“高分四号”卫星相机杂散光分析与抑制技术研究

石栋梁 肖琴 练敏隆

（北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星相机杂散光分析与抑制技术研究

石栋梁 肖琴 练敏隆

（北京空间机电研究所，北京 100094）

“高分四号”卫星相机工作在杂光环境严峻的地球静止轨道，必须进行深入的杂散光分析与抑制设计以减小杂散光的影响。文章分析了相机的杂散光来源，介绍了适合“高分四号”卫星相机的杂散光评价指标，并结合“高分四号”卫星相机太阳规避分析和相机R-C光学系统特点分析，详细设计了主遮光罩及挡光环、蜂窝结构的次镜遮光罩、中心消光筒及挡光环、杜瓦内多级冷屏等杂光抑制结构。在此基础上，建立了相机结构的几何模型和表面属性，利用Tracepro杂光分析软件分别对“高分四号”卫星相机的各个通道进行了杂散光分析，并根据分析结果对相机的杂光指标进行了计算和评价。计算得到了可见光和中波红外两个通道的杂光系数以及不同角度下的点源透射比曲线，其中可见光通道杂光系数 1.1%，中波红外通道杂光系数0.63%，两通道的点源透射比均低于 1×10-6。最终结果表明，“高分四号”卫星相机杂光抑制措施有效，各通道杂光抑制效果良好。

杂光系数 杂散光分析 杂光抑制 “高分四号”卫星 光学遥感相机

0 引言

“高分四号”卫星工作在36 000km的地球静止轨道（GEO）上，能够对关注区域进行实时观测，满足连续长期监测的需求。然而静止轨道强烈的太阳光辐射环境使相机面临十分严峻的杂散光问题。FY-2静止气象卫星的可见光、红外、水汽通道图像均出现不同程度的杂光信号饱和[1]，日本GMS气象卫星同样受到类似杂光问题的影响[2]，美国的地球静止轨道环境业务卫星-8（GOES-8）在午夜成像时出现了严重的杂散光问题，并因此关机[3]。杂散光会造成相机成像信噪比的降低，干扰成像信号的提取和识别，更有甚者对探测器造成损伤[4-5]。如今国外几乎所有的光学遥感相机都进行了杂光抑制设计，文献[6]对地基望远镜进行了杂散光分析，在获取高性能的前提下很大程度地节约了成本；文献[7]对深空探索望远镜的杂散光进行了深入研究；即将发射的 James Webb望远镜同样进行了杂散光的分析和抑制设计[8]；文献[9]对日冕仪的镜面污染进行了测试，并分析了其杂光的影响；文献[10-11]对紫外、X-ray光学系统的杂光进行了研究；国内一些光学遥感相机也进行了杂散光的分析与抑制[12-14]。

“高分四号”卫星相机由可见和中波红外两个通道组成，二者共用 R-C主光学系统，系统光路如图 1所示。

图1 “高分四号”卫星相机光路Fig.1 Diagram of GF-4 satellite camera light path

本文分析了“高分四号”卫星相机的杂光环境，结合光学系统特点设计了主要杂光抑制结构。在此基础上进行整机不同通道的杂光分析，依据分析结果对光机杂光抑制措施进一步优化，并通过对最终状态的整机杂光水平分析以及在轨成像效果，验证了光机杂光抑制的有效性。

1 杂散光来源及评价指标

1.1杂散光来源

“高分四号”卫星相机杂散光来源主要包括两类：外杂光和内杂光。外杂光主要是指外部辐射源，包括视场外的太阳光、地气辐射等经光机结构的散射形成的杂散光，其中还包括光学元件表面的多次反射形成的杂散光（即鬼像）；内杂光是指光机结构的自发辐射直接或经光机结构散射到达像面形成的杂散光。

相机工作在GEO轨道，需要特别注意午夜前后的太阳光入侵。由于GEO光学遥感卫星工作轨道距离地球较远，在午夜时分地球阴影无法遮挡卫星（地影期除外），将出现阳光入侵卫星相机的现象。太阳入侵除了会造成遮光罩等结构的升温，使得相机温控要求很难实现外，同时引起红外谱段内辐射杂光水平升高；还会增大太阳光照射遮光罩内壁引起的散射杂光，严重时影响相机的使用寿命或使相机失效[15]。为此，“高分四号”卫星采取午夜太阳规避策略，保证规定角度内的太阳光不能照射到次镜支撑根部。

