李俊杰,孫劍,趙珩翔,暢晨光,傅頔,趙昊,白璐,馮玉濤
(1 中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,西安 710119)(2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)(3 西安電子科技大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,西安 710071)
中高層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)是表征大氣環(huán)境及大氣動(dòng)力學(xué)特征的重要手段,對(duì)于精準(zhǔn)天氣預(yù)報(bào)、航空航天任務(wù)的順利進(jìn)行都具有重要意義[1]。衛(wèi)星遙感探測(cè)大氣風(fēng)場(chǎng)不受地理?xiàng)l件和天氣限制,可進(jìn)行全球尺度全天候遙感觀測(cè),更重要的是采用臨邊觀測(cè)模式能提供全球尺度水平風(fēng)場(chǎng)和溫度隨高度分布的長(zhǎng)周期觀測(cè)結(jié)果,這是研究大尺度、長(zhǎng)期性空間天氣或氣候所必需的[2-3]。多普勒差分干涉儀具有高靈敏度、高光譜分辨率、大光通量、加工裝調(diào)精度要求低的特點(diǎn)[4-5],可極大提高系統(tǒng)性能,非常適合中高層大氣風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)活動(dòng)。
風(fēng)速是風(fēng)場(chǎng)信息中最重要的參數(shù),星載多普勒差分干涉儀以氣輝為探測(cè)目標(biāo),通過(guò)測(cè)量干涉圖的多普勒相位,反演得到風(fēng)速信息。多普勒差分干涉儀要達(dá)到實(shí)用測(cè)風(fēng)精度(≤10 m/s),需要測(cè)量相當(dāng)于波長(zhǎng)3.3×10-8級(jí)別的頻移[6]。而雜散光會(huì)降低原始干涉圖的對(duì)比度和有效信噪比,影響相位測(cè)量的準(zhǔn)確性和精度。星載多普勒差分干涉儀雜散光可分為兩類:視場(chǎng)外大氣背景輻射和視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光。大氣背景輻射由大氣成分對(duì)太陽(yáng)光的散射形成,低層大氣背景輻射比觀測(cè)氣輝強(qiáng)度高出至少一個(gè)數(shù)量級(jí),測(cè)風(fēng)干涉儀采用臨邊觀測(cè)模式,低層大氣背景輻射靠近觀測(cè)視場(chǎng),容易進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng);視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光由成像光線經(jīng)非正常光路到達(dá)探測(cè)器形成,多普勒差分干涉儀閃耀光柵非工作級(jí)次衍射光與工作級(jí)次光線夾角較小,易隨工作級(jí)次光線到達(dá)像面。
目前成功應(yīng)用的測(cè)風(fēng)干涉儀載荷系統(tǒng)都對(duì)雜散光做了相應(yīng)的抑制設(shè)計(jì)。高分辨率多普勒成像儀(High-Resolution Doppler Imager,HRDI)和熱層能量探測(cè)衛(wèi)星多普勒干涉儀(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetics and Dynamics Doppler Interferometer,TIDI)依靠瞬時(shí)視場(chǎng)沿臨邊高度方向一維掃描實(shí)現(xiàn)整個(gè)高度方位的觀測(cè)覆蓋,垂直方向視場(chǎng)很?。s0.05°),一個(gè)簡(jiǎn)易的遮光罩即可滿足低層雜散輻射抑制 要 求[7-11]。風(fēng) 場(chǎng) 成 像 干 涉 儀(Wind Imaging Interferometer on NASA′s Upper Atmosphere Research Satellite,WINDII)和全球高分辨率熱層成像邁克爾遜干涉儀(Michelson Interferometer for Global Highresolution imaging of the Thermosphere and Ionosphere,MIGHTI)均具備臨邊高度方向一維成像能力,垂直視場(chǎng)較大(約6°),容易受到低層雜散光的影響。WINDII采用相互垂直的雙視場(chǎng)觀測(cè),探測(cè)范圍為80~300 km,地球邊緣僅在觀測(cè)視場(chǎng)外2°。為抑制低層雜散輻射,WINDII確定20 km高度以下的大氣背景輻射為主要抑制對(duì)象并設(shè)計(jì)遮光罩,根據(jù)白天和夜晚的不同觀測(cè)環(huán)境使用了可變光闌[12-13]。MIGHTI采用單視場(chǎng)觀測(cè),探測(cè)高度90~300 km,使用與WINDII類似的遮光罩和可變光闌,仿真結(jié)果表明鬼像和大氣散射雜散光僅占成像能量的1.2%[14-15]。上述載荷探測(cè)范圍為高層大氣,面向中層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)(60~90 km)將對(duì)低層雜光抑制提出更高的要求。
