适用于大视场CME观测的侧面遮拦式外掩体设计

单睿䶮 张琢 董联庆 王钰 杨立欣 粘伟

适用于大视场CME观测的侧面遮拦式外掩体设计

单睿䶮 张琢 董联庆 王钰 杨立欣 粘伟

（北京空间机电研究所，北京 100094）

针对当前中国空间太阳观测任务中大视场日冕仪杂散光抑制需求，提出一种适用于大视场日冕物质抛射（CME）观测的日球层成像仪侧面遮拦式外掩体设计，通过在外掩体上设置多阶挡光环结构，对进入相机视场的衍射光进行抑制。基于菲涅尔-基尔霍夫衍射理论，开展组件抑制能力仿真分析，并探索不同挡光环间距、挡光环阶数、挡光环后截距等参数对于组件性能的影响。通过搭建一种适用于微弱杂散信号的测试系统，应用微光探测器和微光照度计，从图像和数值方面对组件性能进行验证。研究结果表明，经优化后的侧面遮拦式外掩体在十万级洁净度条件下杂散光抑制水平优于10–9，能够满足大视场CME观测的杂散光抑制要求。

侧面遮拦式外掩体 日球层成像仪 日冕物质抛射 太阳观测 空间探测

0 引言

日冕物质抛射（CME）对应太阳上大规模的等离子体抛射，是太阳系中最为剧烈的爆发现象，它是太阳物理和空间物理的重点研究对象，也是引起空间灾害性天气的主要因素[1-2]。但目前对于CME的温度、演化规律及动力学过程尚无定论，需通过天文观测仪器获取CME活动的结构、速度、密度及温度等特征，才能进一步推动日冕物质抛射在行星际传播的动力学特征和高温内核演化特征的相关研究[3]。国际上很早就开始了对CME的观测，几乎所有重要的太阳综合观测卫星均配备日冕仪。目前为止，美国、法国、德国、日本、英国等国家均有空间日冕仪发射升空[4-5]。我国空间日冕仪的研制起步较晚，目前虽然已经有“夸父计划”白光日冕仪[6]、围绕太阳极轴射电望远镜计划（SPORT）以及大视场白光扩展日冕仪等项目正在研制[7]，但均未投入使用。

日冕仪研制的难题之一是系统的杂散光抑制，其中太阳直射光、散射光、衍射光等是影响CME清晰成像的主要因素[7]，由此衍生出了外掩体、内掩体设计的日冕仪挡光组件[8]。近年来侧面遮拦式外掩体挡光组件设计逐渐兴起，其利用侧面遮拦，通过对太阳日冕一侧成像的方式，实现对日地空间超大范围内的CME进行成像[9-11]。相较于传统内/外掩体设计，这种设计对于相机系统限制较少，系统可以获得更大的视场范围，有助于天文学家对CME空间传播、空间天气预报等领域的研究，是未来太阳观测载荷的重要发展趋势之一，对于太阳的观测研究有着重大的作用和意义。

因此，本文基于当下国际太阳物理学界讨论最为激烈的日地拉格朗日L4/L5点太阳立体观测，开展侧面遮拦式日冕仪外掩体研制设计，通过任务分析，从理论、仿真、试验验证等方面开展研究，为我国未来太阳立体观测任务中日球层成像仪的研制提供帮助。

1 任务指标分析

1.1 相机指向、视场指标分析

日地拉格朗日L4、L5点被证实是日地间稳定的引力平衡点，它处于地球轨道，离开日地连线60°，位于该点的太阳观测载荷可从侧面对日地连线上CME传播、激波及其产生的高能粒子事件等太阳活动现象进行长期稳点、稳定监测，被国内外天文学家认为是太阳活动观测的理想位置之一（见图1）[12-13]。美国STEREO太阳双星[14]以及我国“羲和计划”也选择L4、L5点作为了任务轨道。

