风云二号辐射计百叶窗式遮光罩杂散光抑制研究

李欣耀，陈福春，陈桂林

（中国科学院 上海技术物理研究所 中国科学院红外探测与成像技术重点试验室，上海200083）

引言

R-C光学系统是卡塞格林系统的一种形式，因为具有无色差、无热化、结构长度短、适用于多光谱等特点，被广泛应用于航天遥感仪器的主光学系统［1］。风云二号辐射计是一个主镜口径400 mm，次镜口径120mm，可见光焦距3 000mm，红外焦距521mm的R-C光学系统。没有杂光抑制措施时，视场外的杂光掠过次镜穿过主镜孔直接混入信号光路照射在焦面上，形成可见直射杂光，如果太阳光进入，这类杂光能量未经任何衰减对仪器性能影响非常严重。杂散光是各国自旋卫星气象云图中共同面临的无法彻底解决的难题，攻克此类问题主要依靠优化辐射计光路设计［2］。

1 辐射计可见直射杂光的仿真

风云二号辐射计光学系统是视场分光方式的R-C系统，其瞬时视场东西向偏置。视场东西向不对称的外在表现形式是折镜在东西方向的不对称，折镜几何中心偏离主光轴5.9mm，导致了辐射计在抗杂光能力上的东西向不对称性［3］，图1为辐射计光机模型，图2为风云二号E星云图，云图显示了辐射计的可见杂光分布。

使用软件对辐射计系统的直射杂光进行仿真，光路正追、倒追都显示了直射杂光的存在，如图3和图4所示。

图3 可见直射杂光正追图Fig.3 Ray tracing of visible stray light

2 直射杂光域计算

采用Matlab对光学系统杂光进行分析，从可见探测器作直线，将扫描时45°±5°的折镜光阑（图5）和次镜罩±10°投影到指定的平面，就能得到可见直射杂光域，次镜罩平面的直射杂光域如图6中阴影区域。

采用光学设计软件Zemax实施光路倒追也可以追出直射杂光域。在设立好坐标系，完善光学系统模型的基础上，建立光路上各机械光阑以及探测器各光敏元的模型，依靠坐标断点的设置，实现折镜旋转5°和主次镜旋转10°扫描状态的仿真，如图7所示。

图7 辐射计扫描状态仿真Fig.7 Simulation of radiometer in scan state

对辐射计扫描到N10°、星下点和S10°3种工况进行光路追迹，得到了与Matlab计算相同的结果，如图8所示，N10°时，可见直射杂光立体角最大，杂散辐射能量最大，因而云图出现了“北部冒烟”的现象［4］。

图8 Zemax计算的次镜罩直射杂光域Fig.8 Calculation of direct stray light area with Zemax

3 直射杂光的试验验证

在可见探测器的位置放置可见光源，如卤钨灯，将光屏放在辐射计前面观测，得到了一个Φ400 mm的均匀圆斑，如图9所示。在圆斑附近，能够观察到眉状的光带以及次镜支撑秆的影子，而且这条光带比Φ400mm的圆斑更亮。Φ400mm的均匀圆斑与距离远近无关，根据光路可逆定理，如果正追，圆斑代表着平行入射的信号光，而眉状的光带随距离辐射计由远及近变得越来越小，越来越亮，这是卤钨灯发出的光线经过分离镜，折镜的反射直接从次镜罩边沿出射的结果。直射杂光在传输中能量未经任何衰减，对系统性能影响非常大。

4 百叶窗设计

通过正追，发现可见直射杂光从折镜开始就一直混迹于红外信号光当中，如影随形，较难在后光路挡掉所有的直射杂光。既然可见直射杂光的根源是视场的东西向不对称性，其前光路外在表现形式是折镜的东西方向不对称性，考虑同样以前光路次镜罩的东边不挡西边挡来应对这个不对称性。

图9 直射杂光倒追实验图Fig.9 Experiment of visible s1tray light by reverse ray tracing

在不损失系统入瞳面积和不降低光学性能的基础上，使用由若干叶片组成的百叶窗［5］来进行杂光的抑制。这一设计既能阻挡直射杂光的入侵，又允许入射的信号光从叶片之间穿过，如图10所示。

图10 辐射计剖面图Fig.10 Profile of radiometer

设计方法：根据折镜在次镜罩上的投影设计主视方向百叶窗的外形。百叶窗应将直射杂光域全部包围，如图11所示。根据杂光和信号光的路径设计叶片走向，甄选出垂直于直射杂光入侵方向（图中小箭头所指）的环向叶片，它能够不挡信号光同时高效率阻挡杂光。根据杂光角度设计叶片长度和数目。叶片越长，需要的叶片数目越少。

