日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀高穩定性設計與驗證

段鵬飛 胡斌 汪勇 夏晨暉 王立科 王偉剛 毛一嵐

日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀高穩定性設計與驗證

段鵬飛1胡斌1汪勇1夏晨暉1王立科1王偉剛1毛一嵐2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094）

光譜儀主體的機熱穩定性直接影響其光譜特性的穩定性，進而影響衛星地面物質反演精度。為了適應空間復雜的熱流環境，實現在軌高穩定性定量化探測，陸地生態系統碳監測衛星的主要載荷日光誘導葉綠素熒光超光譜儀（簡稱超光譜探測儀）在光學、結構、熱控等方面均開展了穩定性設計，文章基于超光譜探測儀的性能指標，針對全壽命周期在軌熱流環境進行了光、機、熱集成仿真分析，揭示了光譜儀性能的在軌表現，證明穩定性設計能夠滿足在軌定量化使用要求。光譜儀地面試驗結果驗證了主體機熱設計能夠滿足穩定性要求。

光譜分辨率 光譜畸變 光譜位置 穩定性 超光譜儀 陸地生態系統碳監測衛星

0 引言

陸地生態系統碳匯精確計量是實現“碳達峰、碳中和”雙碳戰略目標的關鍵，衛星遙感在評估全球尺度陸地生態系統碳匯時空變化等方面具有巨大優勢。太陽誘導葉綠素熒光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）是生態系統光合作用過程中葉綠素分子在光照下發出的可見和近紅外波長的電磁輻射[1-4]，衛星SIF遙感在估算全球陸地生態系統光合作用碳匯中擁有巨大潛力[1,5]。2015年歐洲航天局（ESA）的“熒光探索者”（Fluorescence Explorer，FLEX）項目是全球首個專項陸地植被SIF探測項目，目前發射計劃推遲至2025年。FLEX高分辨通道的光譜分辨率為0.3nm，相應的光譜采樣間隔0.1nm/探測器像元，單軌10min內光譜的穩定性要求不超過1/10光譜采樣間隔（即0.01nm）[6-7]。中國2022年8月 4日成功發射了陸地生態系統碳監測衛星“句芒號”（TECIS），其上搭載的日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀（以下簡稱超光譜探測儀）是全球首個在軌專項SIF遙感載荷，光譜分辨率為0.3nm，分辨率的在軌穩定性要求不超過0.015nm[8]。

衛星SIF遙感的探測精度取決于遙感光譜儀器的光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置等指標，以及相關指標的在軌穩定性[5,9]。光譜儀在軌穩定性主要受到光譜儀光學系統敏感性、結構支撐穩定性等內部因素以及在軌熱流溫度環境等外部因素的影響，提高光譜儀在軌穩定性是高精度SIF衛星應用的基礎。為了保證陸地生態系統碳監測衛星超光譜探測儀的在軌穩定性，其設計中采用了一系列光學、結構和熱控手段，涉及光、機、熱等多方面技術，需采用光機熱集成分析來解決空間精密儀器在多種載荷作用下的耦合問題。有關空間光學遙感器的光機熱集成分析國內外進行了很多的研究工作[10-13]，但針對空間光譜儀器的尚不多見，對于光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置的在軌穩定性研究尚不充分。本文研究了超光譜探測儀在軌成像過程中由外熱流變化其引起的光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置的變化，對指標在軌穩定性進行了分析和論證；同時通過地面試驗驗證了光譜儀的結構和熱控設計能夠滿足其穩定性要求。

1 在軌穩定性要求

為滿足SIF遙感的探測精度要求，陸地生態系統碳監測衛星對超光譜探測儀的光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置等性能提出嚴格的穩定性指標要求。

1.1 光譜分辨率穩定性

光譜儀的儀器線型函數（Instrument Linear Shape，ILS）的半峰寬（Full Width at the Half Maxima，FWHM）（如圖1所示）和光譜采樣間隔的乘積即為光譜分辨率[5,9]。其中儀器線型函數的半峰寬是指探測器像面上特定光譜半峰展寬的像元數；而光譜采樣間隔是光譜儀特定視場探測器像元上，特定光譜色散的波長展寬范圍。

光譜分辨率（Δ）代表著光譜儀可以分辨波長差超出Δ范圍的兩個光譜線，它決定了儀器的色譜分辨本領。光譜分辨率在軌穩定性則是指空間環境里Δ保持其計量恒定的能力，超光譜儀光譜分辨率的高穩定性是其在軌實現SIF探測的基礎。超光譜儀的光譜分辨率指標要求不大于0.3nm，光譜分辨率在軌穩定性的要求為不超過0.015nm。

