殷愷，鈕新華，張鍔

1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,上海 200083;

2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;

3.中國科學(xué)院紅外探測與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200083

1 引言

雜散光是指從光學(xué)系統(tǒng)視場外入射到像面的非成像光線，在一定程度上會(huì)降低像面的對比度和整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的信噪比，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使像質(zhì)惡化，甚至阻礙系統(tǒng)正常成像。星載光學(xué)系統(tǒng)處于大氣層外特殊的環(huán)境，當(dāng)它的運(yùn)行位置與太陽、月亮等天體構(gòu)成特定角度關(guān)系時(shí)就會(huì)受到雜散光影響，不僅成像受到干擾，儀器的定標(biāo)精度也會(huì)下降。因此對于星載光學(xué)系統(tǒng)的雜散光研究十分必要。

極軌氣象衛(wèi)星軌道高度一般為830 km左右，光學(xué)載荷工作模式為掃描成像，刈幅寬度約3000 km，在軌工作易受到雜散光影響，當(dāng)滿足特定的時(shí)間和光照條件時(shí)影響相當(dāng)明顯。即使考慮到雜散光抑制設(shè)計(jì)，要做到全年任何光照條件下完全消除雜散光影響仍然是十分困難的。Cao 等（2001）分析了AVHRR 在衛(wèi)星穿越晨昏線時(shí)定標(biāo)黑體計(jì)數(shù)值和定標(biāo)系數(shù)的變化，結(jié)合受到雜散光影響的圖像，確定了雜散光污染通常發(fā)生在衛(wèi)星日出（出陰影）且太陽天頂角為70°—118°時(shí)。NOAA 最新一代載荷VIIRS將離軸三反主光學(xué)系統(tǒng)整合在旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡組件（RTA）中，起到雜散光抑制作用，但是在軌工作時(shí)晝夜帶通道（DNB）仍然發(fā)現(xiàn)存在雜散光影響。Mills 等（2013）對圖像的雜散光模式進(jìn)行了分析表征，歸納出雜散光污染主要發(fā)生在太陽天頂角98°—102°，將太陽污染的方式分為通過對地窗口、通過太陽衰減屏和地球半影區(qū)3 種類型，并且基于對數(shù)據(jù)的篩選擬合在圖像上對雜散光進(jìn)行修正。

中國極軌氣象衛(wèi)星歷經(jīng)FY-1 和FY-3 兩個(gè)系列。作為FY-1系列MVISR 載荷的繼承，可見光紅外掃描輻射計(jì)（VIRR）在FY-3A/B/C 星上都有搭載，在軌工作已有十年以上，獲取了大量遙感數(shù)據(jù)，對氣候研究具有重要作用。儀器長期連續(xù)工作涵蓋了不同的光照條件，通過分析儀器在長時(shí)間序列中響應(yīng)的變化情況，能夠掌握儀器在軌探測的變化規(guī)律，對于歷史數(shù)據(jù)再定標(biāo)具有重大意義。徐寒列等（2015）分析了FY-3C/VIRR 的在軌定標(biāo)數(shù)據(jù)（OBC 文件），發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星進(jìn)出陰影時(shí)伴有黑體計(jì)數(shù)值的異常，初步判斷污染來源為太陽雜散光。朱吉彪等（2021）針對VIRR 通道3 存在條帶噪聲的圖像展開分析，認(rèn)為噪聲的來源是太陽光線經(jīng)過反射或散射進(jìn)入儀器內(nèi)部，從而造成像面的雜散光污染。

