石棟梁 肖琴 練敏隆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛(wèi)星相機雜散光分析與抑制技術(shù)研究

石棟梁 肖琴 練敏隆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛(wèi)星相機工作在雜光環(huán)境嚴峻的地球靜止軌道，必須進行深入的雜散光分析與抑制設(shè)計以減小雜散光的影響。文章分析了相機的雜散光來源，介紹了適合“高分四號”衛(wèi)星相機的雜散光評價指標，并結(jié)合“高分四號”衛(wèi)星相機太陽規(guī)避分析和相機R-C光學系統(tǒng)特點分析，詳細設(shè)計了主遮光罩及擋光環(huán)、蜂窩結(jié)構(gòu)的次鏡遮光罩、中心消光筒及擋光環(huán)、杜瓦內(nèi)多級冷屏等雜光抑制結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，建立了相機結(jié)構(gòu)的幾何模型和表面屬性，利用Tracepro雜光分析軟件分別對“高分四號”衛(wèi)星相機的各個通道進行了雜散光分析，并根據(jù)分析結(jié)果對相機的雜光指標進行了計算和評價。計算得到了可見光和中波紅外兩個通道的雜光系數(shù)以及不同角度下的點源透射比曲線，其中可見光通道雜光系數(shù) 1.1%，中波紅外通道雜光系數(shù)0.63%，兩通道的點源透射比均低于 1×10-6。最終結(jié)果表明，“高分四號”衛(wèi)星相機雜光抑制措施有效，各通道雜光抑制效果良好。

雜光系數(shù) 雜散光分析 雜光抑制 “高分四號”衛(wèi)星 光學遙感相機

0 引言

“高分四號”衛(wèi)星工作在36 000km的地球靜止軌道（GEO）上，能夠?qū)﹃P(guān)注區(qū)域進行實時觀測，滿足連續(xù)長期監(jiān)測的需求。然而靜止軌道強烈的太陽光輻射環(huán)境使相機面臨十分嚴峻的雜散光問題。FY-2靜止氣象衛(wèi)星的可見光、紅外、水汽通道圖像均出現(xiàn)不同程度的雜光信號飽和[1]，日本GMS氣象衛(wèi)星同樣受到類似雜光問題的影響[2]，美國的地球靜止軌道環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星-8（GOES-8）在午夜成像時出現(xiàn)了嚴重的雜散光問題，并因此關(guān)機[3]。雜散光會造成相機成像信噪比的降低，干擾成像信號的提取和識別，更有甚者對探測器造成損傷[4-5]。如今國外幾乎所有的光學遙感相機都進行了雜光抑制設(shè)計，文獻[6]對地基望遠鏡進行了雜散光分析，在獲取高性能的前提下很大程度地節(jié)約了成本；文獻[7]對深空探索望遠鏡的雜散光進行了深入研究；即將發(fā)射的 James Webb望遠鏡同樣進行了雜散光的分析和抑制設(shè)計[8]；文獻[9]對日冕儀的鏡面污染進行了測試，并分析了其雜光的影響；文獻[10-11]對紫外、X-ray光學系統(tǒng)的雜光進行了研究；國內(nèi)一些光學遙感相機也進行了雜散光的分析與抑制[12-14]。

“高分四號”衛(wèi)星相機由可見和中波紅外兩個通道組成，二者共用 R-C主光學系統(tǒng)，系統(tǒng)光路如圖 1所示。

圖1 “高分四號”衛(wèi)星相機光路Fig.1 Diagram of GF-4 satellite camera light path

本文分析了“高分四號”衛(wèi)星相機的雜光環(huán)境，結(jié)合光學系統(tǒng)特點設(shè)計了主要雜光抑制結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上進行整機不同通道的雜光分析，依據(jù)分析結(jié)果對光機雜光抑制措施進一步優(yōu)化，并通過對最終狀態(tài)的整機雜光水平分析以及在軌成像效果，驗證了光機雜光抑制的有效性。

