石棟梁 肖琴 練敏隆

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)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(jī)電研究所，北京 100094）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)工作在雜光環(huán)境嚴(yán)峻的地球靜止軌道，必須進(jìn)行深入的雜散光分析與抑制設(shè)計(jì)以減小雜散光的影響。文章分析了相機(jī)的雜散光來(lái)源，介紹了適合“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)的雜散光評(píng)價(jià)指標(biāo)，并結(jié)合“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)太陽(yáng)規(guī)避分析和相機(jī)R-C光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)分析，詳細(xì)設(shè)計(jì)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(jí)冷屏等雜光抑制結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，建立了相機(jī)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(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)的各個(gè)通道進(jìn)行了雜散光分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)相機(jī)的雜光指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算和評(píng)價(jià)。計(jì)算得到了可見(jiàn)光和中波紅外兩個(gè)通道的雜光系數(shù)以及不同角度下的點(diǎn)源透射比曲線，其中可見(jiàn)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(diǎn)源透射比均低于 1×10-6。最終結(jié)果表明，“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)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(hào)”衛(wèi)星 光學(xué)遙感相機(jī)

0 引言

“高分四號(hào)”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(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，滿足連續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需求。然而靜止軌道強(qiáng)烈的太陽(yáng)光輻射環(huán)境使相機(jī)面臨十分嚴(yán)峻的雜散光問(wèn)題。FY-2靜止氣象衛(wèi)星的可見(jiàn)光、紅外、水汽通道圖像均出現(xiàn)不同程度的雜光信號(hào)飽和[1]，日本GMS氣象衛(wèi)星同樣受到類(lèi)似雜光問(wèn)題的影響[2]，美國(guó)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(shí)出現(xiàn)了嚴(yán)重的雜散光問(wèn)題，并因此關(guān)機(jī)[3]。雜散光會(huì)造成相機(jī)成像信噪比的降低，干擾成像信號(hào)的提取和識(shí)別，更有甚者對(duì)探測(cè)器造成損傷[4-5]。如今國(guó)外幾乎所有的光學(xué)遙感相機(jī)都進(jìn)行了雜光抑制設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[6]對(duì)地基望遠(yuǎn)鏡進(jìn)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(xiàn)[7]對(duì)深空探索望遠(yuǎn)鏡的雜散光進(jìn)行了深入研究；即將發(fā)射的 James Webb望遠(yuǎn)鏡同樣進(jìn)行了雜散光的分析和抑制設(shè)計(jì)[8]；文獻(xiàn)[9]對(duì)日冕儀的鏡面污染進(jìn)行了測(cè)試，并分析了其雜光的影響；文獻(xiàn)[10-11]對(duì)紫外、X-ray光學(xué)系統(tǒng)的雜光進(jìn)行了研究；國(guó)內(nèi)一些光學(xué)遙感相機(jī)也進(jìn)行了雜散光的分析與抑制[12-14]。

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

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

本文分析了“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)的雜光環(huán)境，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了主要雜光抑制結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行整機(jī)不同通道的雜光分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)光機(jī)雜光抑制措施進(jìn)一步優(yōu)化，并通過(guò)對(duì)最終狀態(tài)的整機(jī)雜光水平分析以及在軌成像效果，驗(yàn)證了光機(jī)雜光抑制的有效性。

1 雜散光來(lái)源及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1雜散光來(lái)源

“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)雜散光來(lái)源主要包括兩類(lèi)：外雜光和內(nèi)雜光。外雜光主要是指外部輻射源，包括視場(chǎng)外的太陽(yáng)光、地氣輻射等經(jīng)光機(jī)結(jié)構(gòu)的散射形成的雜散光，其中還包括光學(xué)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(jī)結(jié)構(gòu)的自發(fā)輻射直接或經(jīng)光機(jī)結(jié)構(gòu)散射到達(dá)像面形成的雜散光。

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

此外，由于相機(jī)具有紅外成像通道，光機(jī)系統(tǒng)自發(fā)輻射引起的內(nèi)雜光會(huì)影響相機(jī)的成像信噪比和動(dòng)態(tài)范圍，因而內(nèi)雜光的影響也必須考慮?？梢?jiàn)光通道由于譜段內(nèi)光機(jī)自發(fā)輻射極弱，可不作考慮。