以上國內(nèi)外研究從數(shù)據(jù)應(yīng)用的角度對遙感圖像和遙測參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而對雜散光來源進(jìn)行估計(jì)，通過統(tǒng)計(jì)的方法降低雜散光對遙感數(shù)據(jù)的不良影響。張鍔等（2020）對VIRR 儀器結(jié)構(gòu)和工作模式進(jìn)行了詳細(xì)闡釋，分析了VIRR 在掃描冷空時(shí)觀察到月球?qū)Χ?biāo)產(chǎn)生的影響，為定標(biāo)數(shù)據(jù)的修正提供了參考。本文通過對VIRR 實(shí)際光學(xué)成像系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真了不同光照條件下的雜散光效應(yīng)，并開展了在軌儀器備份產(chǎn)品的雜散光復(fù)測與驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上對儀器歷史遙感數(shù)據(jù)及圖像進(jìn)行分析，獲得了特定軌道條件下的雜散光量級初步結(jié)果。

2 VIRR雜散光建模仿真與實(shí)測

2.1 VIRR建模步驟與結(jié)果驗(yàn)證

VIRR 具有10個(gè)光譜通道，如表1所示（Wang等，2018）。VIRR 光學(xué)系統(tǒng)由掃描鏡、主光學(xué)系統(tǒng)和后光路組成，主光學(xué)為同軸兩反望遠(yuǎn)鏡，主次鏡面均為拋物面。入射光線經(jīng)過掃描鏡和主光學(xué)之后在分光鏡上分光，分別進(jìn)入不同的后光路并成像在各個(gè)通道的探測器焦面。VIRR 各通道探測器尺寸不同，其視場角也有區(qū)別，具體指標(biāo)見表2。

表1 FY-3（A，B，C）/VIRR光譜通道參數(shù)Table 1 FY-3（A，B，C）/VIRR spectral band specifications

表2 VIRR光學(xué)系統(tǒng)主要指標(biāo)Table 2 Major specifications of VIRR optical system

表3 雜散光峰值情況對應(yīng)各關(guān)鍵面PST量級Table 3 The PST level of each critical surface corresponding to situations where straylight peaks

目前對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行雜散光分析的軟件有TracePro和Light tools等，本文采用TracePro對VIRR進(jìn)行建模和雜散光分析。衛(wèi)星載荷布局如圖1（a）所示（Yang等，2012），圖中紅色圓圈內(nèi)的是VIRR。仿真時(shí)光源的初始位置位于星下點(diǎn)，如圖1（b）所示。通過光線追跡，入射平行光首先經(jīng)過同軸兩反的主光學(xué)，在后光路分光后通過透鏡組會(huì)聚在探測器焦面中心，像斑能量符合實(shí)際情況，驗(yàn)證了建模的正確性。

圖1 VIRR在衛(wèi)星平臺上的布局和單機(jī)仿真模型Fig.1 Configuration of VIRR on satellite platform and single model of simulation

通過建立光源并調(diào)整光源與掃描鏡的相對位置，在不同入射角進(jìn)行光線追跡，來得到儀器對不同照射條件雜散光的響應(yīng)。由于太陽作為無窮遠(yuǎn)目標(biāo)在儀器入瞳處可以視作均勻照射的平行光，所以在TracePro 仿真時(shí)將光源設(shè)置為均勻面光源，尺寸覆蓋整個(gè)掃描鏡。光源的輻照度以太陽常數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置為1367 W/m2，波長分別取探測器響應(yīng)曲線的中心波長。光源從中心視場入射和視場外大離軸角度入射時(shí)，探測器接收輻照度相差很大，需要設(shè)置不同量級的光線數(shù)，最終將光線數(shù)量設(shè)置在5E4—5E7 范圍。另一方面TracePro 提供了重點(diǎn)采樣功能（Freniere等，1997），將某些關(guān)鍵表面設(shè)置為重點(diǎn)采樣可以在不增加光線數(shù)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高仿真的效率。設(shè)置重點(diǎn)采樣的表面有掃描鏡表面（指向主鏡筒）、主鏡面（指向次鏡）、次鏡光闌（指向主鏡遮光筒）和接套內(nèi)壁（指向探測器）。選擇這些表面作為重點(diǎn)采樣是因?yàn)橥ㄟ^從探測器面反向追跡光線，確定這些表面是關(guān)鍵面，或者是關(guān)鍵光學(xué)表面，外部入射的雜散光經(jīng)過這些表面的一次散射或反射即可抵達(dá)探測器，因此需要著重分析。圖2顯示了光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)置重點(diǎn)采樣的位置。對于系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)元件，按照透鏡/反射鏡/分光鏡等特性分別設(shè)置其表面散射特性，對于機(jī)械零件，表面設(shè)置為發(fā)黑。