1.2 光譜畸變穩定性

光譜儀的畸變分為兩部分：光譜畸變（Smile）和空間畸變（Keystone）[5,9]。其中Smile是指單色光譜線的彎曲，現象為當光譜儀的視場光闌（通常為狹縫）被均勻的單色譜光照明時，在探測器陣列上得到的狹縫像不是完全的直線。Smile會導致光譜儀圖像波長之間混淆。光譜儀探測器陣列上空間位置的放大率一般會隨著波長而改變，這種空間位置放大率不一致帶來的畸變稱之為Keystone，該畸變會導致光譜儀圖像視場之間混淆。光譜方向畸變和空間方向畸變如圖2所示。

圖1 儀器線型函數和半峰寬

圖2 光譜畸變和空間畸變

超光譜儀光譜畸變的高穩定性是在軌實現SIF定量化探測精度的重要保證。超光譜儀的Smile和Keystone的指標值要求小于0.3個探測器像元，畸變的穩定性要求其小于0.15個像元。

1.3 光譜位置穩定性

光譜位置是特定波長光譜線在光譜儀探測器像面上響應的像元位置，光譜儀像面的像元位置與儀器輸入的光譜線波長一一對應。超光譜儀光譜位置的高穩定性是在軌實現SIF定量化探測精度的基礎。超光譜儀的光譜位置的穩定性要求為光譜位置的偏移小于0.5個像元。

2 在軌穩定性設計

高穩定性是超光譜儀的基本要求，一方面需要高穩定的外部環境，如環境溫度等的高穩定；另一方面需要光譜儀具備對外部環境很高的適應能力，如性能指標對外部環境溫度、安裝邊界等變化的不敏感。要得到光譜儀對外部環境的高適應性，需要加強儀器內部光學系統、光機結構等對外部環境的適應能力。衛星入軌后每軌都要經歷軌道的陽照區和陰影區，溫差大且變化劇烈，要得到高穩定的在軌溫度條件，光譜儀需要在軌進行精密的恒定溫度控制。基于超光譜儀的高穩定性指標要求，需要從低敏感光學系統、高穩定光機結構、高精度熱控等方面進行光譜儀主體穩定性設計。

2.1 低敏感光學系統設計

超光譜儀光學系統F數2.8，焦距185mm，視場角為3.9°，光譜分辨率優于0.3nm，屬于高靈敏度的小F數精密分光型光學系統。低敏感光學系統通過設計矯正鏡面、傾斜光學元件、調整鏡間距等優化措施減小對溫度的敏感度。20℃設計溫度時，光學系統探測器像面上光譜分辨率0.28nm，Smile和Keystone分別小于0.2個像元。當環境溫度變化±3℃時，光學系統光譜分辨率、Smile和Keystone相比設計溫度20℃狀態下的數值保持不變，光譜位置移動量不超過±0.05個像元，遠優于穩定性需求。光學系統受全溫度場的影響情況如表1所示。

表1 全溫度變化對光學系統的影響

光學系統溫度敏感性還需考慮梯度溫度場的影響。本文分析了光學系統透鏡中心到邊緣溫差分別為0.1℃，0.2℃，0.3℃的梯度溫度場對光學系統性能影響，結果表明：溫度變化±3℃范圍時，光譜分辨率、Smile和Keystone結果相對于設計溫度（20℃）時的結果保持不變，光譜位置移動量在5×10-3像元，遠優于穩定性需求。具體數據如表2所示。

表2 梯度溫度場對光學系統影響

2.2 高穩定主體結構設計

衛星在軌受外熱流的影響，其結構會產生熱變形，熱變形傳遞到超光譜儀主體結構上，會帶來系統內光學元件、光敏元件的鏡間距、傾角等空間幾何關系的變化，從而影響系統光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置等指標。結構穩定性是遙感器光機系統結構在空間環境綜合作用下性能的綜合描述，它與光學系統的成像品質聯系起來，可以作為光機系統結構設計的評判標準。對光機結構位置誤差所導致的光學系統波前誤差的分析表明，光機主體結構的一體化安裝設計能夠減小單位熱載荷所產生的各類結構誤差，進而降低結構誤差導致的光學系統波前誤差，對于保證系統幾何精度具有重要作用[14]。超光譜儀光學系統設計了反射鏡、透鏡、光柵、棱鏡等數十個光學元件，數量多，規模大，布局復雜。光機主體總體結構布局遵循一體化安裝的設計思路，將數十個光學元件集成安裝在同一個主承力主體結構上。光機主體的一體化結構如圖3所示。