1 雜散光來源及評價指標

1.1雜散光來源

“高分四號”衛(wèi)星相機雜散光來源主要包括兩類：外雜光和內(nèi)雜光。外雜光主要是指外部輻射源，包括視場外的太陽光、地氣輻射等經(jīng)光機結(jié)構(gòu)的散射形成的雜散光，其中還包括光學元件表面的多次反射形成的雜散光（即鬼像）；內(nèi)雜光是指光機結(jié)構(gòu)的自發(fā)輻射直接或經(jīng)光機結(jié)構(gòu)散射到達像面形成的雜散光。

相機工作在GEO軌道，需要特別注意午夜前后的太陽光入侵。由于GEO光學遙感衛(wèi)星工作軌道距離地球較遠，在午夜時分地球陰影無法遮擋衛(wèi)星（地影期除外），將出現(xiàn)陽光入侵衛(wèi)星相機的現(xiàn)象。太陽入侵除了會造成遮光罩等結(jié)構(gòu)的升溫，使得相機溫控要求很難實現(xiàn)外，同時引起紅外譜段內(nèi)輻射雜光水平升高；還會增大太陽光照射遮光罩內(nèi)壁引起的散射雜光，嚴重時影響相機的使用壽命或使相機失效[15]。為此，“高分四號”衛(wèi)星采取午夜太陽規(guī)避策略，保證規(guī)定角度內(nèi)的太陽光不能照射到次鏡支撐根部。

此外，由于相機具有紅外成像通道，光機系統(tǒng)自發(fā)輻射引起的內(nèi)雜光會影響相機的成像信噪比和動態(tài)范圍，因而內(nèi)雜光的影響也必須考慮?？梢姽馔ǖ烙捎谧V段內(nèi)光機自發(fā)輻射極弱，可不作考慮。

1.2 雜散光評價指標

（1）點源透射比（Point Source Transmittance，PST）[16]

PST是評價不同離軸角度下光學系統(tǒng)雜光抑制能力的主要指標，定義為由離軸角為θ的光源（點源或者平行光光源）經(jīng)光學系統(tǒng)抵達探測器的輻照度Ed()θ和光源在光學系統(tǒng)入口上的輻照度EI()θ之比

分別計算視場外不同離軸角下的PST，可以獲知光學系統(tǒng)的雜光抑制水平。太陽等星體近似看做無窮遠處的點光源，可用PST評價相機由太陽引起的雜散光影響。

（2）雜光系數(shù)（Veiling Glare Index，V）

雜光系數(shù)定義如下：放在亮度均勻擴展光屏（通常采用積分球來實現(xiàn)）中心的理想黑斑（積分球內(nèi)壁上安裝的人工黑體，如牛角管）經(jīng)被測光學系統(tǒng)在探測器上形成的黑斑像中心的照度為EB，黑斑移去時光學系統(tǒng)探測器上照度為E，二者之比得到雜光系數(shù)

雜光系數(shù)的實質(zhì)為，探測器上的雜光能量占所有抵達探測器能量的比例，是描述光學系統(tǒng)雜光性能的常用參數(shù)，能夠直觀的體現(xiàn)相機雜光的大小。

同時使用以上兩種指標，根據(jù)各自的特點分別得到點光源和擴展光源條件下相機雜散光的大小，能夠更為全面的評價“高分四號”衛(wèi)星相機雜散光的影響。

2 雜光抑制設(shè)計

2.1遮光罩設(shè)計

遮光罩的主要作用是遮擋外雜光，同時不遮擋正常成像光線。根據(jù)“高分四號”衛(wèi)星相機R-C雙反系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，所需的遮光罩包括主遮光罩和內(nèi)遮光罩（包括次鏡遮光罩和主鏡中心消光筒）。

主遮光罩設(shè)計示意圖如圖 2所示，圖中 D0為光學系統(tǒng)入瞳直徑（本文為次鏡位置處光瞳直徑），D1為遮光罩前端口徑，L為遮光罩長度，ω為系統(tǒng)視場角，γ為太陽規(guī)避角，太陽光線與光軸夾角小于γ時衛(wèi)星進行主動規(guī)避。根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系有

