反射式椭球面光栏在空间光学遥感器上的应用研究

杨涛 李春林 孟庆亮

（北京空间机电研究所，北京 100094）

反射式椭球面光栏在空间光学遥感器上的应用研究

杨涛 李春林 孟庆亮

（北京空间机电研究所，北京 100094）

空间光学遥感器遮光罩内壁通常会布置消除太阳、地气等外部杂散光的环状光栏，而传统的高吸收率直环环状光栏会显著加大光学系统入光口的黑体面积，尤其在高热流密度的阳光直射遮光罩内壁时，会导致遮光罩内壁及光栏自身温度出现极端高温现象，进而对光学系统前光学镜头的温度稳定度带来负面影响，同时引入了额外的内部红外谱段杂散光。为消除上述弊端，文章给出了一种反射式椭球面光栏的设计方案。针对地球静止轨道遥感器在轨飞行环境及入光口特征，采用UG NX热分析软件建立了热仿真模型，并通过软件中的蒙特卡罗法统计、对比了该反射式椭球面光栏与传统直环光栏的热负荷及杂散光分布情况。结果表明，相比传统光栏，该反射式椭球面光栏在有效消除太阳、地气等外部杂散光的同时，可以将遥感器入光口的热负荷降低60%～70%，避免了入光口的极端高温现象。

遥感器 椭球面光栏 热负荷 杂散光 空间遥感

0 引言

随着空间光学遥感器分辨率的提高，光学系统中的杂散光对遥感器成像品质产生的负面影响逐显凸出[1-3]。杂散光是光学系统中到达光电转换器件的非目标光线，也就是经非正常光路到达探测器的光线，这些非目标光线包括外部杂散光和内部杂散光，前者指太阳光、地气光等，后者主要是光学系统自身发射的热电磁波[4-5]。对于外部杂散光，通常在遥感器遮光罩内壁布置光栏片（挡光环）加以削弱或消除，传统型式的光栏片垂直设置遮光罩内壁，光栏片两面布置高吸收涂层，这种构型的光栏能够达到一定的消外部杂散光的效果[6]。但由于此种光栏片显著增加了遮光罩内壁黑体面积，遮光罩内壁或光栏片吸收外热流导致自身温度升高，增加了内部杂散光，尤其对于地球静止轨道遥感相机或太阳望远镜，其轨道太阳外热流直射入光口，遮光罩内壁或光栏片会出现极端高温现象[7-8]。

某地球静止轨道凝视遥感器同时具备可见光成像通道和红外成像通道，两个通道共用前一组镜头。由于自身轨道特点，除在春分点、秋分点前后共46天有短暂的地影区外（午夜前后共不超过72min），其它时间卫星全天受太阳照射[9-11]。因此从夜晚18：00到次日凌晨6：00，阳光均直照遥感器遮光罩内壁，高热流密度的阳光持续照射导致了遮光罩自身的极端高温。遥感器红外通道需具备夜间成像能力，而高温的遮光罩会通过辐射对主镜、次镜及其支撑结构的温度水平产生较大影响，导致光学结构变形，降低成像精度，并且高温遮光罩自身的红外辐射也是内杂散光的主要来源。遮光罩的内壁传统的高吸收率环状光栏会显著加大系统入光口的黑体表面面积，使遮光罩的热负荷进一步增大，使得上述问题更加尖锐。为保证相机光学系统性能，必须采取必要的措施来保证遮光罩处于较低的温度水平，同时又不能削弱遮光罩消除可见光谱段外部杂散光的能力[12-15]。

目前对高温问题的处理方法主要是增大热容或加强热疏导。增大热容主要是通过在遮光罩上布置相变材料来实现，然而地球静止轨道由于周期较长，遮光罩夜间受晒时间长，总的热通量大，需要大量的相变材料来完成蓄热功能，工程实施可行性较低。热疏导是对遮光罩进行均温化，将高温区域的热量疏散至低温区域，如在遮光罩上正交布置铝氨槽道热管、设计环路热管或流体回路装置等，但此种方法增加了额外的质量，并且日凌所引起的高温区域在遮光罩内壁随时间移动，正交布置的铝氨槽道热管给地面热试验带来新的问题，而环路热管及流体回路装置需额外的驱动功率[16-17]。

本文给出了一种反射式椭球面光栏[18]的设计方案，该设计可以在消除杂散光的同时，显著降低空间光学遥感器入光口的热负荷。针对地球静止轨道热环境及遥感器入光口特点建立了仿真模型，分析不同光栏设计方案时的热负荷及杂散光分布情况，结果显示，相比传统直环光栏，椭球面光栏能够将太阳直射对遮光罩内部造成的热负荷降低60%～70%，遮光罩温度从50℃以上降低到10℃以内；同时其具备良好的消除视场外杂散光的能力。

