楊濤 李春林 孟慶亮

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

反射式橢球面光欄在空間光學(xué)遙感器上的應(yīng)用研究

楊濤 李春林 孟慶亮

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

空間光學(xué)遙感器遮光罩內(nèi)壁通常會布置消除太陽、地氣等外部雜散光的環(huán)狀光欄，而傳統(tǒng)的高吸收率直環(huán)環(huán)狀光欄會顯著加大光學(xué)系統(tǒng)入光口的黑體面積，尤其在高熱流密度的陽光直射遮光罩內(nèi)壁時(shí)，會導(dǎo)致遮光罩內(nèi)壁及光欄自身溫度出現(xiàn)極端高溫現(xiàn)象，進(jìn)而對光學(xué)系統(tǒng)前光學(xué)鏡頭的溫度穩(wěn)定度帶來負(fù)面影響，同時(shí)引入了額外的內(nèi)部紅外譜段雜散光。為消除上述弊端，文章給出了一種反射式橢球面光欄的設(shè)計(jì)方案。針對地球靜止軌道遙感器在軌飛行環(huán)境及入光口特征，采用UG NX熱分析軟件建立了熱仿真模型，并通過軟件中的蒙特卡羅法統(tǒng)計(jì)、對比了該反射式橢球面光欄與傳統(tǒng)直環(huán)光欄的熱負(fù)荷及雜散光分布情況。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)光欄，該反射式橢球面光欄在有效消除太陽、地氣等外部雜散光的同時(shí)，可以將遙感器入光口的熱負(fù)荷降低60%～70%，避免了入光口的極端高溫現(xiàn)象。

遙感器 橢球面光欄 熱負(fù)荷 雜散光 空間遙感

0 引言

隨著空間光學(xué)遙感器分辨率的提高，光學(xué)系統(tǒng)中的雜散光對遙感器成像品質(zhì)產(chǎn)生的負(fù)面影響逐顯凸出[1-3]。雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中到達(dá)光電轉(zhuǎn)換器件的非目標(biāo)光線，也就是經(jīng)非正常光路到達(dá)探測器的光線，這些非目標(biāo)光線包括外部雜散光和內(nèi)部雜散光，前者指太陽光、地氣光等，后者主要是光學(xué)系統(tǒng)自身發(fā)射的熱電磁波[4-5]。對于外部雜散光，通常在遙感器遮光罩內(nèi)壁布置光欄片（擋光環(huán)）加以削弱或消除，傳統(tǒng)型式的光欄片垂直設(shè)置遮光罩內(nèi)壁，光欄片兩面布置高吸收涂層，這種構(gòu)型的光欄能夠達(dá)到一定的消外部雜散光的效果[6]。但由于此種光欄片顯著增加了遮光罩內(nèi)壁黑體面積，遮光罩內(nèi)壁或光欄片吸收外熱流導(dǎo)致自身溫度升高，增加了內(nèi)部雜散光，尤其對于地球靜止軌道遙感相機(jī)或太陽望遠(yuǎn)鏡，其軌道太陽外熱流直射入光口，遮光罩內(nèi)壁或光欄片會出現(xiàn)極端高溫現(xiàn)象[7-8]。

某地球靜止軌道凝視遙感器同時(shí)具備可見光成像通道和紅外成像通道，兩個(gè)通道共用前一組鏡頭。由于自身軌道特點(diǎn)，除在春分點(diǎn)、秋分點(diǎn)前后共46天有短暫的地影區(qū)外（午夜前后共不超過72min），其它時(shí)間衛(wèi)星全天受太陽照射[9-11]。因此從夜晚18：00到次日凌晨6：00，陽光均直照遙感器遮光罩內(nèi)壁，高熱流密度的陽光持續(xù)照射導(dǎo)致了遮光罩自身的極端高溫。遙感器紅外通道需具備夜間成像能力，而高溫的遮光罩會通過輻射對主鏡、次鏡及其支撐結(jié)構(gòu)的溫度水平產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致光學(xué)結(jié)構(gòu)變形，降低成像精度，并且高溫遮光罩自身的紅外輻射也是內(nèi)雜散光的主要來源。遮光罩的內(nèi)壁傳統(tǒng)的高吸收率環(huán)狀光欄會顯著加大系統(tǒng)入光口的黑體表面面積，使遮光罩的熱負(fù)荷進(jìn)一步增大，使得上述問題更加尖銳。為保證相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)性能，必須采取必要的措施來保證遮光罩處于較低的溫度水平，同時(shí)又不能削弱遮光罩消除可見光譜段外部雜散光的能力[12-15]。