計算得到主遮光罩長度L=1 620mm，D1=750mm。

圖2 主遮光罩設(shè)計示意Fig.2 Design sketch of main baffle

內(nèi)遮光罩的設(shè)計遵循以下原則[17]：內(nèi)遮光罩不遮擋正常成像光線；無漏光；最小的漸暈。上述原則具體而言也即：1）最大孔徑的上邊緣視場光線不被次鏡遮光罩遮擋；2）最大孔徑的上邊緣視場光線不被中心消光筒遮擋；3）最小孔徑的下邊緣視場光線不被中心消光筒遮擋；4）不漏光。根據(jù)以上原則，內(nèi)遮光罩設(shè)計如圖3所示，圖3中d1為主次鏡中心距，d2為一次像面到主鏡中心距離，f1為主鏡焦距，ω為系統(tǒng)視場角。

圖3 內(nèi)遮光罩設(shè)計示意Fig.3 Design sketch of the inner baffle

根據(jù)上述原則，計算得到次鏡遮光罩的最大口徑為 253.6mm，距次鏡頂點距離為 85.4mm，主鏡中心消光筒前端口徑50.2mm，距離主鏡中心240mm。

2.2擋光環(huán)設(shè)計

相機要求具有較高的雜光抑制水平，需要對遮光罩進行擋光環(huán)設(shè)計，配合高吸收率黑漆減少遮光罩引起的散射雜光。

主遮光罩擋光環(huán)設(shè)計如圖 4所示。擋光環(huán)設(shè)計保證遮光罩一次散射雜光不能直接打到主鏡表面上[18]，圖4中虛線代表光管，即最大光束范圍。具體步驟為，連接主鏡邊緣點B與外遮光罩邊緣點C與光管交于點D0確定一級擋光環(huán)；連接光管邊緣點A與一級擋光環(huán)邊緣點D0交外遮光罩于D1，連接主鏡邊緣點B與D1與光管交于點E0確定下一級擋光環(huán)；依次類推。

圖4 主遮光罩擋光環(huán)設(shè)計示意Fig.4 Design sketch of main baffle vans

主鏡內(nèi)遮光罩擋光環(huán)設(shè)計示意圖如圖5所示，保證從次鏡反射到主鏡遮光罩內(nèi)壁上的光線避免經(jīng)過一次散射就打到后方的光學元件上，并且不阻擋正常成像光束，圖中虛線對應(yīng)光束孔徑（光管）。具體設(shè)計方法為，連接次鏡上邊緣點 I與主鏡內(nèi)遮光罩后端下邊緣點 J，其與光管交點確定第一級擋光環(huán)位置及口徑；連接光管后端上邊緣點 M與一級擋光環(huán)邊緣點交主鏡內(nèi)遮光罩壁于 K'點，連接次鏡上邊緣點I與點K'，其與光管交點確定下一級擋光環(huán)位置及口徑；以此類推。

圖5 內(nèi)遮光罩擋光環(huán)設(shè)計示意Fig.5 Design sketch of inner baffle vans

最終設(shè)計的主遮光罩、中心消光筒如圖6所示。

圖6 內(nèi)、外遮光罩結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Diagram of main baffle and inner baffle

2.3多級冷屏設(shè)計

冷屏作為杜瓦中的一個重要配件，主要起減少背景光通量和降低背景噪聲的作用。紅外系統(tǒng)冷光闌效率 100%可避免結(jié)構(gòu)的自發(fā)輻射直接打到探測器上，而自身深度制冷的多級冷屏除了發(fā)揮冷光闌的作用，還可配合內(nèi)表面高吸收涂層大大降低經(jīng)杜瓦內(nèi)壁散射的結(jié)構(gòu)輻射雜光，同時冷屏的自身輻射可忽略不計。