圖2 VIRR后光路結(jié)構(gòu)及重點(diǎn)采樣位置Fig.2 The rear optical structure of VIRR and positions with importance sampling

2.2 VIRR雜散光分析

評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)雜散光響應(yīng)情況普遍采用的指標(biāo)是點(diǎn)源透過率（PST），其定義為離軸角為θ的點(diǎn)源引起探測器上的輻照度與點(diǎn)源位于光軸上時(shí)入瞳處的輻照度之比（Breault，2009），即

式中，Edetector(θ)為點(diǎn)源位于不同離軸角時(shí)探測器上的輻照度，Eentrance(0°)為點(diǎn)源位于光軸上時(shí)入瞳處的輻照度。PST曲線可以定量地反映出光學(xué)系統(tǒng)視場外雜散光的分布情況。

VIRR 通過掃描成像的工作模式實(shí)現(xiàn)較大的刈幅寬度，但同時(shí)受雜散光影響的范圍與可能性也相應(yīng)增加。為了分析VIRR 在各個(gè)方向受雜散光影響的情況，同時(shí)為了后續(xù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，需要在俯仰維、掃描維和偏航維進(jìn)行仿真進(jìn)而獲得PST曲線。以掃描鏡中心為旋轉(zhuǎn)中心將光源分別繞俯仰維（衛(wèi)星Y 軸）、掃描維（衛(wèi)星X 軸）和偏航維（衛(wèi)星Z軸）旋轉(zhuǎn)±90°，采集探測器表面的輻照度，并以光源的輻照度進(jìn)行歸一化，得到VIRR 可見光和近紅外通道在3個(gè)維度的PST曲線，如圖3所示?？梢姽夥抡嫒⊥ǖ?中心波長0.5 μm，近紅外取通道2 中心波長0.86 μm。通常情況下由于視場內(nèi)探測器響應(yīng)接近飽和，對分析儀器雜散光作用不大，所以一般忽略視場內(nèi)的響應(yīng)，在圖3 中沒有顯示90°的峰值，將PST 顯示上限設(shè)在1。圖3 中90°為星下點(diǎn)位置，橫坐標(biāo)為光線方向與相應(yīng)維度坐標(biāo)軸的夾角，圖3（a）圖為俯仰維的PST，橫坐標(biāo)為入射光方向與衛(wèi)星X 軸夾角，圖3（b）圖為掃描維的PST，橫坐標(biāo)為入射光方向與衛(wèi)星Y 軸夾角，圖3（c）圖為偏航維的PST，橫坐標(biāo)為入射光方向與衛(wèi)星Y軸夾角。

圖3 VIRR可見光和近紅外通道在3個(gè)維度的PST曲線Fig.3 PST curves of visible and near-IR band of VIRR in three dimensions

從圖3 中可以看出掃描維的PST 曲線在90°左右兩側(cè)具有對稱的兩個(gè)峰值，反映出光學(xué)系統(tǒng)的成像軸對稱性。俯仰維曲線同樣在90°左右兩側(cè)存在對稱的兩個(gè)峰值，但是在9°多出一個(gè)峰值，這是由掃描鏡和儀器殼體的外形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。當(dāng)光源分別從掃描鏡一端和儀器外殼一端入射時(shí)被遮擋情況不同，所以俯仰維PST曲線與掃描維相比存在差異。俯仰維和掃描維在90°±9°處的峰值量級為～1E-2，說明雜散光在偏離光軸9°附近入射會(huì)對儀器造成較強(qiáng)的影響，此時(shí)雜散光通過掃描鏡轉(zhuǎn)折進(jìn)入主鏡筒。通過TracePro軟件仿真分析，這一部分雜散光影響的主要來源是光線穿過主鏡遮光筒和次鏡光闌之間的空隙直射入分光鏡筒，從而進(jìn)入后光路被成像在探測器上，次要來源是主鏡反射的雜散光在次鏡光闌表面散射進(jìn)入后光路。