目前對高溫問題的處理方法主要是增大熱容或加強(qiáng)熱疏導(dǎo)。增大熱容主要是通過在遮光罩上布置相變材料來實(shí)現(xiàn)，然而地球靜止軌道由于周期較長，遮光罩夜間受曬時(shí)間長，總的熱通量大，需要大量的相變材料來完成蓄熱功能，工程實(shí)施可行性較低。熱疏導(dǎo)是對遮光罩進(jìn)行均溫化，將高溫區(qū)域的熱量疏散至低溫區(qū)域，如在遮光罩上正交布置鋁氨槽道熱管、設(shè)計(jì)環(huán)路熱管或流體回路裝置等，但此種方法增加了額外的質(zhì)量，并且日凌所引起的高溫區(qū)域在遮光罩內(nèi)壁隨時(shí)間移動，正交布置的鋁氨槽道熱管給地面熱試驗(yàn)帶來新的問題，而環(huán)路熱管及流體回路裝置需額外的驅(qū)動功率[16-17]。

本文給出了一種反射式橢球面光欄[18]的設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)可以在消除雜散光的同時(shí)，顯著降低空間光學(xué)遙感器入光口的熱負(fù)荷。針對地球靜止軌道熱環(huán)境及遙感器入光口特點(diǎn)建立了仿真模型，分析不同光欄設(shè)計(jì)方案時(shí)的熱負(fù)荷及雜散光分布情況，結(jié)果顯示，相比傳統(tǒng)直環(huán)光欄，橢球面光欄能夠?qū)⑻栔鄙鋵φ诠庹謨?nèi)部造成的熱負(fù)荷降低60%～70%，遮光罩溫度從50℃以上降低到10℃以內(nèi)；同時(shí)其具備良好的消除視場外雜散光的能力。

1 反射式橢球面光欄方案設(shè)計(jì)

橢球體的光線反射原理如圖1所示，P、S為橢球體的兩個(gè)焦點(diǎn)，光線通過焦點(diǎn)P，經(jīng)過橢球體上任何一點(diǎn)A、B或C，入射角為θi，反射角為θr，反射光線必然會經(jīng)過另一焦點(diǎn)S。如果將其中一個(gè)焦點(diǎn)S固定在入光口位置，經(jīng)過橢球面反射回到S點(diǎn)的光線必然逸出入光口。

借助此原理在遮光罩內(nèi)壁設(shè)計(jì)一組反射式橢球面光欄，如圖2所示。反射式橢球面光欄由一片直環(huán)光欄和數(shù)片橢球面光欄組成，其中直環(huán)光欄由直線段作為母線繞光軸旋轉(zhuǎn)一周生成，各橢球面光欄分別由一段橢圓弧線段作為母線繞光軸旋轉(zhuǎn)一周生成。直環(huán)光欄和數(shù)片橢球面光欄正對太空一側(cè)壁面布置高鏡面反射涂層，另一側(cè)為高吸收涂層。

圖1 橢球體的光線反射Fig.1 The light reflection of ellipsoid

圖2 一組反射式橢球面光欄示意Fig.2 The schematic diagram for a group of reflective ellipsoid grating

圖3是直環(huán)光欄及第1片至第N片橢球面光欄片母線的形狀與定位設(shè)計(jì)示意圖。

直環(huán)光欄位于遮光罩面向太空一側(cè)的入光口平面上，由直線段作為母線繞光軸CC旋轉(zhuǎn)一周并賦予一定厚度，直環(huán)光欄母線一個(gè)頂點(diǎn)為D，另一個(gè)頂點(diǎn)為F2，長度，如圖3（a）所示。

第1片至第N片橢球面光欄片均由一組橢圓弧線段作為母線繞光軸CC旋轉(zhuǎn)一周，并賦予一定厚度。如圖3（b）所示，每片橢球面光欄母線的第一個(gè)焦點(diǎn)F1均位于通光圓柱面外徑RI處，并始終固定在P點(diǎn)上，另一個(gè)焦點(diǎn) F2（F2′、F2″、……）位于前一片光欄母線在通光圓柱面上的頂點(diǎn)處，長軸頂點(diǎn)是焦點(diǎn)F1與F2（F2′、F2″、……）連線并延長至遮光罩內(nèi)壁面的相交點(diǎn)。