圖3 一體化光機主體結構

衛星平臺的熱變形通常會以強迫位移的形式傳遞到遙感器主體上，影響光機結構的穩定性。衛星平臺熱變形帶來的強迫位移通常在0.03～0.05mm，以此數據對光機主體結構進行強迫位移測試，驗證主體結構抗強迫位移載荷的能力。測試過程中，在主體結構安裝位置墊入相應強迫位移量所對應厚度的塞尺，觀察光譜分辨率等性能指標的變化情況，測試結果見表3。可以看到，強迫位移量在0.3mm時性能指標依然保持足夠的穩定性，這不僅驗證了一體化安裝設計對保證結構穩定的有效性，還表明主體結構具有足夠的剛度對抗在軌外部熱變形帶來的影響。

表3 主體強迫位移測試結果

2.3 高精度熱控設計

超光譜儀主體采用高精度主動和被動控溫設計。主體設計了30路高精度主動控溫回路，采用補償加熱的方式來保證結構的溫度穩定性，同時主體整體采用多層隔熱組件包裹，實現被動控溫，隔絕外部熱流變化對主體結構溫度的影響。高精度控溫措施下，超光譜儀主體光機組件在軌溫度波動不大于0.2 ℃。此外，針對性能敏感的部位（如光柵、棱鏡等），超光譜儀采用自適應控溫閾值、差異化局部熱流密度等專項熱控措施，實現在軌溫度波動小于0.1 ℃的零波動設計。設計結果優于0.3℃溫度波動的設計要求。

3 系統集成分析

為了判斷光譜儀主體能否滿足嚴苛的性能穩定性要求，采用系統集成分析方法，通過計算在軌溫度場的改變給光譜儀性能帶來的變化，分析主體在軌的穩定性，為主體的結構和熱控協同設計以及地面圖像校正提供依據。

3.1 分析方法

系統集成分析的關鍵在于熱學、力學、光學分析模型之間數據的傳遞。分析流程主要包括：1）建立光譜儀主體三維結構實體模型，在此基礎上分別建立熱分析模型、力學分析模型和光學分析模型；2）分析模型建立后，根據衛星在軌姿態進行主體溫度場分析，在此基礎上進行溫度場到力學分析模型的映射，然后將映射來的溫度場作為溫度載荷進行主體熱變形位移場分析；3）根據主體結構熱變形位移場提取出光學鏡面的剛體位移和高階面形數據，并輸入到光學分析模型，利用光學分析模型進行光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置等光學性能的分析，給出穩定性評價[15]。具體流程見圖4。

圖4 系統集成分析流程

當光譜儀隨衛星在軌運行時，太陽直射角度和地球反照角度均在實時變化，因此衛星受到的太陽直射輻照、星體結構表面反射輻照、地球反射輻照以及地球紅外輻射等在軌外熱流條件也處于實時變化中。熱分析模型綜合考慮在軌外熱流的變化、電子學元器件工作熱耗，以及主體主動和被動控溫措施的共同作用，分析光譜儀在軌極端高溫和極端低溫工況下的溫度情況。通過分析可以明確在軌溫度差異小，從而保證儀器在軌長期的性能穩定。

3.2 分析工況

陸地生態系統碳監測衛星運行于太陽同步軌道，軌道高度506km，每軌飛行時間約90min。本文分析的極端低溫工況為壽命初期，多層隔熱組件未發生退化，在軌時機是夏至日時，外熱流最小，對應光譜儀全壽命周期內最低工作溫度狀態。極端高溫工況為壽命末期，多層隔熱組件等控溫措施退化，在軌時機是冬至日時，外熱流最大，對應光譜儀全壽命周期內最高工作溫度狀態。極端工況覆蓋了光譜儀在軌遍歷的溫度環境，能夠代表在軌成像期間的穩定性。

3.3 穩定性分析結果

比較低溫、高溫工況下光譜儀成像時的溫度場分布結果（如圖5所示），可以看到，在控溫措施的作用下超光譜儀主體的溫度場變化很小。

圖5 低溫和高溫工況主體溫度場分布

圖6以望遠組件、成像組件和光柵組件為例，給出了在軌運行過程中超光譜儀主體內各位置的溫度變化范圍。可以看到，望遠組件和成像組件在外熱流和控溫措施作用下，組件溫度呈周期性變化，其中望遠組件在軌全周期溫度變化0.19℃，成像組件的溫度變化為0.17℃，而光柵組件在專項控溫措施下，在軌溫度變化小于0.1℃，幾乎無變化。