此外，由于相机具有红外成像通道，光机系统自发辐射引起的内杂光会影响相机的成像信噪比和动态范围，因而内杂光的影响也必须考虑。可见光通道由于谱段内光机自发辐射极弱，可不作考虑。

1.2 杂散光评价指标

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

PST是评价不同离轴角度下光学系统杂光抑制能力的主要指标，定义为由离轴角为θ的光源（点源或者平行光光源）经光学系统抵达探测器的辐照度Ed()θ和光源在光学系统入口上的辐照度EI()θ之比

分别计算视场外不同离轴角下的PST，可以获知光学系统的杂光抑制水平。太阳等星体近似看做无穷远处的点光源，可用PST评价相机由太阳引起的杂散光影响。

（2）杂光系数（Veiling Glare Index，V）

杂光系数定义如下：放在亮度均匀扩展光屏（通常采用积分球来实现）中心的理想黑斑（积分球内壁上安装的人工黑体，如牛角管）经被测光学系统在探测器上形成的黑斑像中心的照度为EB，黑斑移去时光学系统探测器上照度为E，二者之比得到杂光系数

杂光系数的实质为，探测器上的杂光能量占所有抵达探测器能量的比例，是描述光学系统杂光性能的常用参数，能够直观的体现相机杂光的大小。

同时使用以上两种指标，根据各自的特点分别得到点光源和扩展光源条件下相机杂散光的大小，能够更为全面的评价“高分四号”卫星相机杂散光的影响。

2 杂光抑制设计

2.1遮光罩设计

遮光罩的主要作用是遮挡外杂光，同时不遮挡正常成像光线。根据“高分四号”卫星相机R-C双反系统的结构特点，所需的遮光罩包括主遮光罩和内遮光罩（包括次镜遮光罩和主镜中心消光筒）。

主遮光罩设计示意图如图 2所示，图中 D0为光学系统入瞳直径（本文为次镜位置处光瞳直径），D1为遮光罩前端口径，L为遮光罩长度，ω为系统视场角，γ为太阳规避角，太阳光线与光轴夹角小于γ时卫星进行主动规避。根据图2中的几何关系有

计算得到主遮光罩长度L=1 620mm，D1=750mm。

图2 主遮光罩设计示意Fig.2 Design sketch of main baffle

内遮光罩的设计遵循以下原则[17]：内遮光罩不遮挡正常成像光线；无漏光；最小的渐晕。上述原则具体而言也即：1）最大孔径的上边缘视场光线不被次镜遮光罩遮挡；2）最大孔径的上边缘视场光线不被中心消光筒遮挡；3）最小孔径的下边缘视场光线不被中心消光筒遮挡；4）不漏光。根据以上原则，内遮光罩设计如图3所示，图3中d1为主次镜中心距，d2为一次像面到主镜中心距离，f1为主镜焦距，ω为系统视场角。

图3 内遮光罩设计示意Fig.3 Design sketch of the inner baffle

根据上述原则，计算得到次镜遮光罩的最大口径为 253.6mm，距次镜顶点距离为 85.4mm，主镜中心消光筒前端口径50.2mm，距离主镜中心240mm。

2.2挡光环设计

相机要求具有较高的杂光抑制水平，需要对遮光罩进行挡光环设计，配合高吸收率黑漆减少遮光罩引起的散射杂光。

主遮光罩挡光环设计如图 4所示。挡光环设计保证遮光罩一次散射杂光不能直接打到主镜表面上[18]，图4中虚线代表光管，即最大光束范围。具体步骤为，连接主镜边缘点B与外遮光罩边缘点C与光管交于点D0确定一级挡光环；连接光管边缘点A与一级挡光环边缘点D0交外遮光罩于D1，连接主镜边缘点B与D1与光管交于点E0确定下一级挡光环；依次类推。

