光谱仪的影响分析[J]，航天返回与遥感，2013)给出了理论分析振动对光谱信号的影响，未发现公开发表的实测评估方法，也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法。
根据本发明提供的一种星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，包括以下步骤：
S1，模拟在轨工况并建立测试状态；
S2，光谱仪加电测试，记录无振动激励下的光谱仪动镜速度数据与干涉图T1；
S3，通过微振动平台施加定向的振动激励给光谱仪，并实时监测测点的振动响应以及光谱仪的动镜速度数据，获取频率敏感点，所述频率敏感点即对振动激励振动响应幅度较大的频率位置；
S4，对频率敏感点进行定频振动激励，记录该激励下的干涉图T2；
S5，分别计算干涉图T1和干涉图T2的光谱，通过分析气体典型吸收峰对应的位置和幅度，比较振动前后的光谱稳定度；
S6，改变振动激励方向，重复步骤S3至步骤S5。
一些实施方式中，所述步骤S1中建立测试状态为：将干涉式光谱仪通过隔振装置安装于微振动平台，连接光谱仪地检设备、振动测点及监测设备，将光源、吸收气体池以及准直镜置于光学平台上。
一些实施方式中，所述步骤S1中模拟在轨工况是指通过弹力绳、隔振装置与微振动平台配合分别模拟在轨隔振装置未解锁及解锁的状态，并调节光源、吸收气体池及光谱仪使光路准直。
一些实施方式中，所述光源为黑体或积分球。
一些实施方式中，所述步骤S2中，所述干涉图T1为M幅，其中M≥30。
一些实施方式中，所述步骤S3中，施加给光谱仪定向的振动激励的方式为扫频方式。
一些实施方式中，所述步骤S4中，所述干涉图T2为M幅，其中M≥30。
一些实施方式中，所述步骤S5包括以下步骤：
S5-1，分别计算M幅干涉图T1和M幅干涉图T2对应的原始光谱图，并分别计算其光谱均值，获取均值光谱图；
S5-2，对无振动激励与定频振动激励下的原始光谱图与均值光谱图逐一执行典型吸收峰位置搜索，并对吸收峰附近光谱进行插值细化，获得细化后的吸收峰波数位置和吸收峰位置对应的强度；
S5-3，根据光谱稳定度公式计算无振动激励与定频振动激励下的光谱稳定度S，其公式如下：
Figure BDA0002406400270000021
其中，σ为原始光谱图对应的吸收峰波数位置统计标准差，各吸收峰对应的强度统计标准差为λ，均值光谱图对应的吸收峰波数位置为a，均值光谱图中位置a对应的强度为A。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供了一种对干涉式光谱仪受微振动影响进行实测评估的方法，解决了以往仅通过仿真分析影响情况无法验证的问题，方法合理、操作可行、灵活性强。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法的主要实验设备；
图2为本发明星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法的流程图；
图3为单色光源输入时干涉式光谱仪受单频振动影响示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，包括以下步骤：
步骤1，模拟在轨工况并建立测试状态。
如附图1所示，将干涉式光谱仪通过隔振装置安装于微振动平台，连接光谱仪地检设备、振动测点及监测设备，将光源(例如黑体、积分球等)、吸收气体池、准直镜置于光学平台上。由于干涉式光谱仪对微振动的敏感特性，故通常均设计隔振安装方式。在轨工作过程中，隔振装置可能存在两种工作状态：不解锁和解锁，为了分别对这两种方式进行模拟，需要通过弹力绳、隔振装置与微振动平台配合分别模拟在轨隔振装置不解锁及解锁的状态，并调节光源、吸收气体池及光谱仪使光路准直。
步骤2，如附图2所示，光谱仪加电测试，记录无振动激励下的光谱仪动镜速度数据及M(M≥30)幅干涉图T1。
步骤3，通过微振动平台以扫频方式给光谱仪某一方向的振动激励，实时监测测点的振动响应以及光谱仪的动镜速度数据，找到频率敏感点，其频率敏感点即对振动激励振动响应幅度较大的频率位置；
在扫频过程中，振动监测测点的振动响应情况以及光谱仪的动镜速度数据均可以分别通过振动监测设备和光谱仪地检设备实时监测。振动监测设备代表了振动传递到仪器的响应，动镜速度反映了振动传递到干涉仪的响应情况。
步骤4，对频率敏感点进行定频振动激励，记录该激励下M幅干涉图T2，其中M≥30。
步骤5，对无振动及定频振动激励下的干涉图T1、T2分别计算光谱，并通过分析气体典型吸收峰对应的位置和幅度，比较振动前后的光谱稳定度。
步骤6，改变振动激励方向，重复步骤3至步骤5的操作。
微振动的影响在原始光谱采样间隔下可能无法准确衡量，故而需要对光谱进行插值细化，获取精细谱进行比较，为此，所述步骤5优选采用以下步骤：
步骤5-1，分别计算无振动及定频振动激励下的M幅干涉图T1、T2对应的原始光谱图，并分别计算光谱均值，获取均值光谱图；
步骤5-2，对原始光谱图及均值光谱图逐一执行典型吸收峰位置搜索，并对吸收峰附近光谱进行插值细化，获得细化后的吸收峰波数位置及吸收峰位置对应的强度；