圖3 橢球面光欄形狀及定位Fig.3 The geometry and position of ellipsoid grating

第1片橢球面光欄母線的位置和形狀由下面的曲線方程確定：

第2片至第N片橢球面光欄母線的位置和形狀由下面的曲線方程確定：

式中 方程坐標(biāo)系x軸與橢球面光欄母線長軸重合，y軸與橢球面光欄母線短軸重合，x、y分別是橢球面光欄母線上任意一點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)；Z為前一片橢球面光欄母線位于通光圓柱面上的頂點(diǎn)到入光口平面的垂直距離；RO為遮光罩壁內(nèi)徑；RI為通光口外徑；ZR為第N片橢球面光欄母線位于遮光罩內(nèi)壁面上的頂點(diǎn)到入光口平面的垂直距離；θT為第N片橢球面光欄母線長軸與光軸的夾角。

由上述方程可知，當(dāng) RO、RI和遮光罩長度的數(shù)值或比例確定時(shí)，光欄的位置/曲面形狀及數(shù)量均可確定。

2 仿真模型

設(shè)遮光罩長度為1 050mm，通光孔直徑為728mm，遮光罩內(nèi)徑為848mm，即RO/RI=1.16，光欄為10組。本文采用UG NX熱分析軟件建立模型，模型包含遮光罩和主鏡，其中主鏡的設(shè)置用于為遮光罩提供定溫邊界，并統(tǒng)計(jì)地球反照產(chǎn)生的外雜散光，主鏡布置在遮光罩尾部，如圖4所示。

圖4 橢球面光欄熱分析模型Fig. 4 The thermal simulation model of ellipsoid grating

為對比普通直環(huán)光欄和橢球面光欄的溫控性能，分別建立了四組熱分析模型，具體特征參數(shù)見表1。其中橢球面光欄母線段分別用4條、10條直線段拼接而成，分別對應(yīng)表1中模型3和模型4。取橢球面光欄厚度為1mm，直環(huán)光欄厚度為1.44mm，保證各組模型中光欄的等效熱容一致。各熱控涂層及主鏡的輻射特性見表2。

表1 遮光罩壁及光欄片物理屬性Tab.1 The physical parameters of sunshade wall and grating slices

表2 熱控涂層物性參數(shù)Tab.2 The physical parameters of thermal control coatings

3 仿真結(jié)果

計(jì)算采用的軌道為地球靜止軌道，選取的季節(jié)為冬至，入光口指向星下點(diǎn)。本文采用UG NX軟件分別分析了各模型中到達(dá)遮光罩內(nèi)壁及光欄的熱負(fù)荷、遮光罩內(nèi)壁及光欄的溫度分布，以及通過光欄片和遮光罩內(nèi)壁二次反射到達(dá)主鏡的地球反照熱流密度。

3.1 太陽熱負(fù)荷分析

對于地球靜止軌道衛(wèi)星，相比太陽直射外熱流，地球紅外和地球反照兩項(xiàng)可以不計(jì)，因此本節(jié)僅統(tǒng)計(jì)太陽直射熱負(fù)荷。取OSR片的太陽吸收率為末期值。結(jié)果如圖5曲線所示，直環(huán)光欄兩面發(fā)黑時(shí)，最大陽光熱載為591.6W，夜間平均值為406.9W；外壁粘貼OSR片的直環(huán)光欄最大陽光熱載為484.8W，夜間平均值為332.2W，有所減小但效果不明顯；4條直線段模擬的橢球面光欄最大陽光熱載為224.0W，夜間平均值為 155.1W，是兩面發(fā)黑直環(huán)光欄的 38.1%；10條直線段模擬的橢球面光欄最大陽光熱載為217.0W，夜間平均值為146.8W，僅相當(dāng)于兩面發(fā)黑直環(huán)光欄的36.1%。

圖5 太陽直射遮光罩內(nèi)壁造成熱負(fù)荷的變化曲線Fig.5 The variation of heat load on the sunshade inner wall caused by direct solar radiation