充分利用从次镜罩外沿到次镜后盖这段距离，设计了只含内外两层叶片的百叶式窗遮光罩。设计结果为内叶片R1＝77mm，外叶片R2＝84.5 mm，壁厚0.5mm，全长98mm。图12为百叶窗遮光罩机械模型。

百叶窗窗体材料为铝合金，表面喷涂吸收率较高的Z306黑漆。对加装了百叶窗的光机模型进行光线追迹，如图13所示。可以发现百叶窗能够挡掉以5.21°～6.43°立体角汇聚于可见探测器的光线，涵盖了直射杂光进入的角度5.36°～5.95°。光机系统中最大视场的红外光路入瞳面积减小不到2‰，由此可见百叶窗既能够显著提高信杂比，又可以保持遮光比。

图13 百叶窗对直射杂光抑制的效果仿真图Fig.13 Effect of shutter on suppressing direct stray light

5 百叶窗抑制杂光试验验证

将所设计的百叶窗式次镜遮光罩和折镜光阑安装在辐射计上，利用积分球进行百叶窗西向杂光试验，杂光大小以所对应的电压计数值表示，单位mV。如表1所示，以杂光最大的A3通道（共有A1～A4，B1～B4八个可见通道，见表1）为例，百叶窗安装后相比安装前杂光电压降低了约95.2%。正如理论设计，将直射杂光全部遮挡，仅剩下不足5mV的其他杂光。

表1 百叶窗西向杂光试验数据表Table 1 Experimental data of stray light in west direction before and after using shutter

通过改变辐射计和积分球的相对位置以及同步步进扫描机构，进一步模拟了卫星云图的东西南北中5种状态。积分球试验结果表明：百叶窗能够将辐射计西向直射杂光和北向直射杂光全部遮挡住，基本实现了辐射计在各向抗杂光能力上的平衡。

6 百叶窗式遮光罩对系统红外辐射的影响分析

红外杂散辐射的分析通常从找出关键面和照明面入手。探测器能看到的表面成为关键面，光线倒追法可以找出。杂光光源直接照射到的表面成为照明面，光线正追法可以找出。既是关键面又是照明面的定义为重要面［6］。

红外杂散辐射机理为重要面的一次散射，对光机模型的正追和倒追仿真分析发现，百叶窗的4个圆弧表面为照明面，非关键面，即百叶窗不存在重要面。因此百叶窗的设置不影响辐射计系统的红外杂散辐射。

7 结束语

在辐射计上增设百叶窗可以降低95.2%的可见杂光，能够显著提高辐射计系统的信杂比，并能保持遮光比。风云二号F星云图显示，增设百叶窗式遮光罩这一措施底消除了各通道可见直射杂光，改善了午夜可见杂光，且不影响系统的红外光路信号光与杂光。

［1］ 李婕，明景谦，卢若飞.一种改进型的红外卡塞格林光学系统设计［J］.红外技术，2010，32（2）：76-80.LI Jie，MING Jing-qian，LU Ruo-fei.Design of an ameliorating infrared Cassegrain optical system［J］.Infrared Technology，2010，32（2）：76-80.（in Chinese with an English abstract）

［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 Cai-ying，ZHANG Xiao-hu，QIU Kang-mu.Analysis of scattered signal in geostationary meteorological satellite image［J］.J.Appl.Meteorol.Sci.，2004，15（5）：564-571.（in Chinese with an English abstract）

［3］ GUO Q，XU J M，HANG W J.Stray light modeling and analysis for the FY-2meteorological satellite［J］.International Journal of Remote Sensing，2005，26（13）：2817-2830.

［4］ 李欣耀，原育凯，裴云天，等.风云二号扫描辐射计可见杂光分析与抑制［J］.科学技术与工程，2006，6（12）：1605-1608.LI Xin-yao，YUAN Yu-kai，PEI Yun-tian，et al.Analyzing and suppressing visible stray light of scanning radiometer for FY-2meteorological satellite［J］.Science Technology and Engineering，2006，6（12）：1605-1608.（in Chinese with an English abstract）

［5］ 钟兴，张雷，金光.反射光学系统杂散光的消除［J］.红外与激光工程，2008，37（2）：316-318.ZHONG Xing，ZHANG Lei，JIN Guang.Stray light removing of reflective optical system［J］.Infrared and Laser Engineering，2008，37（2）：316-318.（in Chinese with an English abstract）

［6］ 李欣耀，裴云天，王成良.空间光学系统中红外杂散辐射的抑制方法［J］.红外，2011，32（1）：31-34.LI Xin-yao，PEI Yun-tian，WANG Cheng-liang.Suppressing method of infrared stray radiation in space optical system［J］.Infrared，2011，32（1）：31-34.（in Chinese with an English abstract）