图1 日地拉格朗日L4/L5点位置

在相机整体设计上，日球层成像仪设计选用双相机（由近日观测相机HI-1和远日观测相机HI-2组成）视场拼接形式完成大尺度日地连线CME观测，该设计的优势是避免了单相机大视场条件下成像畸变大、轴外像差大等缺陷，同时，也避免了在近日和远日情况下背景亮度差异大而导致的成像过暗或过曝。日球层成像仪在轨观测示意以及载荷结构模型见图2和图3。

放置于L4、L5点的日球层成像仪在选定视场角和视轴指向时，不仅需要考虑日地连线中CME的辐射范围，还需考虑日球光等强杂散光源对于CME暗弱目标探测效能的影响。相机视轴与视场角设计值如图4所示，由于CME的辐射范围在12～215个太阳半径[14]，根据几何关系计算出满足该范围全覆盖探测的相机边缘视场角度为2.83°和59.77°。其中靠近太阳的边缘视场角度2.83°，该数值为后续侧面挡光环设计中衍射抑制角的设置提供了输入。

图2 日球层成像仪观测示意

图3 日球层成像仪模型

1.2 侧面遮拦式外掩体抑制能力需求分析

对于太阳观测载荷杂散光抑制设计来说，最大的挑战来自于太阳光球直照带来的高能量背景光。如图3所示，在本文日球层成像仪设计中，由于近日观测相机HI-1的视场更靠近太阳，更易受到来自太阳直射光的影响，因此更依赖于外掩体对日面进行遮挡。

侧面遮拦式外掩体的作用是对太阳直射光进行遮挡，并对其在外掩体边缘产生的散射光、衍射光进行抑制，将其能量降至一定的能级，确保不影响亮度低的日冕物质抛射现象的观测。为了得到满足任务需求的外掩体杂光抑制量级，需要对太阳背景亮度、CME亮度进行分析。

如图5所示，根据Defise等人[15-16]的研究，CME的亮度（）变化与空间距角（即CME与太阳的角距离）有关，变化率约为–2～–3。在日地连线间CME亮度变化范围在10–7～10–16sun（sun为太阳亮度，视星等–26.74），相较于日面，CME的观测难度更大。此外，由于CME亮度与太阳背景光的亮度差远远超出目前空间探测器件的探测动态范围，太阳直射光及其散射光在视场内出现会导致CME信号无法被探测器检出。因此，综合上述CME的亮度分布情况以及当前探测器件的性能，并参考STEREO、Solar Orbiter等太阳观测卫星的在轨数据[7-8]，得出日球层成像仪近日观测相机HI-1总体杂散光抑制效能需要优于10–13，抛去分系统相机本身光阑、涂层等抑制效能，侧面遮拦式外掩体抑制能力需要优于10–9才能保证系统满足探测需求。

图4 日球层成像仪观测角度分析

图5 CME亮度分布[15]

2 侧面遮拦式挡光环设计及优化

半无限矩形菲涅尔衍射是分析侧面遮拦式挡光环组件衍射光强度分布的重要基础理论[17-21]。本项设计的研究思路可分为以下两点：1）基于半无限矩形菲涅尔衍射原理和衍射叠加原理计算挡光环组件衍射光强度分布；2）通过调节设计参数分析挡光环组件衍射分布变化，对挡光环组件进行优化，获得满足探测需求的挡光环组件设计。

半无限矩形菲涅尔衍射公式为

式中 为观测屏中坐标(x,y)处的衍射光振幅；为入射光振幅；为探测波长；为观测点到衍射屏的水平距离；，其中()为挡光环边缘距观测屏上某点在y方向的距离；和为菲涅尔衍射积分，其中，，为变量。

基于上述理论在数学软件中进行建模，根据载荷约束、输入间距、挡光环数量、衍射角等信息，获得该条件下的侧面遮拦式挡光环抑制效果，计算流程如图7所示。

为了验证模型的可行性，以STEREO HI前挡光环的设计值（入射波长805 nm、衍射角1.32°、挡光环阶数5、间距28.5 mm[8]）作为输入来进行模型精度验证，计算结果如图8所示。