3.2 溫度峰值分析

在計(jì)算遮光罩溫度水平時(shí)，設(shè)置主鏡為定溫20℃，取OSR片的太陽吸收率為末期值。圖6為各模型在出現(xiàn)最高溫度時(shí)遮光罩的溫度分布云圖。結(jié)果顯示，兩面發(fā)黑與外壁OSR的直環(huán)光欄最高溫度發(fā)生在凌晨03：00左右，最高溫度分別為53.4℃、44.9℃；4條直線段與10條直線段橢球面光欄的最高溫度發(fā)生在凌晨05：00左右，分別為9.1℃、2.2℃。橢球形反射光欄可以有效降低遮光罩溫度，降低了前鏡頭光學(xué)組件的熱控難度，同時(shí)大大減少了紅外譜段雜散光。

3.3 視場外雜散光分析

對于僅在白天工作的可見光成像通道，視場外雜散光主要來源是地球反照。借助UG NX軟件中的蒙特卡羅法可以分析出到達(dá)主鏡上的地球反照熱流密度，取OSR片輻射特性為初期值。圖7統(tǒng)計(jì)了通過遮光罩內(nèi)壁及光欄二次發(fā)射到達(dá)主鏡中心點(diǎn)的輻射密度。結(jié)果顯示，外壁OSR直環(huán)光欄模型中到達(dá)主鏡中心的地球反照熱流密度最大，是兩面發(fā)黑直環(huán)光欄的5.0～7.5倍；4條直線段橢球面光欄模型中主鏡中心的地球反照熱流不到兩面發(fā)黑直環(huán)光欄的2倍；10條直線段橢球面光欄模型中到達(dá)主鏡中心的地球反照熱流略小于兩面發(fā)黑直環(huán)光欄的。由此可見，橢球形反射光欄具有良好的消除外雜散光性能，特別是光欄橢球曲面精度越高，消除雜散光能力越強(qiáng)，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的兩面發(fā)黑直環(huán)光欄。

圖6 最高溫時(shí)刻遮光罩及光欄溫度云圖Fig.6 The temperature contour maps of sunshade and gratings at the highest temperature

圖7 二次反射到達(dá)主鏡的地球反照熱流密度曲線Fig. 7 The variation of heat flux of secondary reflection albedo on the primary mirror

4 結(jié)束語

橢球面光欄相比傳統(tǒng)的直環(huán)光欄，可以有效減小夜間遮光罩內(nèi)壁的太陽直射熱負(fù)荷，能將遮光罩自身溫度控制在較低的水平，減低了相機(jī)前鏡頭光學(xué)組件的熱控難度，同時(shí)減少了紅外雜散光。并且此種光欄具有良好的消除視場外可見光譜段雜散光的能力，橢球曲面精度越高，消除雜散光能力越強(qiáng)，甚至優(yōu)于兩面發(fā)黑處理的直環(huán)光欄。因此橢球面光欄有很大的潛力應(yīng)用于地球靜止軌道可見光/紅外雙成像通道遙感相機(jī)。

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Application of Reflective Ellipsoid Grating System in Space Optical Remote Sensor

YANG Tao LI Chunlin MENG Qingliang

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

For the purpose of suppressing the external stray light from the sun, earth and atmosphere, a cyclical grating system is traditionally used on baffle inner wall. The traditional cyclical grating system with high absorptance enlarges the blackbody area at entrance, and causes its and baffle’s temperature extremely high when baffle inner wall is illuminated directly by sunshine. This has negative impact on temperature stability of space camera near baffle and induces extra stray infrared light. To eliminate the defects of traditional cyclical grating system, a reflective ellipsoid grating system is designed in this paper. The thermal analysis soft code UG NX is used to modeling the heat load and stray light distribution of traditional cyclical grating system and the reflective ellipsoid grating system in the flight environment on geostationary orbit respectively. The simulation results indicate that compared with the traditional grating system, the reflective ellipsoid grating system can eliminate stray light from the sun, earth and atmosphere, and can decrease heat load of entrance by 60%～70%, which can avoid the baffle’s extremely high temperature.

remote sensor; ellipsoid grating; heat load; stray light; space remote sensing

V443.5

: A

: 1009-8518(2016)02-0074-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.010

楊濤，男，1986生，2010年獲南京理工大學(xué)工程熱物理專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。主要從事空間光學(xué)遙感器熱設(shè)計(jì)。E-mail：yangt012186@126.com。

（編輯：夏淑密）

2016-01-25

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2008AA121900）