李欣耀，陳福春，陳桂林

（中國科學(xué)院 上海技術(shù)物理研究所 中國科學(xué)院紅外探測與成像技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，上海200083）

引言

R-C光學(xué)系統(tǒng)是卡塞格林系統(tǒng)的一種形式，因?yàn)榫哂袩o色差、無熱化、結(jié)構(gòu)長度短、適用于多光譜等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航天遙感儀器的主光學(xué)系統(tǒng)［1］。風(fēng)云二號(hào)輻射計(jì)是一個(gè)主鏡口徑400 mm，次鏡口徑120mm，可見光焦距3 000mm，紅外焦距521mm的R-C光學(xué)系統(tǒng)。沒有雜光抑制措施時(shí)，視場外的雜光掠過次鏡穿過主鏡孔直接混入信號(hào)光路照射在焦面上，形成可見直射雜光，如果太陽光進(jìn)入，這類雜光能量未經(jīng)任何衰減對儀器性能影響非常嚴(yán)重。雜散光是各國自旋衛(wèi)星氣象云圖中共同面臨的無法徹底解決的難題，攻克此類問題主要依靠優(yōu)化輻射計(jì)光路設(shè)計(jì)［2］。

1 輻射計(jì)可見直射雜光的仿真

風(fēng)云二號(hào)輻射計(jì)光學(xué)系統(tǒng)是視場分光方式的R-C系統(tǒng)，其瞬時(shí)視場東西向偏置。視場東西向不對稱的外在表現(xiàn)形式是折鏡在東西方向的不對稱，折鏡幾何中心偏離主光軸5.9mm，導(dǎo)致了輻射計(jì)在抗雜光能力上的東西向不對稱性［3］，圖1為輻射計(jì)光機(jī)模型，圖2為風(fēng)云二號(hào)E星云圖，云圖顯示了輻射計(jì)的可見雜光分布。

使用軟件對輻射計(jì)系統(tǒng)的直射雜光進(jìn)行仿真，光路正追、倒追都顯示了直射雜光的存在，如圖3和圖4所示。

圖3 可見直射雜光正追圖Fig.3 Ray tracing of visible stray light

2 直射雜光域計(jì)算

采用Matlab對光學(xué)系統(tǒng)雜光進(jìn)行分析，從可見探測器作直線，將掃描時(shí)45°±5°的折鏡光闌（圖5）和次鏡罩±10°投影到指定的平面，就能得到可見直射雜光域，次鏡罩平面的直射雜光域如圖6中陰影區(qū)域。

采用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax實(shí)施光路倒追也可以追出直射雜光域。在設(shè)立好坐標(biāo)系，完善光學(xué)系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，建立光路上各機(jī)械光闌以及探測器各光敏元的模型，依靠坐標(biāo)斷點(diǎn)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)折鏡旋轉(zhuǎn)5°和主次鏡旋轉(zhuǎn)10°掃描狀態(tài)的仿真，如圖7所示。

圖7 輻射計(jì)掃描狀態(tài)仿真Fig.7 Simulation of radiometer in scan state

對輻射計(jì)掃描到N10°、星下點(diǎn)和S10°3種工況進(jìn)行光路追跡，得到了與Matlab計(jì)算相同的結(jié)果，如圖8所示，N10°時(shí)，可見直射雜光立體角最大，雜散輻射能量最大，因而云圖出現(xiàn)了“北部冒煙”的現(xiàn)象［4］。

圖8 Zemax計(jì)算的次鏡罩直射雜光域Fig.8 Calculation of direct stray light area with Zemax

3 直射雜光的試驗(yàn)驗(yàn)證

在可見探測器的位置放置可見光源，如鹵鎢燈，將光屏放在輻射計(jì)前面觀測，得到了一個(gè)Φ400 mm的均勻圓斑，如圖9所示。在圓斑附近，能夠觀察到眉狀的光帶以及次鏡支撐稈的影子，而且這條光帶比Φ400mm的圓斑更亮。Φ400mm的均勻圓斑與距離遠(yuǎn)近無關(guān)，根據(jù)光路可逆定理，如果正追，圓斑代表著平行入射的信號(hào)光，而眉狀的光帶隨距離輻射計(jì)由遠(yuǎn)及近變得越來越小，越來越亮，這是鹵鎢燈發(fā)出的光線經(jīng)過分離鏡，折鏡的反射直接從次鏡罩邊沿出射的結(jié)果。直射雜光在傳輸中能量未經(jīng)任何衰減，對系統(tǒng)性能影響非常大。

4 百葉窗設(shè)計(jì)

通過正追，發(fā)現(xiàn)可見直射雜光從折鏡開始就一直混跡于紅外信號(hào)光當(dāng)中，如影隨形，較難在后光路擋掉所有的直射雜光。既然可見直射雜光的根源是視場的東西向不對稱性，其前光路外在表現(xiàn)形式是折鏡的東西方向不對稱性，考慮同樣以前光路次鏡罩的東邊不擋西邊擋來應(yīng)對這個(gè)不對稱性。

圖9 直射雜光倒追實(shí)驗(yàn)圖Fig.9 Experiment of visible s1tray light by reverse ray tracing

在不損失系統(tǒng)入瞳面積和不降低光學(xué)性能的基礎(chǔ)上，使用由若干葉片組成的百葉窗［5］來進(jìn)行雜光的抑制。這一設(shè)計(jì)既能阻擋直射雜光的入侵，又允許入射的信號(hào)光從葉片之間穿過，如圖10所示。