1.2 雜散光評(píng)價(jià)指標(biāo)

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

PST是評(píng)價(jià)不同離軸角度下光學(xué)系統(tǒng)雜光抑制能力的主要指標(biāo)，定義為由離軸角為θ的光源（點(diǎn)源或者平行光光源）經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)抵達(dá)探測(cè)器的輻照度Ed()θ和光源在光學(xué)系統(tǒng)入口上的輻照度EI()θ之比

分別計(jì)算視場(chǎng)外不同離軸角下的PST，可以獲知光學(xué)系統(tǒng)的雜光抑制水平。太陽(yáng)等星體近似看做無(wú)窮遠(yuǎn)處的點(diǎn)光源，可用PST評(píng)價(jià)相機(jī)由太陽(yáng)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(kuò)展光屏（通常采用積分球來(lái)實(shí)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(cè)光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè)器上形成的黑斑像中心的照度為EB，黑斑移去時(shí)光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)器上照度為E，二者之比得到雜光系數(shù)

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

同時(shí)使用以上兩種指標(biāo)，根據(jù)各自的特點(diǎn)分別得到點(diǎn)光源和擴(kuò)展光源條件下相機(jī)雜散光的大小，能夠更為全面的評(píng)價(jià)“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)雜散光的影響。

2 雜光抑制設(shè)計(jì)

2.1遮光罩設(shè)計(jì)

遮光罩的主要作用是遮擋外雜光，同時(shí)不遮擋正常成像光線。根據(jù)“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)R-C雙反系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(jì)示意圖如圖 2所示，圖中 D0為光學(xué)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(zhǎng)度，ω為系統(tǒng)視場(chǎng)角，γ為太陽(yáng)規(guī)避角，太陽(yáng)光線與光軸夾角小于γ時(shí)衛(wèi)星進(jìn)行主動(dòng)規(guī)避。根據(jù)圖2中的幾何關(guān)系有

計(jì)算得到主遮光罩長(zhǎng)度L=1 620mm，D1=750mm。

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

內(nèi)遮光罩的設(shè)計(jì)遵循以下原則[17]：內(nèi)遮光罩不遮擋正常成像光線；無(wú)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(chǎng)光線不被次鏡遮光罩遮擋；2）最大孔徑的上邊緣視場(chǎng)光線不被中心消光筒遮擋；3）最小孔徑的下邊緣視場(chǎng)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(jì)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(chǎng)角。

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

根據(jù)上述原則，計(jì)算得到次鏡遮光罩的最大口徑為 253.6mm，距次鏡頂點(diǎn)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(jì)

相機(jī)要求具有較高的雜光抑制水平，需要對(duì)遮光罩進(jìn)行擋光環(huán)設(shè)計(jì)，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(jì)如圖 4所示。擋光環(huán)設(shè)計(jì)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(diǎn)B與外遮光罩邊緣點(diǎn)C與光管交于點(diǎn)D0確定一級(jí)擋光環(huán)；連接光管邊緣點(diǎn)A與一級(jí)擋光環(huán)邊緣點(diǎn)D0交外遮光罩于D1，連接主鏡邊緣點(diǎn)B與D1與光管交于點(diǎn)E0確定下一級(jí)擋光環(huán)；依次類(lèi)推。

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

主鏡內(nèi)遮光罩擋光環(huán)設(shè)計(jì)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(guò)一次散射就打到后方的光學(xué)元件上，并且不阻擋正常成像光束，圖中虛線對(duì)應(yīng)光束孔徑（光管）。具體設(shè)計(jì)方法為，連接次鏡上邊緣點(diǎn) I與主鏡內(nèi)遮光罩后端下邊緣點(diǎn) J，其與光管交點(diǎn)確定第一級(jí)擋光環(huán)位置及口徑；連接光管后端上邊緣點(diǎn) M與一級(jí)擋光環(huán)邊緣點(diǎn)交主鏡內(nèi)遮光罩壁于 K'點(diǎn)，連接次鏡上邊緣點(diǎn)I與點(diǎn)K'，其與光管交點(diǎn)確定下一級(jí)擋光環(huán)位置及口徑；以此類(lèi)推。