而俯仰維在入射光與衛(wèi)星X 軸夾角為9°的峰值對應(yīng)的是雜散光從掃描電機(jī)蓋一側(cè)入射，偏離主鏡筒光軸9°，不經(jīng)過掃描鏡轉(zhuǎn)折直接穿過電機(jī)蓋與主鏡遮光筒之間的縫隙入射到分光鏡筒，從而進(jìn)入后光路造成像面的雜散光污染，并且輻射的能量與90°±9°處的相當(dāng)。表 3顯示了這兩種雜散光入射情況對應(yīng)的各個(gè)關(guān)鍵面的PST量級。偏航維的雜散光入射路徑與此相似，由于電機(jī)蓋的遮擋面積更大，所以峰值低一個(gè)量級。

光源入射角度進(jìn)一步增大時(shí)，通過次鏡消雜光闌和主鏡遮光筒的衰減，雜散光得到抑制。為了驗(yàn)證建模及仿真結(jié)果，對與在軌儀器同技術(shù)狀態(tài)的備份產(chǎn)品開展了實(shí)驗(yàn)室雜散光復(fù)測工作。

2.3 備份產(chǎn)品雜散光復(fù)測

我們對VIRR 備份產(chǎn)品在PST 測試實(shí)驗(yàn)室的暗室內(nèi)進(jìn)行了雜散光測試。PST測試系統(tǒng)組成主要有大功率激光器、平行光管、暗室、轉(zhuǎn)臺和探測器系統(tǒng)，激光器出射波長為0.66 μm、功率為450 mW，平行光管為離軸兩反結(jié)構(gòu)，出光口徑1 m，PST 測試系統(tǒng)布局如圖4所示。

圖4 PST測試系統(tǒng)布局圖Fig.4 Configuration of PST measuring system

如圖5 所示，依靠L 型安裝支架和轉(zhuǎn)臺的共同作用，在3 個(gè)維度旋轉(zhuǎn)VIRR 備份產(chǎn)品，實(shí)際測得了VIRR 在俯仰維、掃描維和偏航維的PST。在測試全過程中儀器的掃描鏡固定在指星下點(diǎn)的位置，支架和部分支撐結(jié)構(gòu)表面覆蓋了黑布以減小試驗(yàn)誤差。VIRR 備份產(chǎn)品雜散光測試結(jié)果如圖6所示，為了將3 個(gè)維度的實(shí)測PST 曲線在一張圖中展現(xiàn)，橫坐標(biāo)采用了離軸角，表示的是雜散光入射方向與光學(xué)系統(tǒng)光軸的夾角。對應(yīng)到仿真PST曲線的3個(gè)維度的橫坐標(biāo)，應(yīng)當(dāng)取離軸角的互余角，即對于俯仰維離軸角的余角是入射光與衛(wèi)星X 軸的夾角，對于掃描維和偏航維離軸角的余角是入射光與衛(wèi)星Y軸的夾角。

圖5 VIRR雜散光實(shí)驗(yàn)室測試Fig.5 The experimental measurement of stray light for VIRR in laboratory

圖6 VIRR可見光通道不同維度PST測量值Fig.6 PST measurement result for visible channel of VIRR in different dimensions