圖10 輻射計(jì)剖面圖Fig.10 Profile of radiometer

設(shè)計(jì)方法：根據(jù)折鏡在次鏡罩上的投影設(shè)計(jì)主視方向百葉窗的外形。百葉窗應(yīng)將直射雜光域全部包圍，如圖11所示。根據(jù)雜光和信號(hào)光的路徑設(shè)計(jì)葉片走向，甄選出垂直于直射雜光入侵方向（圖中小箭頭所指）的環(huán)向葉片，它能夠不擋信號(hào)光同時(shí)高效率阻擋雜光。根據(jù)雜光角度設(shè)計(jì)葉片長度和數(shù)目。葉片越長，需要的葉片數(shù)目越少。

充分利用從次鏡罩外沿到次鏡后蓋這段距離，設(shè)計(jì)了只含內(nèi)外兩層葉片的百葉式窗遮光罩。設(shè)計(jì)結(jié)果為內(nèi)葉片R1＝77mm，外葉片R2＝84.5 mm，壁厚0.5mm，全長98mm。圖12為百葉窗遮光罩機(jī)械模型。

百葉窗窗體材料為鋁合金，表面噴涂吸收率較高的Z306黑漆。對加裝了百葉窗的光機(jī)模型進(jìn)行光線追跡，如圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)百葉窗能夠擋掉以5.21°～6.43°立體角匯聚于可見探測器的光線，涵蓋了直射雜光進(jìn)入的角度5.36°～5.95°。光機(jī)系統(tǒng)中最大視場的紅外光路入瞳面積減小不到2‰，由此可見百葉窗既能夠顯著提高信雜比，又可以保持遮光比。

圖13 百葉窗對直射雜光抑制的效果仿真圖Fig.13 Effect of shutter on suppressing direct stray light

5 百葉窗抑制雜光試驗(yàn)驗(yàn)證

將所設(shè)計(jì)的百葉窗式次鏡遮光罩和折鏡光闌安裝在輻射計(jì)上，利用積分球進(jìn)行百葉窗西向雜光試驗(yàn)，雜光大小以所對應(yīng)的電壓計(jì)數(shù)值表示，單位mV。如表1所示，以雜光最大的A3通道（共有A1～A4，B1～B4八個(gè)可見通道，見表1）為例，百葉窗安裝后相比安裝前雜光電壓降低了約95.2%。正如理論設(shè)計(jì)，將直射雜光全部遮擋，僅剩下不足5mV的其他雜光。

表1 百葉窗西向雜光試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 Experimental data of stray light in west direction before and after using shutter

通過改變輻射計(jì)和積分球的相對位置以及同步步進(jìn)掃描機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步模擬了衛(wèi)星云圖的東西南北中5種狀態(tài)。積分球試驗(yàn)結(jié)果表明：百葉窗能夠?qū)⑤椛溆?jì)西向直射雜光和北向直射雜光全部遮擋住，基本實(shí)現(xiàn)了輻射計(jì)在各向抗雜光能力上的平衡。

6 百葉窗式遮光罩對系統(tǒng)紅外輻射的影響分析

紅外雜散輻射的分析通常從找出關(guān)鍵面和照明面入手。探測器能看到的表面成為關(guān)鍵面，光線倒追法可以找出。雜光光源直接照射到的表面成為照明面，光線正追法可以找出。既是關(guān)鍵面又是照明面的定義為重要面［6］。

紅外雜散輻射機(jī)理為重要面的一次散射，對光機(jī)模型的正追和倒追仿真分析發(fā)現(xiàn)，百葉窗的4個(gè)圓弧表面為照明面，非關(guān)鍵面，即百葉窗不存在重要面。因此百葉窗的設(shè)置不影響輻射計(jì)系統(tǒng)的紅外雜散輻射。

7 結(jié)束語

在輻射計(jì)上增設(shè)百葉窗可以降低95.2%的可見雜光，能夠顯著提高輻射計(jì)系統(tǒng)的信雜比，并能保持遮光比。風(fēng)云二號(hào)F星云圖顯示，增設(shè)百葉窗式遮光罩這一措施底消除了各通道可見直射雜光，改善了午夜可見雜光，且不影響系統(tǒng)的紅外光路信號(hào)光與雜光。

［1］ 李婕，明景謙，盧若飛.一種改進(jìn)型的紅外卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外技術(shù)，2010，32（2）：76-80.LI Jie，MING Jing-qian，LU Ruo-fei.Design of an ameliorating infrared Cassegrain optical system［J］.Infrared Technology，2010，32（2）：76-80.（in Chinese with an English abstract）

［2］ 魏彩英，張曉虎，邱康睦.風(fēng)云二號(hào)靜止氣象衛(wèi)星圖像雜散信號(hào)分析［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2004，15（5）：564-571.WEI Cai-ying，ZHANG Xiao-hu，QIU Kang-mu.Analysis of scattered signal in geostationary meteorological satellite image［J］.J.Appl.Meteorol.Sci.，2004，15（5）：564-571.（in Chinese with an English abstract）

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［4］ 李欣耀，原育凱，裴云天，等.風(fēng)云二號(hào)掃描輻射計(jì)可見雜光分析與抑制［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2006，6（12）：1605-1608.LI Xin-yao，YUAN Yu-kai，PEI Yun-tian，et al.Analyzing and suppressing visible stray light of scanning radiometer for FY-2meteorological satellite［J］.Science Technology and Engineering，2006，6（12）：1605-1608.（in Chinese with an English abstract）

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