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

最終設(shè)計(jì)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(jí)冷屏設(shè)計(jì)

冷屏作為杜瓦中的一個(gè)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(cè)器上，而自身深度制冷的多級(jí)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(shí)冷屏的自身輻射可忽略不計(jì)。

多級(jí)冷屏的設(shè)計(jì)原則為：自冷屏開(kāi)口的邊緣點(diǎn)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(shí)要保證不會(huì)遮攔視場(chǎng)角內(nèi)的光線。多級(jí)冷屏設(shè)計(jì)如圖7所示，具體設(shè)計(jì)思路可參見(jiàn)主遮光罩擋光環(huán)的設(shè)計(jì)，圖中h1為冷屏開(kāi)口尺寸，h2為探測(cè)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(jí)冷屏設(shè)計(jì)示意Fig.7 Design sketch of multistage cold shield

最終設(shè)計(jì)的冷屏結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 多級(jí)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(jì)

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(jì)：1）次鏡遮光罩采用蜂窩結(jié)構(gòu)，進(jìn)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?cái)嚯s光傳播路徑。

3 雜散光仿真分析

利用Tracepro雜光分析軟件對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)進(jìn)行雜散光仿真分析，確定相機(jī)的兩個(gè)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(jī)表面屬性設(shè)定

對(duì)相機(jī)整機(jī)進(jìn)行雜散光分析，首先設(shè)定光學(xué)元件的材料屬性和光機(jī)結(jié)構(gòu)的表面參數(shù)。光機(jī)結(jié)構(gòu)的表面參數(shù)是影響雜散光在光機(jī)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(duì)表面的散射屬性進(jìn)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(lái)描述材料表面散射特性，其表達(dá)式為

對(duì)于光學(xué)元件的通光表面，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果設(shè)定透過(guò)率、吸收率等；對(duì)于結(jié)構(gòu)表面，包括光學(xué)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(xué)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(shí)，根據(jù)雜光系數(shù)的定義以及對(duì)地成像的特點(diǎn)，光源設(shè)為朗伯面源，充滿相機(jī)遮光罩入口；分析PST時(shí)，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(jìn)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(shí)，他們發(fā)射出的能量將會(huì)直接進(jìn)入探測(cè)器，是內(nèi)輻射雜光的主要來(lái)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(jì)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(zhǎng)。本文計(jì)算波段為相機(jī)中波紅外的工作譜段，光機(jī)溫度根據(jù)實(shí)測(cè)值設(shè)定。

3.3光線追跡及結(jié)果分析

光機(jī)模型、表面屬性、光源等設(shè)置完成后進(jìn)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(shí)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(jì)算得到“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)可見(jiàn)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(biāo)要求。根據(jù)1.2節(jié)中PST的定義計(jì)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(biāo)為PST的對(duì)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(shì)，并且太陽(yáng)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(hào)”衛(wèi)星相機(jī)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(lái)源于成像光學(xué)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(xué)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(jī)系統(tǒng)其余表面幾乎不存在二次、三次散射路徑，同時(shí)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(yǔ)

本文對(duì)“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)的雜散光分析與抑制設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過(guò)相機(jī)特點(diǎn)分析和雜散光來(lái)源分析，設(shè)計(jì)了主遮光罩、內(nèi)遮光罩、擋光環(huán)以及多級(jí)冷屏等雜光抑制結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上完成了相機(jī)可見(jiàn)光、中波紅外兩個(gè)通道的內(nèi)、外雜散光分析和雜光評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算。結(jié)果表明，雜光抑制優(yōu)化設(shè)計(jì)后衛(wèi)星相機(jī)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(huì)影響紅外通道的成像。同時(shí)，“高分四號(hào)”衛(wèi)星相機(jī)在軌成像圖像品質(zhì)良好，進(jìn)一步證明了相機(jī)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(xué)光學(xué)工程專(zhuān)業(yè)工程碩士學(xué)位，工程師。主要研究方向?yàn)檫b感器總體設(shè)計(jì)和雜散光分析與抑制。E-mail: stong20080821@126.com。

（編輯：龐冰）

2016-03-31

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)工程