步骤5-3，若无振动激励下，对M幅原始光谱图对应的吸收峰波数位置统计标准差为σ，各吸收峰对应的强度统计标准差为λ，均值光谱图对应的吸收峰波数位置为a，均值光谱图中位置a对应的强度为A，那么光谱稳定度计算公式如公式(1)所示，定频振动激励下的光谱稳定度同理可得，公式(1)的评价方法兼顾了吸收谱线位置和幅度的变化情况。
Figure BDA0002406400270000041
对本发明的工作原理说明如下。
根据傅里叶变换光谱学理论，波数为σ0的单色光源，不考虑直流分量时候其干涉图形式为：
I(x)＝I0cos(2πσ0x)   公式(2)
其中x为光程差，I0为对应σ0的强度。
当动镜受到单频振动的影响时，干涉图形式为
I'(x)＝I0cos(2πσ0(x+2Bcos(2πfx)))   公式(3)
其中，B为振动幅度，f为振动频率与动镜平均速度之比的相对频率。
通过对比公式(2)及公式(3)对应的光谱(即傅里叶变换)可以发现，不考虑其他因素影响时，单色光源在受单频振动影响时，光谱变化情况如附图3所示。当动镜受单频振动影响时，单色光的光谱发生了变化，原始频率分量被削弱，产生了一定的额外寄生频率分量。寄生分量对应的频率及幅度与单色光源频率、振动相对频率、振动幅度相关。
推广到复色光情形，可以知道当动镜受单频振动影响时，光谱形状会发生变化。作为高精度的探测仪器，即使微小的光谱形状畸变，都是导致反演处的产品精度降低。为了从光谱上提取变化情况，可以采用光源与吸收气体池配合，产生包含吸收谱线的光谱，当不受振动影响时，这些谱线的位置是固定的。故而可以通过监测吸收谱线的位置及幅度变化情况评价光谱仪受微振动的影响情况。
光谱仪探测器噪声、电路噪声、动镜稳速闭环控制精度、光源等也会导致多次测量得到的光谱存在微小的变化，在无振源激励下，将噪声、光源等引入的吸收谱线变化量级进行评估。然后再将有振源激励下的吸收谱线变化量与之进行比较，得到仅由振动引入的光谱变化。
由于光谱仪动镜对不同频率的振动响应不同，故而需要提前通过扫频并监测振动响应的方法找到频率敏感点，对这些敏感点进行重点测试，评价其对最终复原出的光谱的影响。
综上所述，本发明有效解决了星载干涉式光谱仪的微振动影响无法实测定量评估的问题，方法合理、操作可行。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，模拟在轨工况并建立测试状态；
S2，光谱仪加电测试，记录无振动激励下的光谱仪动镜速度数据与干涉图T1；
S3，通过微振动平台施加定向的振动激励给光谱仪，并实时监测测点的振动响应以及光谱仪的动镜速度数据，获取频率敏感点；
S4，对频率敏感点进行定频振动激励，记录该激励下的干涉图T2；
S5，分别计算干涉图T1和干涉图T2的光谱，通过分析气体典型吸收峰对应的位置和幅度，比较振动前后的光谱稳定度；
S6，改变振动激励方向，重复步骤S3至步骤S5；
所述步骤S5包括以下步骤：
S5-1，分别计算M幅干涉图T1和M幅干涉图T2对应的原始光谱图，并分别计算其光谱均值，获取均值光谱图；
S5-2，对无振动激励与定频振动激励下的原始光谱图与均值光谱图逐一执行典型吸收峰位置搜索，并对吸收峰附近光谱进行插值细化，获得细化后的吸收峰波数位置和吸收峰位置对应的强度；
S5-3，根据光谱稳定度公式计算无振动激励与定频振动激励下的光谱稳定度S，其公式如下：
Figure FDA0004053754480000011
其中，σ为原始光谱图对应的吸收峰波数位置统计标准差，各吸收峰对应的强度统计标准差为λ，均值光谱图对应的吸收峰波数位置为a，均值光谱图中位置a对应的强度为A。
2.根据权利要求1所述的星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，所述步骤S1中建立测试状态为：将干涉式光谱仪通过隔振装置安装于微振动平台，连接光谱仪地检设备、振动测点及监测设备，将光源、吸收气体池以及准直镜置于光学平台上。
3.根据权利要求2所述的星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，所述步骤S1中模拟在轨工况是指通过弹力绳、隔振装置与微振动平台配合分别模拟在轨隔振装置未解锁及解锁的状态，并调节光源、吸收气体池及光谱仪使光路准直。
4.根据权利要求2所述的星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，所述光源为黑体或积分球。
5.根据权利要求1所述的星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述干涉图T1为M幅，其中M≥30。
6.根据权利要求1所述的星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，所述步骤S3中，施加给光谱仪定向的振动激励的方式为扫频方式。
7.根据权利要求1所述的星载干涉式光谱仪的微振动影响测试方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述干涉图T2为M幅，其中M≥30。
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