1 反射式椭球面光栏方案设计

椭球体的光线反射原理如图1所示，P、S为椭球体的两个焦点，光线通过焦点P，经过椭球体上任何一点A、B或C，入射角为θi，反射角为θr，反射光线必然会经过另一焦点S。如果将其中一个焦点S固定在入光口位置，经过椭球面反射回到S点的光线必然逸出入光口。

借助此原理在遮光罩内壁设计一组反射式椭球面光栏，如图2所示。反射式椭球面光栏由一片直环光栏和数片椭球面光栏组成，其中直环光栏由直线段作为母线绕光轴旋转一周生成，各椭球面光栏分别由一段椭圆弧线段作为母线绕光轴旋转一周生成。直环光栏和数片椭球面光栏正对太空一侧壁面布置高镜面反射涂层，另一侧为高吸收涂层。

图1 椭球体的光线反射Fig.1 The light reflection of ellipsoid

图2 一组反射式椭球面光栏示意Fig.2 The schematic diagram for a group of reflective ellipsoid grating

图3是直环光栏及第1片至第N片椭球面光栏片母线的形状与定位设计示意图。

直环光栏位于遮光罩面向太空一侧的入光口平面上，由直线段作为母线绕光轴CC旋转一周并赋予一定厚度，直环光栏母线一个顶点为D，另一个顶点为F2，长度，如图3（a）所示。

第1片至第N片椭球面光栏片均由一组椭圆弧线段作为母线绕光轴CC旋转一周，并赋予一定厚度。如图3（b）所示，每片椭球面光栏母线的第一个焦点F1均位于通光圆柱面外径RI处，并始终固定在P点上，另一个焦点 F2（F2′、F2″、……）位于前一片光栏母线在通光圆柱面上的顶点处，长轴顶点是焦点F1与F2（F2′、F2″、……）连线并延长至遮光罩内壁面的相交点。

图3 椭球面光栏形状及定位Fig.3 The geometry and position of ellipsoid grating

第1片椭球面光栏母线的位置和形状由下面的曲线方程确定：

第2片至第N片椭球面光栏母线的位置和形状由下面的曲线方程确定：

式中 方程坐标系x轴与椭球面光栏母线长轴重合，y轴与椭球面光栏母线短轴重合，x、y分别是椭球面光栏母线上任意一点的横纵坐标；Z为前一片椭球面光栏母线位于通光圆柱面上的顶点到入光口平面的垂直距离；RO为遮光罩壁内径；RI为通光口外径；ZR为第N片椭球面光栏母线位于遮光罩内壁面上的顶点到入光口平面的垂直距离；θT为第N片椭球面光栏母线长轴与光轴的夹角。

由上述方程可知，当 RO、RI和遮光罩长度的数值或比例确定时，光栏的位置/曲面形状及数量均可确定。

2 仿真模型

设遮光罩长度为1 050mm，通光孔直径为728mm，遮光罩内径为848mm，即RO/RI=1.16，光栏为10组。本文采用UG NX热分析软件建立模型，模型包含遮光罩和主镜，其中主镜的设置用于为遮光罩提供定温边界，并统计地球反照产生的外杂散光，主镜布置在遮光罩尾部，如图4所示。

图4 椭球面光栏热分析模型Fig. 4 The thermal simulation model of ellipsoid grating

为对比普通直环光栏和椭球面光栏的温控性能，分别建立了四组热分析模型，具体特征参数见表1。其中椭球面光栏母线段分别用4条、10条直线段拼接而成，分别对应表1中模型3和模型4。取椭球面光栏厚度为1mm，直环光栏厚度为1.44mm，保证各组模型中光栏的等效热容一致。各热控涂层及主镜的辐射特性见表2。

表1 遮光罩壁及光栏片物理属性Tab.1 The physical parameters of sunshade wall and grating slices

表2 热控涂层物性参数Tab.2 The physical parameters of thermal control coatings

3 仿真结果

计算采用的轨道为地球静止轨道，选取的季节为冬至，入光口指向星下点。本文采用UG NX软件分别分析了各模型中到达遮光罩内壁及光栏的热负荷、遮光罩内壁及光栏的温度分布，以及通过光栏片和遮光罩内壁二次反射到达主镜的地球反照热流密度。