本文針對(duì)在典型軌道上進(jìn)行中層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的近紅外多普勒差分干涉儀系統(tǒng)的雜散光特性進(jìn)行研究,并提出抑制方法。對(duì)于視場(chǎng)外非成像雜散光,依據(jù)不同高度大氣背景輻射和氣輝強(qiáng)度變化,結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)遮光罩;對(duì)于視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光,仿真分析光學(xué)系統(tǒng)鬼像及非工作級(jí)次能量對(duì)成像的影響,設(shè)計(jì)相應(yīng)的雜光抑制結(jié)構(gòu)。為了評(píng)價(jià)雜散光抑制效果,對(duì)星載多普勒差分干涉儀進(jìn)行點(diǎn)源透過(guò)率(Point Source Transmittance,PST)和像面照度的仿真分析。
星載多普勒差分干涉儀采用臨邊觀測(cè)模式,將探測(cè)器的視線以一定角度掠過(guò)地表的方式進(jìn)行大氣探測(cè),視線路徑距離地表最近時(shí)的高度被稱為切線高度,如圖1所示。軌道高度500 km處的衛(wèi)星平臺(tái)通過(guò)升高或降低切線高度來(lái)對(duì)60~90 km范圍內(nèi)大氣進(jìn)行切片式探測(cè),具有高空間覆蓋率和高垂直分辨率的優(yōu)點(diǎn)[16]。衛(wèi)星軌道參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
表1 軌道參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Orbit parameters and system parameters
圖1 臨邊觀測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of limb viewing
中層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)多普勒差分干涉儀光學(xué)系統(tǒng)組成如圖2所示,其干涉光路中用兩塊閃耀光柵代替?zhèn)鹘y(tǒng)邁克爾遜干涉儀的反射鏡,使用兩塊厚度不相等的擴(kuò)視場(chǎng)棱鏡,來(lái)增大光程差,以滿足測(cè)風(fēng)的精度要求。氣輝發(fā)射線經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后,在分束鏡處分為強(qiáng)度相等的兩束光線,分別經(jīng)由擴(kuò)視場(chǎng)棱鏡P1、P2到達(dá)閃耀光柵G1、G2處,發(fā)生衍射效應(yīng)后,再返回分束鏡,兩束光干涉形成干涉條紋,經(jīng)成像系統(tǒng)成像在探測(cè)器上[17]。
圖2 多普勒差分干涉儀光學(xué)系統(tǒng)Fig.2 Optical system of Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer
本文儀器中的雜散光按照來(lái)源可以分為視場(chǎng)外非成像雜散光和視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光。視場(chǎng)外非成像雜散光主要是低層大氣背景輻射,根據(jù)其能量隨高度的變化設(shè)計(jì)遮光罩來(lái)抑制。視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光包括鬼像和閃耀光柵非工作級(jí)次的衍射能量,根據(jù)其雜光路徑分析來(lái)設(shè)計(jì)抑制結(jié)構(gòu)。
星載多普勒差分干涉儀對(duì)60~90 km中層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)時(shí),將受到視場(chǎng)外大氣背景輻射的影響,尤其是低層大氣的雜散輻射,這部分到達(dá)像面形成光噪聲的雜散光,即為視場(chǎng)外非成像雜散光[18]。
基于觀測(cè)模式選取典型大氣環(huán)境,使用Modtran分別在春分、夏至、秋分、冬至四個(gè)時(shí)段計(jì)算大氣背景輻射,結(jié)果如圖3所示。
圖3大氣背景輻射強(qiáng)度與氣輝強(qiáng)度Fig.3 Atmospheric background radiation intensity and airglow intensity
圖3 中切線高度為負(fù)值表示觀測(cè)方向與地球相交,可以看出,在高度100 km以內(nèi),氣輝強(qiáng)度隨高度降低先增強(qiáng)后減弱,觀測(cè)范圍60~90 km內(nèi)氣輝平均輻亮度L=10.367 μW/(cm2·sr);大氣背景輻射強(qiáng)度隨觀測(cè)高度降低持續(xù)增強(qiáng),20 km以下大氣背景輻射強(qiáng)度將達(dá)到觀測(cè)范圍內(nèi)氣輝平均輻亮度的1~8倍,故需要防止20 km以下低層大氣背景輻射直接射入儀器入瞳。