多級冷屏的設(shè)計原則為：自冷屏開口的邊緣點出射的雜光經(jīng)筒壁產(chǎn)生的一次漫反射光不得落到像面的成像范圍內(nèi)，同時要保證不會遮攔視場角內(nèi)的光線。多級冷屏設(shè)計如圖7所示，具體設(shè)計思路可參見主遮光罩擋光環(huán)的設(shè)計，圖中h1為冷屏開口尺寸，h2為探測器尺寸。冷屏內(nèi)表面噴黑漆增大吸收率，外表面光亮處理以維持杜瓦內(nèi)腔溫度。

圖7 多級冷屏設(shè)計示意Fig.7 Design sketch of multistage cold shield

最終設(shè)計的冷屏結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 多級冷屏結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Model of multistage cold shield

2.4 其他雜光抑制設(shè)計

在初步雜光分析的基礎(chǔ)上，還添加了以下雜光抑制設(shè)計：1）次鏡遮光罩采用蜂窩結(jié)構(gòu)，進一步降低次鏡遮光罩內(nèi)表面散射。2）透鏡非通光面以及濾光片附近結(jié)構(gòu)減輕孔采取結(jié)構(gòu)遮擋，截斷雜光傳播路徑。

3 雜散光仿真分析

利用Tracepro雜光分析軟件對“高分四號”衛(wèi)星相機進行雜散光仿真分析，確定相機的兩個通道雜散光系數(shù)和PST，以及紅外通道的內(nèi)輻射雜光水平。

3.1光機表面屬性設(shè)定

對相機整機進行雜散光分析，首先設(shè)定光學元件的材料屬性和光機結(jié)構(gòu)的表面參數(shù)。光機結(jié)構(gòu)的表面參數(shù)是影響雜散光在光機系統(tǒng)的中傳輸?shù)闹饕绊懸蛩?，在Tracepro雜光分析軟件中用ABg模型對表面的散射屬性進行描述。ABg模型適用于描述大量結(jié)構(gòu)表面的雙向反射分布函數(shù)（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF），并且可直接應(yīng)用于雜散光分析軟件TracePro中，故本文采用ABg模型來描述材料表面散射特性，其表達式為

對于光學元件的通光表面，根據(jù)實測結(jié)果設(shè)定透過率、吸收率等；對于結(jié)構(gòu)表面，包括光學元件的非通光面，根據(jù)表面加工情況在分析中通常按理想漫反射面處理。鏡面散射 A=0.000 76，B=0.015，g=2；一般結(jié)構(gòu)表面發(fā)黑處理，吸收率 0.85，A=0.052 52，B=0.1，g=0；遮光罩、冷屏等內(nèi)表面噴涂光學消光漆，吸收率設(shè)為 0.90，A=0.035，B=0.1，g=0；杜瓦內(nèi)表面吸收率設(shè)為 0.25，A=0.099 56，B=0.01，g=2。

3.2 光線追跡光源設(shè)定

分析雜光系數(shù)時，根據(jù)雜光系數(shù)的定義以及對地成像的特點，光源設(shè)為朗伯面源，充滿相機遮光罩入口；分析PST時，根據(jù)PST定義，光源設(shè)為不同離軸角度下的平行光光源。

內(nèi)輻射光源分析，需將關(guān)鍵表面設(shè)為輻射源。關(guān)鍵表面的尋找方法為，將像面設(shè)成朗伯光源，從像面向物面進行逆向光路追跡，所有能被像面發(fā)光后照亮的表面均為關(guān)鍵表面。關(guān)鍵表面作為內(nèi)輻射光源時，他們發(fā)射出的能量將會直接進入探測器，是內(nèi)輻射雜光的主要來源。

內(nèi)輻射光源數(shù)量較多，在此不一一列出，這里僅給出內(nèi)輻射光源輻射出射度的計算公式：

式中 h為普朗克常數(shù)；c為光速；k為波爾茲曼常數(shù)；T為輻射溫度；ε為發(fā)射率；λ為輻射波長。本文計算波段為相機中波紅外的工作譜段，光機溫度根據(jù)實測值設(shè)定。