图7 侧面遮拦式挡光环计算流程

图8 模型仿真下的STEREO挡光环抑制曲线

在相机上沿处获取到的衍射光能级约为1.99×10–9，在下沿位置获取到的衍射光能级约为1.18×10–11，与文献[14]中STEREO视场上沿的衍射光能级数据（2×10–9）基本相符，验证了模型计算的准确性。

为了获得日地拉格朗日L4/L5点探测下较优的挡光环布局设计，本文分别分析了图9中挡光环与相机距离、板间距、挡光环阶数等参数的改变对杂散光抑制效果的影响。

（1）挡光环与相机距离影响

在固定板间距、衍射角的情况下，分析计算挡光环与相机距离的改变对于挡光组件抑制性能的影响，计算结果如图10所示。结果表明，随着板间距的不断增加，对于衍射光的抑制能力不断提高。但是受整体尺寸包络的限制，距离不能过长，而过短的话则会导致相机出现离焦等成像效能问题。因此具体设计时，除了要考虑抑制效果，也要兼顾尺寸、质量、成像效能等因素。

图9 挡光环组件布局

图10 不同距离d对于衍射杂散光的影响

（2）挡光环阶数影响

在固定相机与最后一片挡光环距离、板间距、衍射角的情况下，分别对不同挡光环阶数下的抑制效果进行计算，计算结果如图11所示。结果发现，随着挡光环数量的增加，抑制能量呈现逐渐降低的趋势，挡光组件抑制能力升高，在5阶挡光环时就可实现优于10–9的抑制效果。但是在实际工程中，由于载荷包络尺寸、质量、成本等因素的制约，挡光环组件在设计时，在满足实际需求的前提下尽可能对整体结构的尺寸等进行约束。

（3）板间距影响

在固定相机与最后一片挡光环距离以及衍射角的情况下，分别对不同板间距进行了5阶挡光环的抑制能力计算，计算结果如图12所示。结果发现，随着板间距的不断增加，杂散比呈先减小后增大的趋势，即在板间距约为30 mm时，相机在该固定位置下可实现10–9量级的抑制能力，相较于其他间距实现了更优的杂散光抑制效果。

综上基于对不同设计参数的分析，并结合载荷包络尺寸、质量等限制要求，最终选择挡光环阶数=5、挡光环间距=30 mm、距离=390 mm作为挡光环组件设计参数。

图11 挡光环阶数N对于衍射杂散光的影响

图12 板间距X对于衍射杂散光的影响

3 侧面遮拦式挡光环杂散光抑制能力测试与讨论

为了验证计算模型的准确性，开展侧面遮拦式挡光环组件杂散光抑制效能测试。由于挡光环所达到的理论杂散比小于10–9，远低于一般探测器件的响应阈值，且测试过程中极易受到其他光源干扰（电脑屏幕、结构件散射光/反射光等）从而影响测试数据的准确性和真实性[22-25]。因此本文针对测试需求，搭建了一种适用于微弱杂散信号测试的测试系统，其布局如图13所示，测试环境位于十万洁净度的暗室条件下。测试光源采用亮度足够高的激光，因为激光的能量集中度高、相干性好，相较于太阳模拟器其受到大气的影响较小。挡光环组件放置在内壁经过特殊加工的吸光罩内，吸光罩内壁经过喷砂和发黑处理，极大程度减低了光线经系统内结构件反射后的光在吸光罩内壁发生的镜面发射/漫反射，并减小了系统内部产生的杂散信号。在探测器件上，本文采用微光探测器和微光照度计分别进行探测，通过图像和微光照度计测量出的数值可直观地反映组件抑制效果；同时为了实现精确测量，在吸光罩入瞳处放置了参考照度计，对入射光线照度进行实时测量。