3.1 太阳热负荷分析

对于地球静止轨道卫星，相比太阳直射外热流，地球红外和地球反照两项可以不计，因此本节仅统计太阳直射热负荷。取OSR片的太阳吸收率为末期值。结果如图5曲线所示，直环光栏两面发黑时，最大阳光热载为591.6W，夜间平均值为406.9W；外壁粘贴OSR片的直环光栏最大阳光热载为484.8W，夜间平均值为332.2W，有所减小但效果不明显；4条直线段模拟的椭球面光栏最大阳光热载为224.0W，夜间平均值为 155.1W，是两面发黑直环光栏的 38.1%；10条直线段模拟的椭球面光栏最大阳光热载为217.0W，夜间平均值为146.8W，仅相当于两面发黑直环光栏的36.1%。

图5 太阳直射遮光罩内壁造成热负荷的变化曲线Fig.5 The variation of heat load on the sunshade inner wall caused by direct solar radiation

3.2 温度峰值分析

在计算遮光罩温度水平时，设置主镜为定温20℃，取OSR片的太阳吸收率为末期值。图6为各模型在出现最高温度时遮光罩的温度分布云图。结果显示，两面发黑与外壁OSR的直环光栏最高温度发生在凌晨03：00左右，最高温度分别为53.4℃、44.9℃；4条直线段与10条直线段椭球面光栏的最高温度发生在凌晨05：00左右，分别为9.1℃、2.2℃。椭球形反射光栏可以有效降低遮光罩温度，降低了前镜头光学组件的热控难度，同时大大减少了红外谱段杂散光。

3.3 视场外杂散光分析

对于仅在白天工作的可见光成像通道，视场外杂散光主要来源是地球反照。借助UG NX软件中的蒙特卡罗法可以分析出到达主镜上的地球反照热流密度，取OSR片辐射特性为初期值。图7统计了通过遮光罩内壁及光栏二次发射到达主镜中心点的辐射密度。结果显示，外壁OSR直环光栏模型中到达主镜中心的地球反照热流密度最大，是两面发黑直环光栏的5.0～7.5倍；4条直线段椭球面光栏模型中主镜中心的地球反照热流不到两面发黑直环光栏的2倍；10条直线段椭球面光栏模型中到达主镜中心的地球反照热流略小于两面发黑直环光栏的。由此可见，椭球形反射光栏具有良好的消除外杂散光性能，特别是光栏椭球曲面精度越高，消除杂散光能力越强，甚至优于传统的两面发黑直环光栏。

图6 最高温时刻遮光罩及光栏温度云图Fig.6 The temperature contour maps of sunshade and gratings at the highest temperature

图7 二次反射到达主镜的地球反照热流密度曲线Fig. 7 The variation of heat flux of secondary reflection albedo on the primary mirror

4 结束语

椭球面光栏相比传统的直环光栏，可以有效减小夜间遮光罩内壁的太阳直射热负荷，能将遮光罩自身温度控制在较低的水平，减低了相机前镜头光学组件的热控难度，同时减少了红外杂散光。并且此种光栏具有良好的消除视场外可见光谱段杂散光的能力，椭球曲面精度越高，消除杂散光能力越强，甚至优于两面发黑处理的直环光栏。因此椭球面光栏有很大的潜力应用于地球静止轨道可见光/红外双成像通道遥感相机。

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Application of Reflective Ellipsoid Grating System in Space Optical Remote Sensor

YANG Tao LI Chunlin MENG Qingliang

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

For the purpose of suppressing the external stray light from the sun, earth and atmosphere, a cyclical grating system is traditionally used on baffle inner wall. The traditional cyclical grating system with high absorptance enlarges the blackbody area at entrance, and causes its and baffle’s temperature extremely high when baffle inner wall is illuminated directly by sunshine. This has negative impact on temperature stability of space camera near baffle and induces extra stray infrared light. To eliminate the defects of traditional cyclical grating system, a reflective ellipsoid grating system is designed in this paper. The thermal analysis soft code UG NX is used to modeling the heat load and stray light distribution of traditional cyclical grating system and the reflective ellipsoid grating system in the flight environment on geostationary orbit respectively. The simulation results indicate that compared with the traditional grating system, the reflective ellipsoid grating system can eliminate stray light from the sun, earth and atmosphere, and can decrease heat load of entrance by 60%～70%, which can avoid the baffle’s extremely high temperature.

remote sensor; ellipsoid grating; heat load; stray light; space remote sensing

V443.5

: A

: 1009-8518(2016)02-0074-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.010

杨涛，男，1986生，2010年获南京理工大学工程热物理专业硕士学位，工程师。主要从事空间光学遥感器热设计。E-mail：yangt012186@126.com。

（编辑：夏淑密）

2016-01-25

国家高技术研究发展计划重点项目（2008AA121900）