PST 曲線的分析結(jié)果可以總結(jié)為以下3 點(diǎn)：（1）在峰值附近俯仰維與掃描維的量級比較符合，掃描維PST曲線具有與仿真結(jié)果相似的對稱性。當(dāng)光源入射角進(jìn)一步增大，由于儀器殼體存在遮擋，俯仰維曲線的對稱性就不存在了，但是掃描維曲線仍然對稱。（2）俯仰維和掃描為峰值在離軸角為10°附近，與仿真結(jié)果對應(yīng)，驗(yàn)證了直射雜散光的影響。同樣俯仰維在離軸大角度（圖6 中75°）也有一個(gè)峰值，對應(yīng)的就是雜散光從電機(jī)蓋方向入射的情況。（3）通過對比偏航維的PST曲線可以發(fā)現(xiàn)，光源從偏離主鏡筒光軸±20°范圍內(nèi)入射時(shí)，由于電機(jī)蓋存在一定的遮擋，探測器接收的雜散光相比俯仰維和掃描維低2—3 個(gè)量級。偏航維PST 曲線也存在對稱性，在曲線的下限（～1E-6 量級）與其他兩個(gè)維度的結(jié)果比較接近。

如圖7 所示，在VIRR 電機(jī)蓋上加裝擋板進(jìn)行了驗(yàn)證測試。圖8 顯示了VIRR 加裝擋板前后俯仰維PST的測試結(jié)果對比，可以看出加裝擋板后，從電機(jī)蓋方向入射的雜散光受到抑制，峰值下降了一個(gè)數(shù)量級，抑制效果明顯。

圖7 VIRR俯仰維加裝擋板Fig.7 VIRR installed a shield on the motor housing

圖8 VIRR俯仰維加擋板前后PST測試結(jié)果對比Fig.8 PST in pitch dimension with or without shield

實(shí)測結(jié)果與仿真存在一定的誤差，分析誤差來源有以下幾個(gè)方面：（1）儀器拆解成部件，并且在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中放置了近十年，與設(shè)計(jì)時(shí)的指標(biāo)參數(shù)肯定有較大差異，表現(xiàn)在鏡面光潔度、透鏡透過率、黑漆散射率等參數(shù)的改變；（2）仿真模型中采用的是儀器自身的探測器，而實(shí)測采用的是測試系統(tǒng)的探測器，兩者焦面尺寸不同，探測雜散光的范圍也就有差異，由于雜散光在像面分布不均勻，所以會(huì)導(dǎo)致最后測得的PST結(jié)果存在差異；（3）儀器的零位是通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)時(shí)取探測器最大輸出位置得到的，可能會(huì)存在一定的轉(zhuǎn)角誤差。

3 VIRR在軌雜散光仿真

以FY-3C/VIRR 為例分析VIRR 儀器在軌雜散光影響情況。FY-3C 星運(yùn)行在太陽同步軌道，標(biāo)稱軌道高度836 km，降交點(diǎn)地方時(shí)09：07（UTC）?？紤]到衛(wèi)星存在軌道漂移，實(shí)際軌道參數(shù)與發(fā)射時(shí)的標(biāo)稱值存在差異，所以在軌道仿真時(shí)選取衛(wèi)星當(dāng)日兩行報(bào)TLE（Two Line Element）作為軌道參數(shù)的輸入，仿真結(jié)果能夠較好地符合實(shí)際情況。圖9 為使用STK 導(dǎo)入20180321 當(dāng)日兩行報(bào)進(jìn)行軌道仿真，得到太陽矢量的時(shí)間分布，與OBCXX 文件進(jìn)行對比，時(shí)間角度均符合。

圖9 2018年3月21日太陽矢量時(shí)間分布Fig.9 Time profile of solar vector on March 21，2018

在衛(wèi)星坐標(biāo)系中，太陽矢量（Solar Vector）以太陽方位角θA和太陽天頂角θZ表示。太陽方位角θA是衛(wèi)星太陽連線在衛(wèi)星XY 平面內(nèi)投影與衛(wèi)星X 軸所成夾角，對于FY-3C星，θA∈(-180°，0°)，太陽天頂角θZ是衛(wèi)星太陽連線與衛(wèi)星（-Z）軸之間的夾角，θZ∈(0°，180°)。太陽光線矢量（Sunlight Vector）與太陽矢量方向相反，太陽光線矢量在衛(wèi)星坐標(biāo)系下與X、Y、Z 這3 軸的夾角分別為αβγ，太陽光線矢量與太陽方位角、天頂角之間的轉(zhuǎn)換公式如下：