图13 侧面遮拦式挡光环测试系统

将微光探测器放置在组件后，按照设计位置进行放置，调整其积分时间进行成像，成像结果如图14所示。通过对图14中图像纵向亮度分布进行分析可以发现，在视场范围内，探测器接收到的能量沿轴方向逐渐降低，与理论计算中视场内能量变化的趋势相吻合。

为了进一步分析组件的抑制效果，采用微光照度计对观测屏轴方向上的能量分布进行采样分析，并绘制挡光环组件杂散光抑制曲线，微光照度计的安装位置如图15所示。

杂散比可根据微光照度计接收能量与激光出射能量的比值来进行计算。理论计算曲线和微光照度计测试曲线如图16所示。可以发现：微光照度计位置与水平方向的夹角<0.8°时，测试值略优于理论值；当角度>0.8°，系统杂散比小于10–9，即组件抑制能力优于10–9，与理论计算值存在10–1量级差距。通过分析，存在误差的可能原因主要包括如下两方面：1）样件在加工时在刀口平台处理上存在精度误差，平面粗糙度没有达到设计要求，光线在经过刀口后发生不可预见的散射/衍射现象，导致测试值高于理论计算值；2）由于测试位于十万级洁净室内，空气中仍存在大量灰尘粒子，激光光线在空气中传播时发生部分散射现象[14,22]，部分光线未经挡光组件抑制便进入探测系统，微光照度计不仅接收到来自挡光环边缘的衍射光，同时接收到来自大气粒子的散射光，导致测试值略高于理论计算值。

图14 微光探测器成像图（左）及图像纵向灰度值分布（右）

图15 微光照度计位置示意

图16 微光照度计测试值与理论值对比

4 结束语

本文针对我国太阳观测任务中空间大视场日冕仪杂散光抑制需求，开展侧面遮拦式日冕仪外掩体研制设计。首先从理论仿真研究出发，计算侧面遮拦式挡光组件抑制能力，探索不同挡光环间距、挡光环阶数、挡光环后截距等参数对于组件性能的影响，最终开展组件性能测试，利用微光探测器和微光照度计从图像和数值两方面进行验证。结果表明，测试组件在十万级洁净度测试条件下衍射光抑制能力优于10–9。该项研究可为我国在空间太阳立体观测、太阳物理学、空间天气等领域的探索与发展提供助力。

[1] 杨孟飞, 代树武, 王颖, 等. 太阳空间探测进展与展望[J]. 中国空间科学技术, 2022, 42(5): 1-10. YANG Mengfei, DAI Shuwu, WANG Ying, et al. Progress and Prospect of Solar Exploration in Space[J]. Chinese Space Science and Technology, 2022, 42(5): 1-10. (in Chinese)

[2] 季海生, 汪毓明, 汪景琇. 太阳的立体观测[J]. 中国科学: 物理学力学天文学, 2019, 49(5): 40-47. JI Haisheng, WANG Yuming, WANG Jingxiu. Stereoscopic Observations of the Sun[J]. SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, 2019, 49: 40-47. (in Chinese)

[3] 吴季, 孙丽琳, 尤亮, 等. 2016–2030年中国空间科学发展规划建议[J]. 中国科学院院刊, 2015, 30(6): 707-720. WU Ji, SUN Lilin, YOU Liang, et al. Prospect for Chinese Space Science in 2016–2030[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2015, 30(6): 707-720. (in Chinese)

[4] 王颖, 周文艳, 代树武. 日地L4/L5点太阳立体探测任务初步设计[J]. 空间电子技术, 2018, 15(4): 68-74. WANG Ying, ZHOU Wenyan, DAI Shuwu. A Mission to the Sun-Earth L4/L5 for Solar Physics and Space Weather[J]. Space Electronic Technology, 2018, 15(4): 68-74. (in Chinese)

