“高分四號”衛星相機雜散光分析與抑制技術研究

石棟梁 肖琴 練敏隆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛星相機雜散光分析與抑制技術研究

石棟梁 肖琴 練敏隆

（北京空間機電研究所，北京 100094）

“高分四號”衛星相機工作在雜光環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”衛星相機的雜散光評價指標，并結合“高分四號”衛星相機太陽規避分析和相機R-C光學系統特點分析，詳細設計了主遮光罩及擋光環、蜂窩結構的次鏡遮光罩、中心消光筒及擋光環、杜瓦內多級冷屏等雜光抑制結構。在此基礎上，建立了相機結構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”衛星相機的各個通道進行了雜散光分析，并根據分析結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 1.1%，中波紅外通道雜光系數0.63%，兩通道的點源透射比均低于 1×10-6。最終結果表明，“高分四號”衛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 雜散光分析 雜光抑制 “高分四號”衛星 光學遙感相機

0 引言

“高分四號”衛星工作在36 000km的地球靜止軌道（GEO）上，能夠對關注區域進行實時觀測，滿足連續長期監測的需求。然而靜止軌道強烈的太陽光輻射環境使相機面臨十分嚴峻的雜散光問題。FY-2靜止氣象衛星的可見光、紅外、水汽通道圖像均出現不同程度的雜光信號飽和[1]，日本GMS氣象衛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境業務衛星-8（GOES-8）在午夜成像時出現了嚴重的雜散光問題，并因此關機[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；即將發射的 James Webb望遠鏡同樣進行了雜散光的分析和抑制設計[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光學系統的雜光進行了研究；國內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，系統光路如圖 1所示。

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

本文分析了“高分四號”衛星相機的雜光環境，結合光學系統特點設計了主要雜光抑制結構。在此基礎上進行整機不同通道的雜光分析，依據分析結果對光機雜光抑制措施進一步優化，并通過對最終狀態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”衛星相機雜散光來源主要包括兩類：外雜光和內雜光。外雜光主要是指外部輻射源，包括視場外的太陽光、地氣輻射等經光機結構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）；內雜光是指光機結構的自發輻射直接或經光機結構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星（地影期除外），將出現陽光入侵衛星相機的現象。太陽入侵除了會造成遮光罩等結構的升溫，使得相機溫控要求很難實現外，同時引起紅外譜段內輻射雜光水平升高；還會增大太陽光照射遮光罩內壁引起的散射雜光，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”衛星采取午夜太陽規避策略，保證規定角度內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，光機系統自發輻射引起的內雜光會影響相機的成像信噪比和動態范圍，因而內雜光的影響也必須考慮。可見光通道由于譜段內光機自發輻射極弱，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）經光學系統抵達探測器的輻照度Ed()θ和光源在光學系統入口上的輻照度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（Veiling Glare Index，V）

雜光系數定義如下：放在亮度均勻擴展光屏（通常采用積分球來實現）中心的理想黑斑（積分球內壁上安裝的人工黑體，如牛角管）經被測光學系統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探測器上照度為E，二者之比得到雜光系數

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

同時使用以上兩種指標，根據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”衛星相機雜散光的影響。

2 雜光抑制設計

2.1遮光罩設計

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“高分四號”衛星相機R-C雙反系統的結構特點，所需的遮光罩包括主遮光罩和內遮光罩（包括次鏡遮光罩和主鏡中心消光筒）。

主遮光罩設計示意圖如圖 2所示，圖中 D0為光學系統入瞳直徑（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為系統視場角，γ為太陽規避角，太陽光線與光軸夾角小于γ時衛星進行主動規避。根據圖2中的幾何關系有

計算得到主遮光罩長度L=1 620mm，D1=750mm。

圖2 主遮光罩設計示意Fig.2 Design sketch of main baffle

內遮光罩的設計遵循以下原則[17]：內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。根據以上原則，內遮光罩設計如圖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為系統視場角。

圖3 內遮光罩設計示意Fig.3 Design sketch of the inner baffle

根據上述原則，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擋光環設計

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設計，配合高吸收率黑漆減少遮光罩引起的散射雜光。

主遮光罩擋光環設計如圖 4所示。擋光環設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；連接光管邊緣點A與一級擋光環邊緣點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；依次類推。