轉(zhuǎn)換后的太陽光線矢量如圖10 所示，根據(jù)該矢量設(shè)置TracePro 中光源的法向。衛(wèi)星出陰影時(shí)γ角從118°開始減小，直到小于90°后太陽光不能再照射到衛(wèi)星對地面?？紤]到平臺環(huán)境可能存在雜散光的相互影響，在仿真中加入了衛(wèi)星平臺上與VIRR 直接相鄰的載荷中分辨率光譜成像儀（MERSI）的包絡(luò)模型，如圖11（a）所示。根據(jù)儀器外部包裹的多層材料設(shè)置表面屬性，選擇Diffuse White材料，吸收率0.01，總散射0.99。圖11中顯示了衛(wèi)星出陰影時(shí)太陽光線的傳輸情況。在衛(wèi)星出陰影前的8—10 min，星下點(diǎn)仍然是黑夜，但是由于衛(wèi)星軌道高度，太陽光已經(jīng)可以掠入射到衛(wèi)星對地面，太陽光經(jīng)MERSI 側(cè)壁多層材料漫反射，會(huì)對VIRR 產(chǎn)生雜散光影響。圖11（b）顯示了絕大部分入射的光線經(jīng)過主鏡遮光筒內(nèi)壁一次反射衰減后進(jìn)入后光路，少量散射光線直接進(jìn)入后光路，通過像面照度與光源照度求比值，出陰影雜散光PST 量級在6E-6—1E-5，比從電機(jī)蓋一側(cè)無遮擋直接入射的情況低兩個(gè)數(shù)量級。

圖10 2018年3月21日太陽光線矢量時(shí)間分布Fig.10 Time profile of sunlight vector on March 21，2018

圖11 VIRR太陽光入射仿真Fig.11 Simulated sunlight incidence on VIRR

衛(wèi)星進(jìn)陰影時(shí)由于MERSI 遮擋，未發(fā)現(xiàn)雜散光入射到儀器內(nèi)部。對通道3進(jìn)行仿真，也得到類似的結(jié)果，出陰影時(shí)雜散光量級約4E-6。同時(shí)發(fā)現(xiàn)出陰影時(shí)黑體表面能夠被太陽光照射到，與MERSI情況類似（鈕新華等，2015）。該照射條件下的仿真結(jié)果可以作為衛(wèi)星出陰影時(shí)VIRR 產(chǎn)生雜散光影響和黑體計(jì)數(shù)值異?，F(xiàn)象的一種解釋。

4 結(jié)論

本文對VIRR 實(shí)際成像系統(tǒng)進(jìn)行光機(jī)建模，獲得了儀器不同光譜通道在不同維度的PST曲線。為了驗(yàn)證建模仿真的正確性并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比，對儀器備份產(chǎn)品進(jìn)行了恢復(fù)和實(shí)驗(yàn)室雜散光測試，得到儀器在實(shí)際光源照射下的響應(yīng)情況。通過對PST曲線進(jìn)行分析，找到了儀器可能受雜散光影響的光照條件。結(jié)合衛(wèi)星軌道參數(shù)展開分析，并考慮到載荷之間的相互影響，仿真了不同光照條件下的雜散光效應(yīng)，獲得了雜散光量級的初步結(jié)果。通過為儀器加裝擋板展示了一種抑制雜散光的方法，可以為同類型載荷雜散光抑制設(shè)計(jì)提供參考。下一步工作可以從提高仿真精度和建立PST結(jié)果與再定標(biāo)系數(shù)之間的聯(lián)系這兩方面推進(jìn)。