[5] 卢波, 张扬眉. 国外太阳观测卫星发展状况及未来态势[C]//中国空间科学学会空间探测专业委员会全国空间探测学术研讨会. [S.l.: s.n.], 2013. LU Bo, ZHANG Yangmei. The Status and Development Trend of Foreign Solar Observation Satellites[C]//National Conference on Space Exploration, Space Exploration Committee of Chinese Society of Space Science. [S.l.: s.n.], 2013. (in Chinese)

[6] 张红鑫, 卢振武, 夏利东, 等. 白光日冕仪光学系统的杂散光抑制[J]. 光学精密工程, 2009, 17(10): 2371-2376. ZHANG Hongxin, LU Zhenwu, XIA Lidong, et al. Stray Light Suppressing of Optical System in White Light Coronagraph[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(10): 2371-2376. (in Chinese)

[7] 孙明哲, 张红鑫, 卢振武, 等. 大视场日冕仪光学系统杂散光抑制[J]. 激光与光电子学进展, 2014, 51(5): 52203. SUN Mingzhe, ZHANG Hongxin, LU Zhenwu, et al. Stray Light Suppression of the Large Field of View Coronagraph Optical System[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51(5): 52203. (in Chinese)

[8] 张正正. 白光日冕仪杂散光抑制的关键技术研究[D]. 沈阳: 沈阳理工大学, 2014. ZHANG Zhengzheng. Research of the Key Techniques of White Light Coronagraph[D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2014. (in Chinese)

[9] EYLES C J, HARRISON R A, DAVIS C J, et al. The Heliospheric Imagers Onboard the STEREO Mission[J]. Solar Physics, 2009, 254: 387-445.

[10] HOWARD R A, VOURLIDAS A, KORENDYKE C, et al. The Solar Orbiter Imager (SoloHI) Instrument for the Solar Orbiter Mission[C]//Solar Physics and Space Weather Instrumentation V, 25-26 August 2013, San Diego, California, United States. [S.l.: s.n.], 2013: 88620H.1-88620H.13.

[11] 孙明哲, 张红鑫, 刘维新, 等. 侧面遮拦式日晕光度计的杂散光理论分析[J]. 光子学报, 2017, 46(12): 69-77. SUN Mingzhe, ZHANG Hongxin, LIU Weixin, et al. Theoretical Stray Light Analysis of Side-baffled Sky Brightness Photometer[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(12): 69-77.

[12] LAVRAUD B, LIU Y, SEGURA K, et al. A Small Mission Concept to the Sun-Earth Lagrangian L5 Point for Innovative Solar, Heliospheric and Space Weather Science[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2016, 146: 171-185.

[13] ALEXEI A P, LUCA B, PETER M, et al. What If We Had a Magnetograph at Lagrangian L5?[J]. Space Weather, 2016, 14(11): 1026-1031.

[14] DEFISE J M, HALAIN J P, et al. Design and Tests for the Heliospheric Imager of the STEREO Mission[C]//Proceedings of Innovative Telescopes and Instrumentation for Solar Astrophysics. [S.l.: s.n.], 2003: 12-22.

[15] DEFISE J M, HALAIN J P, MAZY E, et al. Design of the Heliospheric Imager for the STEREO mission[C]//Proceedings of SPIE 4498, UV/EUV and Visible Space Instrumentation for Astronomy and Solar Physics. [S.l.]: SPIE, 2001.

[16] BUFFINGTON A, JACKSON B V, KORENDYKE C M. Wide-angle Stray-light Reduction for a Spaceborne Optical Hemispherical Imager[J]. Applied Optics, 1996, 35(34): 6669-6673.

[17] BORN M, WOLF E. Principles of Optics[M]. 6 ed. New Nork: Pergamon Press, 1980: 634-643.