圖4 主遮光罩擋光環設計示意Fig.4 Design sketch of main baffle vans

主鏡內遮光罩擋光環設計示意圖如圖5所示，保證從次鏡反射到主鏡遮光罩內壁上的光線避免經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，圖中虛線對應光束孔徑（光管）。具體設計方法為，連接次鏡上邊緣點 I與主鏡內遮光罩后端下邊緣點 J，其與光管交點確定第一級擋光環位置及口徑；連接光管后端上邊緣點 M與一級擋光環邊緣點交主鏡內遮光罩壁于 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位置及口徑；以此類推。

圖5 內遮光罩擋光環設計示意Fig.5 Design sketch of inner baffle vans

最終設計的主遮光罩、中心消光筒如圖6所示。

圖6 內、外遮光罩結構示意Fig.6 Diagram of main baffle and inner baffle

2.3多級冷屏設計

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。紅外系統冷光闌效率 100%可避免結構的自發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揮冷光闌的作用，還可配合內表面高吸收涂層大大降低經杜瓦內壁散射的結構輻射雜光，同時冷屏的自身輻射可忽略不計。

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

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

最終設計的冷屏結構如圖8所示。

圖8 多級冷屏結構模型Fig.8 Model of multistage cold shield

2.4 其他雜光抑制設計

在初步雜光分析的基礎上，還添加了以下雜光抑制設計：1）次鏡遮光罩采用蜂窩結構，進一步降低次鏡遮光罩內表面散射。2）透鏡非通光面以及濾光片附近結構減輕孔采取結構遮擋，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和PST，以及紅外通道的內輻射雜光水平。

3.1光機表面屬性設定

對相機整機進行雜散光分析，首先設定光學元件的材料屬性和光機結構的表面參數。光機結構的表面參數是影響雜散光在光機系統的中傳輸的主要影響因素，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構表面的雙向反射分布函數（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF），并且可直接應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，根據實測結果設定透過率、吸收率等；對于結構表面，包括光學元件的非通光面，根據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；一般結構表面發黑處理，吸收率 0.85，A=0.052 52，B=0.1，g=0；遮光罩、冷屏等內表面噴涂光學消光漆，吸收率設為 0.90，A=0.035，B=0.1，g=0；杜瓦內表面吸收率設為 0.25，A=0.099 56，B=0.01，g=2。

3.2 光線追跡光源設定

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

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

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

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

3.3光線追跡及結果分析

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

根據分析結果，計算得到“高分四號”衛星相機可見光通道雜光系數1.1%，中波紅外通道雜光系數0.63%，滿足雜光系數低于3%的指標要求。根據1.2節中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。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輻射雜光照度為1.7×10-2W/m2，其中80%以上的內輻射雜光來源于成像光學元件的自發輻射，表明結構自發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、次鏡遮光罩內表面為二次散射面，光機系統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雜的蜂窩結構，雜光散射量大大降低，多次散射雜光所占比例很小，雜光抑制結構起到良好的效果。

4 結束語

本文對“高分四號”衛星相機的雜散光分析與抑制設計進行了研究。通過相機特點分析和雜散光來源分析，設計了主遮光罩、內遮光罩、擋光環以及多級冷屏等雜光抑制結構，在此基礎上完成了相機可見光、中波紅外兩個通道的內、外雜散光分析和雜光評價指標計算。結果表明，雜光抑制優化設計后衛星相機各通道外雜光得到良好的抑制，內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”衛星相機在軌成像圖像品質良好，進一步證明了相機雜光抑制的有效性。

References)

[1]游思梁, 裴云天, 陳桂林. FY-2衛星星載掃描輻射計午夜雜散光的分析[J]. 光學技術, 2006, 32(5): 688-694. YOU Siliang, PEI Yuntian, CHEN Guilin. Analysis on Stray Radiation in the FY-2 Imager During Midnight[J]. Optical Technique, 2006, 32(5): 688-694. (in Chinese)

[2]魏彩英, 張曉虎, 邱康睦. 風云二號靜止氣象衛星圖像雜散信號分析[J]. 應用氣象學報, 2004, 15(5): 564-571. WEI Caiying, ZHANG Xiaohu, QIU Kangmu. Analysis on Stray Light Signal in Image of FY-2 GEO Meteorological Satellite[J]. Journal of Applied Meteorological Science, 2004, 15(5): 564-571. (in Chinese)

[3]ELLROD G P, ACHUTUNI R V. An Assessment of GOES-8 Imager Data Quality[J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 1998, 79(11): 2509-2522.