图4 主遮光罩挡光环设计示意Fig.4 Design sketch of main baffle vans

主镜内遮光罩挡光环设计示意图如图5所示，保证从次镜反射到主镜遮光罩内壁上的光线避免经过一次散射就打到后方的光学元件上，并且不阻挡正常成像光束，图中虚线对应光束孔径（光管）。具体设计方法为，连接次镜上边缘点 I与主镜内遮光罩后端下边缘点 J，其与光管交点确定第一级挡光环位置及口径；连接光管后端上边缘点 M与一级挡光环边缘点交主镜内遮光罩壁于 K'点，连接次镜上边缘点I与点K'，其与光管交点确定下一级挡光环位置及口径；以此类推。

图5 内遮光罩挡光环设计示意Fig.5 Design sketch of inner baffle vans

最终设计的主遮光罩、中心消光筒如图6所示。

图6 内、外遮光罩结构示意Fig.6 Diagram of main baffle and inner baffle

2.3多级冷屏设计

冷屏作为杜瓦中的一个重要配件，主要起减少背景光通量和降低背景噪声的作用。红外系统冷光阑效率 100%可避免结构的自发辐射直接打到探测器上，而自身深度制冷的多级冷屏除了发挥冷光阑的作用，还可配合内表面高吸收涂层大大降低经杜瓦内壁散射的结构辐射杂光，同时冷屏的自身辐射可忽略不计。

多级冷屏的设计原则为：自冷屏开口的边缘点出射的杂光经筒壁产生的一次漫反射光不得落到像面的成像范围内，同时要保证不会遮拦视场角内的光线。多级冷屏设计如图7所示，具体设计思路可参见主遮光罩挡光环的设计，图中h1为冷屏开口尺寸，h2为探测器尺寸。冷屏内表面喷黑漆增大吸收率，外表面光亮处理以维持杜瓦内腔温度。

图7 多级冷屏设计示意Fig.7 Design sketch of multistage cold shield

最终设计的冷屏结构如图8所示。

图8 多级冷屏结构模型Fig.8 Model of multistage cold shield

2.4 其他杂光抑制设计

在初步杂光分析的基础上，还添加了以下杂光抑制设计：1）次镜遮光罩采用蜂窝结构，进一步降低次镜遮光罩内表面散射。2）透镜非通光面以及滤光片附近结构减轻孔采取结构遮挡，截断杂光传播路径。

3 杂散光仿真分析

利用Tracepro杂光分析软件对“高分四号”卫星相机进行杂散光仿真分析，确定相机的两个通道杂散光系数和PST，以及红外通道的内辐射杂光水平。

3.1光机表面属性设定

对相机整机进行杂散光分析，首先设定光学元件的材料属性和光机结构的表面参数。光机结构的表面参数是影响杂散光在光机系统的中传输的主要影响因素，在Tracepro杂光分析软件中用ABg模型对表面的散射属性进行描述。ABg模型适用于描述大量结构表面的双向反射分布函数（Bidirectional Reflection Distribution Function，BRDF），并且可直接应用于杂散光分析软件TracePro中，故本文采用ABg模型来描述材料表面散射特性，其表达式为

对于光学元件的通光表面，根据实测结果设定透过率、吸收率等；对于结构表面，包括光学元件的非通光面，根据表面加工情况在分析中通常按理想漫反射面处理。镜面散射 A=0.000 76，B=0.015，g=2；一般结构表面发黑处理，吸收率 0.85，A=0.052 52，B=0.1，g=0；遮光罩、冷屏等内表面喷涂光学消光漆，吸收率设为 0.90，A=0.035，B=0.1，g=0；杜瓦内表面吸收率设为 0.25，A=0.099 56，B=0.01，g=2。

3.2 光线追迹光源设定

分析杂光系数时，根据杂光系数的定义以及对地成像的特点，光源设为朗伯面源，充满相机遮光罩入口；分析PST时，根据PST定义，光源设为不同离轴角度下的平行光光源。

内辐射光源分析，需将关键表面设为辐射源。关键表面的寻找方法为，将像面设成朗伯光源，从像面向物面进行逆向光路追迹，所有能被像面发光后照亮的表面均为关键表面。关键表面作为内辐射光源时，他们发射出的能量将会直接进入探测器，是内辐射杂光的主要来源。