圖6 主體內結構溫度在軌周期變化情況

將得到的溫度場映射到力學分析模型中來進行結構熱變形分析，得到超光譜儀主體的變形位移場，結果如圖7所示。

圖7 低溫和高溫工況主體位移場分布

提取各光學鏡面位移場數據進行Zernike多項式擬合，得到各光學鏡面的剛體位移和高階面形。將剛體位移和面形數據帶入光學分析模型中，計算得到環境溫度下光學系統的光譜分辨率、光譜畸變以及光譜位置等指標數據，并將這些數據與指標要求進行對比分析，結果見表4。可以看到，低、高溫工況下性能指標分析結果均符合指標要求。性能指標的分析值與設計值的差異可用來表征性能指標的穩定性，根據表4的結果，性能穩定性同樣滿足指標要求。

表4 各工況性能指標及其穩定性的仿真分析結果

4 地面驗證

結合超光譜探測儀所進行的地面真空熱試驗，對光譜分辨率、光譜畸變等光譜指標的滿足情況，以及在軌穩定性進行了測試，以驗證全壽命周期在軌溫度水平對光譜成像品質的影響。真空熱試驗在真空模擬環境試驗室進行，模擬室內可實現不高于1.3×10–3Pa的空間真空環境和不高于100K的空間熱沉環境的模擬，在軌外熱流環境則是通過紅外籠熱流工裝和電加熱器模擬來實現。

真空熱試驗涵蓋了低溫和高溫工況，各工況環境下超光譜儀各組件的溫度試驗結果見表5，性能指標及其穩定性的測試結果見表6，可以看出各項結果均符合指標要求。

表5 超光譜儀各組件的溫度試驗結果

表6 各工況性能指標及穩定性試驗測試結果

由地面驗證試驗結果可知，超光譜儀性能指標及其穩定性均滿足衛星總體需求，性能優異，能夠滿足嚴苛的在軌穩定性任務要求。

5 結束語

本文通過光機熱集成分析方法，對陸地生態系統碳監測衛星的超光譜探測儀在軌復雜溫度環境下的光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置等成像指標和穩定性指標進行了仿真分析和評估，并結合地面熱真空試驗，對性能指標及其穩定性的在軌滿足情況進行了試驗驗證。仿真分析和地面試驗結果表明，超光譜儀性能能夠滿足嚴苛的在軌穩定性任務要求，性能優異。本文給出的超光譜儀的分析方法和試驗，對具有定量化需求的空間光譜光學遙感器的研制和驗證具有借鑒意義。

陸地生態系統碳監測衛星于2022年8月4日在太原衛星發射中心發射成功，目前已在軌穩定運行個 4月（截止2022年12月初），相關在軌測試和標定正在進行中，所獲取的光譜圖像細節清晰，層次豐富，穩定性滿足要求。超光譜儀通過一系列有效設計方法實現了光譜分辨率、光譜畸變、光譜位置在軌高穩定性要求，對衛星高精度SIF反演發揮了關鍵作用，對推動我國定量化衛星的探測精度達到國際先進水平做出了重要貢獻。

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High Stability Design and Verification of the Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer

DUAN Pengfei1HU Bin1WANG Yong1XIA Chenhui1WANG Like1WANG Weigang1MAO Yilan2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Institute of Remote Sensing Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

The optical, mechanical and thermal stability of structure has impact on the spectral performance stability of the spectrometer, which ultimately affects the inverse accuracy of substance on the Earth’s surface. To fit the complex thermal environment in orbit, and realize high stability quantitative detection, design of the opto-mechanical-thermal stability design has been applied to the solar-induced chlorophyll fluorescence imaging spectrometer of the Terrestrial Ecological Carbon Inventory Satellite, and an integrated analysis based on the spectrometer performance, in view of the whole life inorbit, has been carried out, which reveals the in orbit performance of the spectrometer. The verification on the ground shows that the structural stability can meet the task requirements.

spectral resolution; spectral distortion; spectrum distribution; stability; hyper-spectrometer; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite

V445.8

A

1009-8518(2022)06-0097-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.010

2022-10-19

國家重大科技專項工程

段鵬飛, 胡斌, 汪勇, 等. 日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀高穩定性設計與驗證[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(6): 97-105.

DUAN Pengfei, HU Bin, WANG Yong, et al. High Stability Design and Verification of the Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 97-105. (in Chinese)

段鵬飛，男，1984年生，2010年獲中國科學院力學研究所工程力學專業碩士學位，高級工程師。主要從事空間光學精密遙感器集成設計與分析工作。E-mail：dpfei1949@163.com。

（編輯：夏淑密）