[4]郝云彩, 肖淑琴, 王麗霞. 星載光學遙感器消雜散光技術現狀與發展[J]. 中國空間科學技術, 1995, 15(3): 40-50. HAO Yuncai, XIAO Shuqin, WANG Lixia. Current Situation and Development of Stray Light Elimination Techniques in Space-borne Optical Remote Sensors[J]. Chinese Space Science and Technology, 1995, 15(3): 40-50. (in Chinese)

[5]廖勝. 光學系統雜光抑制研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2003. LIAO Sheng. Study on Stray Light Elimination of Optical System[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2003. (in Chinese)

[6]POMPEAA S M, PFISTERER R N, MORGANC J S. A Stray Light Analysis of the Apache Point Observatory 3.5-Meter Telescope System[J]. SPIE, 2003, 4842: 128-138.

[7]SHOLLM J, GROCHOCKIF S, FLEMING J C, et al. Stray Light Design and Analysis of the SNAP Telescope[J]. SPIE, 2007, 6675: 66750C.

[8]LIGHTSEY P A, WEI Zongying. James Webb Space Telescope Stray Light Performance Status Update[J]. SPIE, 2012, 8842: 88423B.

[9]BALASUBRAMANIAN K, SHAKLAN S, GIVE’ON A. Stellar Coronagraph Performance Impact due to Particulate Contamination and Scatter[J]. SPIE, 2009, 7440: 74400T.

[10]SPAAN F, WILLINGALE R. An Assessment of the Problem of Stray Light in the Optics of the International X-ray Observatory[J]. SPIE, 2010, 7732: 773240.

[11]VERROI E, DEPPO V D, NALETTO G, et al. Preliminary Internal Straylight Analysis of the METIS Instrument for the Solar Orbiter ESA Mission[J]. SPIE, 2012, 8442: 84424N.

[12]李婷, 楊建峰, 阮萍, 等. 月基光學天文望遠鏡(LOT)的雜散光分析[J]. 光子學報, 2007, 36(s1): 136-140. LI Ting, YANG Janfeng, RUAN Ping, et al. Stray Light Analysis of Lunar Based Astronomy Optical Telescope[J]. Acta Photonica Sinica, 2007, 36(s1): 136-140. (in Chinese)

[13]嚴明, 伍菲, 王智勇.“實踐九號”A衛星光學遙感圖像雜散光噪聲去除[J]. 航天返回與遙感, 2014, 35(5): 72-79.YAN Ming, WU Fei, WANG Zhiyong. Removal of SJ-9A Optical Imagery Stray Light Stripe Noise[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2014, 35(5): 72-79. (in Chinese)

[14]劉洋, 方勇華, 吳軍, 等. 中紅外平面光柵光譜儀系統雜散光分析[J]. 紅外與激光工程, 2015, 44(4): 1164-1171. LIU Yang, FANG Yonghua, WU Jun, et al. Stray Light Analysis for a Mid-infrared Plane Grating Spectrometer System[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(4): 1164-1171. (in Chinese)

[15]劉云鶴, 劉鳳晶, 于龍江. GEO光學遙感衛星陽光入侵規避方法[J]. 航天器工程, 2014, 32(6): 24-29. LIU Yunhe, LIU Fengjing, YU Longjiang. Sunlight Invation Avoidance Method of GEO Optical Remote Sensing Satellite[J]. Spacecraft Engineering, 2014, 32(6): 24-29. (in Chinese)

[16]李暉, 李英才, 薛鳴球. 光學系統黑斑法雜光系數和PST間的聯系[J]. 光子學報, 1996, 25(10): 920-922. LI Hui, LI Yingcai, XUE Mingqiu. Relation between PST and Veiling Glare Index Based on Black-spot Method[J]. Acta Photonica Sinica, 1996, 25(10): 920-922. (in Chinese)

[17]NIU Jinxing, SHI Shuheng, ZHOU Renkui. Analysis to Stray Radiation of Infrared Detecting System[J]. SPIE, 2011, 8193: 81931H.

[18]史光輝. 消除卡塞格林系統雜光的措施[J]. 光學精密工程, 1997, 5(5): 10-15. SHI Guanghui. Measures of Preventing Stray Light in Cassegrain System[J]. Optical and Precision Engineering, 1997, 5(5): 10-15. (in Chinese)

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年獲哈爾濱工業大學光學工程專業工程碩士學位，工程師。主要研究方向為遙感器總體設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