3.3光線追跡及結(jié)果分析

光機模型、表面屬性、光源等設(shè)置完成后進行光線追跡，光線追跡的閾值設(shè)為1×10-6，保證光線在結(jié)構(gòu)表面至少散射 6次，同時追跡大量光線數(shù)以保證結(jié)果的可靠性，朗伯光源追跡光線數(shù) 1×108，平行光源追跡光線數(shù)2×107。

根據(jù)分析結(jié)果，計算得到“高分四號”衛(wèi)星相機可見光通道雜光系數(shù)1.1%，中波紅外通道雜光系數(shù)0.63%，滿足雜光系數(shù)低于3%的指標要求。根據(jù)1.2節(jié)中PST的定義計算了兩通道的PST隨離軸角變化情況，如圖9所示，圖中縱坐標為PST的對數(shù)。從圖中可以看出，隨著離軸角增大，PST曲線整體呈下降趨勢，并且太陽規(guī)避角以外的離軸角度下，PST均低于1×10-6，滿足雜光要求。

圖9 “高分四號”衛(wèi)星相機兩通道PST曲線Fig.9 PST curve of GF-4 satellite camera’s two imaging channel

中波紅外通道像面內(nèi)輻射雜光照度為1.7×10-2W/m2，其中80%以上的內(nèi)輻射雜光來源于成像光學元件的自發(fā)輻射，表明結(jié)構(gòu)自發(fā)輻射雜光得到良好的抑制。

分析雜光路徑表明，除光學鏡面為一次散射面、次鏡遮光罩內(nèi)表面為二次散射面，光機系統(tǒng)其余表面幾乎不存在二次、三次散射路徑，同時由于次鏡遮光罩采用了復(fù)雜的蜂窩結(jié)構(gòu)，雜光散射量大大降低，多次散射雜光所占比例很小，雜光抑制結(jié)構(gòu)起到良好的效果。

4 結(jié)束語

本文對“高分四號”衛(wèi)星相機的雜散光分析與抑制設(shè)計進行了研究。通過相機特點分析和雜散光來源分析，設(shè)計了主遮光罩、內(nèi)遮光罩、擋光環(huán)以及多級冷屏等雜光抑制結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成了相機可見光、中波紅外兩個通道的內(nèi)、外雜散光分析和雜光評價指標計算。結(jié)果表明，雜光抑制優(yōu)化設(shè)計后衛(wèi)星相機各通道外雜光得到良好的抑制，內(nèi)輻射雜光水平大幅降低，并且像面分布均勻，不會影響紅外通道的成像。同時，“高分四號”衛(wèi)星相機在軌成像圖像品質(zhì)良好，進一步證明了相機雜光抑制的有效性。

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Research on Stray Light Analysis and Restrain of GF-4 Satellite Camera

SHI Dongliang XIAO Qin LIAN Minlong

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

GF-4 satellite camera works in an environment with severe stray light, so stray light analysis and suppression must be done in-depth. Stray light assessment indexes (inclued veiling index and point source transmittance) are introduced in this paper, which are applicable for GF-4 satellite camera. By analyzing the stray light sources and avoiding of sunlight invasion, together with characteristics of GF-4 optical system, baffles, vans and other stray light restrain structures are designed. Stray light analysis is done in each optical channel of GF-4 satellite camera, and with the result of analysis, stray light index is calculated and assessed. Results show that the veiling index of visible channel and middle infrared channel are 1.1% and 0.63% respectively, the PSTs of both channel are less than 1×10-6. The results indicate that stray light restrain structures get its effectiveness and GF-4 satellite camera has a low stray light level.

veiling index; stray light analysis; stray light restrain; GF-4 satellite; optical remote sensing camera

V447+.1

: A

: 1009-8518(2016)05-0049-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.05.006

石棟梁，男，1991年生，2014年獲哈爾濱工業(yè)大學光學工程專業(yè)工程碩士學位，工程師。主要研究方向為遙感器總體設(shè)計和雜散光分析與抑制。E-mail: stong20080821@126.com。

（編輯：龐冰）

2016-03-31

國家重大科技專項工程