為抑制低層雜散光,在光學(xué)系統(tǒng)入瞳外添加遮光罩。遮光罩取不同長(zhǎng)度時(shí)到達(dá)入瞳的大氣背景輻射強(qiáng)度與目標(biāo)氣輝強(qiáng)度如圖4所示,遮光罩越長(zhǎng),大氣背景輻射抑制效果越好,但遮光罩長(zhǎng)度大于800 mm后,由于較高層大氣背景輻射較弱,抑制效果增強(qiáng)并不明顯。結(jié)合圖3,選擇20 km為抑制的云頂高度,觀測(cè)視場(chǎng)下邊界與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向夾角α1=20.61°,儀器觀測(cè)20 km云頂高度與衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向夾角α2=21.54°,遮光罩雜散光抑制角θ=α2-α1+0.36°=1.28°,圖5(a)為一級(jí)遮光罩幾何結(jié)構(gòu)。
圖4 到達(dá)入瞳的大氣背景輻射強(qiáng)度Fig.4 Atmospheric background radiation reaching the entrance pupil
圖5遮光罩設(shè)計(jì)原理Fig.5 Design principle of the baffle
圖5 中,a為光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌半徑,ω為光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)角,θ為雜散光抑制角,L為遮光罩總長(zhǎng),它們之間關(guān)系為
為提高遮光罩的抑制效果,在遮光罩內(nèi)壁上設(shè)置擋光環(huán)結(jié)構(gòu)以攔截經(jīng)遮光罩內(nèi)壁散射進(jìn)入光瞳的一次散射雜光。設(shè)置擋光環(huán)能保證當(dāng)大離軸角光線照射到遮光罩內(nèi)時(shí),至少需要經(jīng)過(guò)兩次散射才能進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),如圖5(b)所示。在遮光罩內(nèi)添加9個(gè)擋光環(huán),設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。
圖6 遮光罩設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.6 Baffle geometry
在此基礎(chǔ)上為進(jìn)一步抑制兩次及以上散射光,對(duì)遮光罩和擋光環(huán)內(nèi)壁進(jìn)行染黑處理,以增大吸收率,降低散射和反射的能量,提升雜散光抑制性能。
星載多普勒差分干涉儀中,由于光學(xué)元件表面的反射導(dǎo)致部分成像光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部以非正常光路到達(dá)像面,形成光噪聲的雜散光,即為視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光,星載多普勒差分干涉儀中的視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光主要有兩種:1)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵面反射和散射的光線形成的鬼像;2)閃耀光柵非工作級(jí)次能量。
在遮光罩和擋光環(huán)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,建立多普勒差分干涉儀三維模型,進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化以減少表面數(shù)量,并對(duì)模型進(jìn)行材料和表面參數(shù)設(shè)置,如表2所示,多普勒差分干涉儀三維模型如圖7所示。
表2 仿真模型中的表面參數(shù)設(shè)置Table 2 Surface property setting in simulation mode
圖7 多普勒差分干涉儀三維模型Fig.73D model of Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer
為分析系統(tǒng)內(nèi)可能產(chǎn)生的鬼像,根據(jù)建立的三維模型,在不同視場(chǎng)下建立光源,使每個(gè)光源入射光都能覆蓋整個(gè)遮光罩入口。盡量增加單個(gè)光源光線數(shù)量并降低光線追跡門(mén)檻數(shù)值,使探測(cè)器能夠接收到足夠數(shù)量的光線以確保分析的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)分析雜散光光路,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生成像雜散光的關(guān)鍵面為透鏡3表面和視場(chǎng)光闌的機(jī)械表面,光路圖如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵面產(chǎn)生雜散光光路Fig.8 Stray light caused by the key surfaces