[18] 崔文乐. 菲涅尔衍射的数值计算及其应用的研究[D]. 保定: 河北大学, 2020. CUI Wenle. Study on Numerical Calculation of Fresnel Diffraction and Its Application[D]. Baoding: Hebei University, 2020. (in Chinese)

[19] 高探彪, 吴亚杰, 张建生. 菲涅尔衍射的数值计算[C]//陕西省物理学会2016年学术年会论文集. 西安: 陕西省物理学会, 2016: 80-84. GAO Tanbiao, WU Yajie, ZHANG Jiansheng. Numerical Calculation of Fresnel Diffraction[C]//Proceedings of 2016 Annual Academic Conference of Shaanxi Provincial Physical Society. Xi’an: Shaanxi Provincial Physical Society, 2016: 80-84. (in Chinese)

[20] AIME C. Fresnel Diffraction of Multiple Disks on Axis Application to Coronagraphy[J]. Astronomy Astrophysics, 2020, 637: A16.

[21] BOERSMA J. Diffraction by Two Parallel Half-planes[J]. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1975, 28(4): 405-425.

[22] 埃里克·费斯特. 杂散光抑制设计与分析[M]. 于清华, 俞侃, 刘祥彪, 译. 武汉: 华中科技大学出版社, 2019: 165-184. FEST E C. Stray Light Analysis and Control[M]. YU Qinghua, YU Kan, LIU Xiangbiao, Translated. WU Han: Huazhong University of Science and Technology Press, 2019: 165-184. (in Chinese)

[23] 石栋梁, 肖琴, 练敏隆. “高分四号”卫星相机杂散光分析与抑制技术研究[J]. 航天返回与遥感, 2016, 37(5): 49-57. SHI Dongliang, XIAO Qin, LIAN Minlong. Research on Stray Light Analysis and Restrain of GF-4 Satellite Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(5): 49-57. (in Chinese)

[24] LIU Nianping, LIU Yu, SHEN Yuandeng, et al. Measurement of Sky Brightness and Suppression of Scattering in Sky Brightness Monitor[J]. Actronomica Sinica, 2011, 52(2): 160-170.

[25] 吴琪, 徐熙平, 徐亮, 等. 基于PST的杂散光测试系统研究[J]. 长春理工大学学报(自然科学版), 2018, 41(3): 16-21. WU Qi, XU Xiping, XU Liang, et al. Research on Stray Light Measurement System Based on PST[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2018, 41(3): 16-21. (in Chinese)

Side-Occulted front Baffle Design for Wide-Field CME Observation

SHAN Ruiyan ZHANG Zhuo DONG Lianqing WANG Yu Yang Lixing NIAN Wei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

For the stray light suppression requirement of the large field coronagraph for Chinese solar observation, this paper proposes a side-occulted front baffle design of the heliospheric imager for wide-field coronal mass ejection (CME) observation, which adopts a multi-vane baffle system to suppress the diffracted stray light from inner field of view. This paper simulates the baffles performance and explores the influence of several factors such as vane-vane distance, vane number and vane-camera distance on the performance of the baffle design based on Fresnel-Kirchoff’s diffraction theory. A test system suitable for weak stray-light signals is built, and the performance of the baffle design is verified from the image and value aspects by using the LLL detector and LLL illuminometer. According to the result, an optimized baffle design achieves straylight attenuation at the level of 10–9under class 100 000 cleanliness. This design could satisfy the requirement of stray light attenuation for the wide field CME observation.

side-occulted front baffle; heliospheric imager; coronal mass ejections; solar observation; space exploration

TH751；V447+.1

A

1009-8518(2023)05-0037-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.005

2022-10-27

单睿䶮, 张琢, 董联庆, 等. 适用于大视场CME观测的侧面遮拦式外掩体设计[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(5): 37-45.

SHAN Ruiyan,ZHANG Zhuo,DONG Lianqing, et al. Side-Occulted front Baffle Design for Wide-Field CME Obervation[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 37-45. (in Chinese)

（编辑：夏淑密）