内辐射光源数量较多，在此不一一列出，这里仅给出内辐射光源辐射出射度的计算公式：

式中 h为普朗克常数；c为光速；k为波尔兹曼常数；T为辐射温度；ε为发射率；λ为辐射波长。本文计算波段为相机中波红外的工作谱段，光机温度根据实测值设定。

3.3光线追迹及结果分析

光机模型、表面属性、光源等设置完成后进行光线追迹，光线追迹的阈值设为1×10-6，保证光线在结构表面至少散射 6次，同时追迹大量光线数以保证结果的可靠性，朗伯光源追迹光线数 1×108，平行光源追迹光线数2×107。

根据分析结果，计算得到“高分四号”卫星相机可见光通道杂光系数1.1%，中波红外通道杂光系数0.63%，满足杂光系数低于3%的指标要求。根据1.2节中PST的定义计算了两通道的PST随离轴角变化情况，如图9所示，图中纵坐标为PST的对数。从图中可以看出，随着离轴角增大，PST曲线整体呈下降趋势，并且太阳规避角以外的离轴角度下，PST均低于1×10-6，满足杂光要求。

图9 “高分四号”卫星相机两通道PST曲线Fig.9 PST curve of GF-4 satellite camera’s two imaging channel

中波红外通道像面内辐射杂光照度为1.7×10-2W/m2，其中80%以上的内辐射杂光来源于成像光学元件的自发辐射，表明结构自发辐射杂光得到良好的抑制。

分析杂光路径表明，除光学镜面为一次散射面、次镜遮光罩内表面为二次散射面，光机系统其余表面几乎不存在二次、三次散射路径，同时由于次镜遮光罩采用了复杂的蜂窝结构，杂光散射量大大降低，多次散射杂光所占比例很小，杂光抑制结构起到良好的效果。

4 结束语

本文对“高分四号”卫星相机的杂散光分析与抑制设计进行了研究。通过相机特点分析和杂散光来源分析，设计了主遮光罩、内遮光罩、挡光环以及多级冷屏等杂光抑制结构，在此基础上完成了相机可见光、中波红外两个通道的内、外杂散光分析和杂光评价指标计算。结果表明，杂光抑制优化设计后卫星相机各通道外杂光得到良好的抑制，内辐射杂光水平大幅降低，并且像面分布均匀，不会影响红外通道的成像。同时，“高分四号”卫星相机在轨成像图像品质良好，进一步证明了相机杂光抑制的有效性。

References)

[1]游思梁, 裴云天, 陈桂林. FY-2卫星星载扫描辐射计午夜杂散光的分析[J]. 光学技术, 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, 张晓虎, 邱康睦. 风云二号静止气象卫星图像杂散信号分析[J]. 应用气象学报, 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, 王丽霞. 星载光学遥感器消杂散光技术现状与发展[J]. 中国空间科学技术, 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]廖胜. 光学系统杂光抑制研究[D]. 成都: 电子科技大学, 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, 杨建峰, 阮萍, 等. 月基光学天文望远镜(LOT)的杂散光分析[J]. 光子学报, 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]严明, 伍菲, 王智勇.“实践九号”A卫星光学遥感图像杂散光噪声去除[J]. 航天返回与遥感, 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]刘洋, 方勇华, 吴军, 等. 中红外平面光栅光谱仪系统杂散光分析[J]. 红外与激光工程, 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]刘云鹤, 刘凤晶, 于龙江. GEO光学遥感卫星阳光入侵规避方法[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]李晖, 李英才, 薛鸣球. 光学系统黑斑法杂光系数和PST间的联系[J]. 光子学报, 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]史光辉. 消除卡塞格林系统杂光的措施[J]. 光学精密工程, 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

石栋梁，男，1991年生，2014年获哈尔滨工业大学光学工程专业工程硕士学位，工程师。主要研究方向为遥感器总体设计和杂散光分析与抑制。E-mail: stong20080821@126.com。

（编辑：庞冰）

2016-03-31

国家重大科技专项工程