微振动对星载傅里叶变换光谱仪的影响分析

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Influence of M icro-vibration on Space-borne FourierTransform SpectrometerFAN Dongdong BAI Shaojun(1 DFH Satellite Co.，LTD，Beijing 100094，China)(2 Beijng Institute of Space Mechanics&Electricity，Bering 100076，China)Abstract This paper introduces an approach to detecting the composition of atmosphere by usingspace-borne Fourier Transform Spectrometer(FTS)，and presents the working principle and system constitutionThe FTS is based on Michelson interferometer.A rotating arm carrying a pair of cube comer retro-reflectors isused to produce optical path diference(OPD)，and an interferogram of metrology laser is used to trigger theequal OPD interval data acquisition.It is well known that FTS is highly sensitive to micro-vibration distur-bances.However.a wide variety of mechanical disturbances are present as the satellite is in orbit.For this end，this paper investigates the influence of micro-vibration on the space-borne FTS.A theoretical model is firstlyderived.Then.according to the characteristic of dynamic environment in orbit，the variation of spectra in re-sponse to micro-vibration levels is simulated.The results show that the amplitudes of ghost lines in spectra in-crease rapidly with the increasing of micro-vibration leve1.In addition，the time delay mismatch has significantimpact on the spectra，the amplitudes of ghost lines in spectra increase with the increasing of time delay mis-match.The analysis indicates that the influence of micro-vibration on space-bome FTS is allowable when themicro.vibration level is below 30x 103gn 。

Key words interference；Fourier Transform Spectrometer(FTS)；micro-vibration；ghost line；space bome收稿 日期 ：2013-04-1962 航 天 返 回 与 遥 感 2013年第 34卷力学环境进行仿真分析，以验证其工程可实现性。

3 微振动对干涉信号影响分析3.1 微振动对干涉信号的影响分析[ ]干涉仪对振动环境较为敏感，而卫星上具有飞轮、扫描机构、机械制冷机等多个振动源，可能会影响干涉信号的品质，进而影响最终的探测精度。

首先，考虑-束波数为v。的单色光的干涉情况，在光程差有-定扰动的情况下干涉光强，可以表示为) ( )(1COS(2兀V06 。) (1)式中 t为时间； D为实际光程差； ( )为光强随波数的分布。且有OPD：oPD VIB (2)式中 oPD为理想工作状态下的光程差；Uvm为振动位移，假设UVIB Acos(2rt.(2t) (3)式中 为振动幅值；Q为振动频率。

干涉仪采用等光程差采样的方式，即根据计量激光的干涉信号过零点触发干涉图的采样形式。计量激光干涉信号的过零点发生偏移，将造成采样误差，如图4所示。图4中黑色曲线为无扰动情况下的计量激光干涉信号，粉色曲线为有振动情况下计量激光的干涉信号，红色曲线为主光路干涉图。理想情况下，根据计量激光干涉信号为谐波信号，其零点位置为2ryouoPD 兀，，z1，2，3(4)对应的过零点时间为2V0tJOpD - -在有振动影响的情况下，零点的位置为2rtvV0U( )pD： n'rc，nl，2，3- 厶(6)对应的过零点时间为cos 2fioPDV0 - l2，3.-㈩ 理想情况下计量激光干涉信号过零点t 和有扰动情况下计量激光干涉信号过零点 之间偏差为△ f -f c0s(2兀Q )，，zl，2，3OPD (8)图4示意了由振动引起的计量激光过零点的偏移情况。

第 4期 范东栋 等：微振动对星载傅里叶变换光谱仪的影响分析 63霞罢骥米l- 干涉图 l-无振动时激光干涉 I- 右幅 动时j暂 千沸 图 f/、 . .。

- .、 /l -/ ：1 、. I ；. /- -， ：时间/s图 4 计量激光干涉信号过零点偏移引起的采样误差示意Fig.4 Sample error of meterology laser interfere signal over zero position3.2 微振动对光谱信号的影响分析 UJ为了显示激光干涉信号过零点偏移对光谱图的影响，根据有振动情况下的激光干涉信号过零点时刻 ，对-个单色光束的干涉图进行采样，复原后光谱图如图 5所示，从图中可以看出主谱线附近出现了鬼线。

实际上，计量激光和红外干涉光路为共光路设计，同时又采用等光程差采样的采样方式，可以有效避免采样误差。但是，由于电子学采样链路的延迟，使得探测器采样的时刻相对激光干涉信号的过零点有-段时间的延迟 。微振动的影响主要与延迟失配时间有关。

计算相同振动环境下，不同延迟匹配时间对光j四b 粤频率/波数图5 有无振动影响情况下的光谱图对比Fig.5 Spectrum comparison with and without-vibration谱图的影响，计算结果如图6所示。图6为频率为 83.3Hz、振动幅度为 13.5x10 3gn时，延迟时间分别为0.1 s、1 s、10ts时的光谱图，右图为左图的局部放大。图7～8分别为44.8 Hz、16.7 Hz时，振动幅度30x10-3gn 、50x10。3gn条件下，延迟时间分别为 0.1gs、1gs、lOgs时的光谱图。比对以上各个工况条件下的光谱图，可以看出延迟匹配也会使光谱图产生鬼线，且延迟匹配时间越长产生的鬼线幅值越大；随着振动量级增大，光谱图上的鬼线幅值明显增大。选择振动幅度为30x10～gn、50X103gn，主要考虑多数卫星平台的综合振动幅度在这个范围内。

迥譬粤蜷频率/波数 频率/波数图6 不同延迟匹配时间引起的光谱图变化 (右图为左图的局部放大)Fig.6 Changes of spectrum with different delay match time航 天 返 回 与 遥 感 2013年第 34卷j磐莨粤蜷j磐贺馨j磐莨蜷频率，波数 频率/波数(a)30 X 10。3g (b)5o×10-图7 在振动频率为44.8Hz时30×10。舒、50×10-3gn的振动工况下光谱图Fig.7 Spectrum under 44.8Hz&30×1 0 3gn .50×1 0-3gn频率，波数(a)30×103gnj罾莨馨蜷频率/波数(b)50×10-3gn图8 在振动频率为 16.7Hz时 30×10～g 50×10～g 的振动工况下光谱图Fig.8 Spectrum under 1 6.7Hz&30×1 0。3gn.50×1 0。3gn表 1为延迟匹配为 l s时各扰动工况引起的次谱线强度对比。从表中可以看出延迟匹配误差为 1 s时不同振动工况引起的次谱线相对强度变化值接近 l%。

表 1 延迟匹配误差为 1ps时不同振动工况引起的次谱线相对强度Tab.1 Relative spectral signal under various vibrations4 结束语本文详细分析了微振动可能引起的干涉信号变化对光程差、计量激光过零点位置及延迟匹配时间的第 4期 范东栋 等：微振动对星载傅里叶变换光谱仪的影响分析 65影响。文中干涉仪光学系统采用角镜和端镜的组合，有效地避免了剪切、倾斜等误差的影响。综合以上分析，对于摆臂式空心角镜干涉仪，其对干涉信号影响最大的因素来自于延迟匹配的误差。文中仿真结果显示这种干涉仪系统具有较强的振动环境适应能力，在小于 30 x 103gn的振动环境下，可以保证次谱线相对强度小于 1%，证明了本文采用星载傅里叶变换光谱仪可以适应卫星平台的微振动环境。