成像光經(jīng)透鏡3和視場(chǎng)光闌散射直接到達(dá)探測(cè)器,為抑制這部分雜散光,在不遮擋成像光線的前提下,在探測(cè)器外殼添加遮光罩,并將遮光罩內(nèi)表面加工成鋸齒形,且鋸齒面朝外,如圖9所示。
圖9 探測(cè)器外殼Fig.9 Detector shell
由于閃耀光柵的工作特性,非工作級(jí)次能量也會(huì)以一定夾角隨工作級(jí)次能量返回光路,需要使用光闌遮擋,如圖10所示。初步確定光闌位置和寬度,為計(jì)算方便,不考慮擴(kuò)視場(chǎng)棱鏡的折射。
圖10 光柵多級(jí)衍射Fig.10 Multistage diffraction of grating
入射光線以Littrow角入射閃耀光柵,波數(shù)為σ的光線的出射角γ由光柵方程決定,在0視場(chǎng)下,根據(jù)光柵方程可計(jì)算出級(jí)次衍射m的光線與工作級(jí)次光線的夾角γ,即
式中,d為光柵刻線寬度,Littrow角δ為光柵傾斜角。
光源半徑為D,要在與光柵距離為L(zhǎng)處設(shè)置光闌遮擋非工作級(jí)次能量,則光闌寬度應(yīng)為[19]
在視場(chǎng)ω下,用ω+δ代替δ,在與光柵距離為L(zhǎng)處設(shè)置的光闌寬度為
用400 lp/mm閃耀光柵研究多普勒差分干涉儀,工作級(jí)次為+1級(jí),首先對(duì)0視場(chǎng)下光源進(jìn)行仿真,光路如圖11所示,像面照度如圖12所示。
圖11 多普勒差分干涉儀0視場(chǎng)衍射光路Fig.11 Diffraction light of the Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer on axis field
圖12 0視場(chǎng)仿真像面照度Fig.12 Simulated irradiance map of sensor on axis field
結(jié)果表明,0視場(chǎng)下該干涉儀非工作級(jí)次能量不能直接到達(dá)像面,非工作級(jí)次能量經(jīng)反射或散射后達(dá)到像面的能量占像面總能量的0.08%,仿真其他視場(chǎng)也沒(méi)有出現(xiàn)非工作級(jí)次能量直接到達(dá)探測(cè)器的情況。經(jīng)分析,該閃耀光柵工作級(jí)次為+1級(jí),工作級(jí)次較低,非工作級(jí)次光線與工作級(jí)次光線夾角γ較大,不能隨成像光直接到達(dá)像面,沒(méi)有對(duì)成像產(chǎn)生明顯影響。
對(duì)視場(chǎng)外非成像雜散光,計(jì)算PST來(lái)評(píng)價(jià)抑制效果。PST表征光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同入射角度下雜散光線的抑制能力,是評(píng)價(jià)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)消視場(chǎng)外雜散光能力的主要指標(biāo)。PST與雜散光源本身的輻射強(qiáng)度無(wú)關(guān),它是光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)外離軸角為θ的光源經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后在像面上產(chǎn)生的輻照度Ed(θ)與光學(xué)系統(tǒng)入口處的輻射照度Ei(θ)的比值。PST越小,光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)外非成像雜散光抑制能力越強(qiáng)。
用仿真像面照度圖來(lái)評(píng)價(jià)視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光抑制效果。視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光包括視場(chǎng)內(nèi)大氣背景輻射和其他成像雜散光,計(jì)算多普勒差分干涉儀觀測(cè)范圍內(nèi)氣輝和大氣背景輻射強(qiáng)度,在分析軟件中建立模擬光源,仿真工作狀態(tài)下像面照度和無(wú)背景輻射無(wú)鬼像時(shí)的像面照度,通過(guò)像面能量中雜散光占比評(píng)價(jià)視場(chǎng)內(nèi)成像雜散光抑制效果。
本文消除視場(chǎng)外雜散光的手段為遮光罩和視場(chǎng)光闌,使用PST評(píng)價(jià)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)的抑制效果。由于孔徑光闌為方形,為得到較全面的PST數(shù)值,對(duì)三個(gè)方向的視場(chǎng)角進(jìn)行了PST仿真,參考坐標(biāo)如圖13所示,φ為XOY平面內(nèi)相對(duì)于光軸(Z軸)轉(zhuǎn)過(guò)的方位角。PST分析方向?yàn)樗椒较颍é?0),豎直方向(φ=90°)和孔徑光闌對(duì)角線方向(φ=11.31°)。
圖13 多普勒差分干涉儀參考坐標(biāo)系Fig.13 Reference frame of the Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer
每個(gè)視場(chǎng)像面照度仿真值與光學(xué)入口照度仿真值的比值即為該視場(chǎng)下的PST,在φ=0°和φ=11.31°兩個(gè)方向每隔0.1°取一個(gè)視場(chǎng),各取81個(gè)視場(chǎng),分布范圍為-4°~4°,在φ=90°方向上每隔0.05°取一個(gè)視場(chǎng),共取61個(gè)視場(chǎng),分布范圍為-1.5°~1.5°,根據(jù)仿真結(jié)果繪制PST曲線,如圖14所示。
圖14 多普勒差分干涉儀PST曲線Fig.14 PST curves of the Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer
由PST仿真結(jié)果可知,φ=0°和φ=11.31°兩個(gè)方向,視場(chǎng)外0.2°處,多普勒差分干涉儀PST下降到10-5以下;φ=90°方向,視場(chǎng)外0.04°處,多普勒差分干涉儀PST下降到10-5以下,視場(chǎng)內(nèi)PST均穩(wěn)定在0.3左右。結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的遮光罩和視場(chǎng)光闌配合表現(xiàn)出很好的視場(chǎng)外雜散光抑制能力,且沒(méi)有遮擋成像光線。
在輻射傳輸模型中計(jì)算得到的大氣背景輻射和氣輝強(qiáng)度均為孔徑光闌接收到的輻亮度值。輻亮度為離開(kāi)或到達(dá)某一表面,單位立體角和單位投影面積內(nèi)的輻通量,即
式中,dΦe為元立體角dΩ內(nèi)接收的輻通量,dA為接收面積,?為接收面積表面法線和輻射傳輸方向的夾角。
大氣背景輻射和氣輝強(qiáng)度在豎直方向上變化較大,在水平方向近似不變。為方便仿真,將氣輝光源在豎直方向上按視場(chǎng)角-0.36°~-0.3°、-0.3°~-0.2°、-0.2°~-0.1°、-0.1°~0°、0°~0.1°、0.1°~0.2°、0.2°~0.3°、0.3°~0.36°,分為8個(gè)區(qū)域,如圖15所示。將大氣背景輻射在豎直視場(chǎng)-2.4°~0.6°等分為30個(gè)區(qū)域。各部分分別求取對(duì)孔徑光闌的立體角,孔徑光闌上O點(diǎn)對(duì)視場(chǎng)CD的立體角計(jì)算如圖16所示。
圖16 CD段對(duì)O點(diǎn)立體角計(jì)算示意圖Fig.16 Solid angle of CD for O
MNCD為O點(diǎn)在視場(chǎng)ωy內(nèi)的一半觀測(cè)區(qū)域,將MNCD沿對(duì)角線分為A、B兩部分,A部分對(duì)O點(diǎn)立體角表示為
式中,ωx為O點(diǎn)對(duì)CD區(qū)域的水平視場(chǎng)角,L1為CM長(zhǎng)度,η為CD面在方位坐標(biāo)系中的范圍,ρ為CD面在仰角坐標(biāo)系內(nèi)的范圍,ΩA為A部分對(duì)應(yīng)O點(diǎn)的立體角。
B部分對(duì)O點(diǎn)立體角為
式中,ωy為O點(diǎn)對(duì)CD區(qū)域的水平視場(chǎng)角和豎直視場(chǎng)角,ΩB為B部分對(duì)應(yīng)O點(diǎn)的立體角。
O點(diǎn)對(duì)視場(chǎng)CD的立體角為
星載多普勒差分干涉儀在豎直方向上視場(chǎng)角為0.72°,CD段視場(chǎng)角為0.1°,孔徑光闌上各點(diǎn)對(duì)應(yīng)CD區(qū)域的立體角近似相同,帶入式(6)即可計(jì)算CD區(qū)域光源強(qiáng)度。
計(jì)算各區(qū)域大氣背景輻射和氣輝的光源強(qiáng)度后,像面照度仿真結(jié)果如圖17所示。
圖17 仿真像面照度Fig.17 Simulated irradiance map of sensor
由仿真結(jié)果可知,像面總能量為1.407×10-8W,氣輝成像光通量為1.388×10-8W,大氣背景輻射和鬼像僅占像面總能量的1.35%,雜散光抑制效果很好。
PST分析和像面照度仿真結(jié)果表明,本文建立了正確的雜散光分析模型,在此基礎(chǔ)上提出了有效的雜散光抑制措施,滿足星載多普勒差分干涉儀對(duì)雜散光抑制的技術(shù)要求。
本文以典型衛(wèi)星軌道的用于中層大氣風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的近紅外多普勒差分干涉儀系統(tǒng)為研究目標(biāo),分析了其雜散光來(lái)源及特性。針對(duì)視場(chǎng)外非成像雜散光,設(shè)計(jì)了遮光罩和擋光環(huán)加以抑制。針對(duì)成像雜散光,分析了光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生雜散光的關(guān)鍵面,修改探測(cè)器外殼結(jié)構(gòu);仿真結(jié)果表明,閃耀光柵非工作級(jí)次能量無(wú)法直接到達(dá)探測(cè)器。PST曲線表明,在水平方向和對(duì)角線方向的視場(chǎng)外0.2°處,以及豎直方向的視場(chǎng)外0.04°處,多普勒差分干涉儀PST下降到10-5以下。像面照度圖表明大氣背景輻射和鬼像能量占像面能量的1.35%。所提雜散光抑制措施有效,能夠滿足星載多普勒差分干涉儀對(duì)雜散光抑制的技術(shù)要求,可為此類儀器的雜散光設(shè)計(jì)提供思路。