第42卷第12期 红外与激光工程 2013年12月 Vol.42 No.12 Infrared and Laser Engineering Dec.2013 多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析 刘鑫，黄一帆，李林，靳晓瑞 (北京理工大学光电学院，北京100081) 摘要：杂散辐射是影响多请段红外相机成像性能的主要因素。为了确保系统在各种工作状况下正 常运行，需要分析并抑制相机光学系统中的杂散辐射。在详细分析了其红外光学系统中杂散辐射主 要来源的基础上，针对系统特殊的光机结构，在杂光分析软件中建立光机系统模型；围绕遮光罩选取 了8个太阳方位、16个离轴角进行光线追迹，得到太阳杂光在像面上产生的辐照度，据此来评价系统 杂散辐射水平；同时分析了指向镜滚动轴和俯仰轴在两个方位内的转动以及地球大气杂散辐射对像 面辐照度的影响。最后，对于影响严重的杂散辐射，进行了有效的抑制措施。结果表明，可以忽略地球 大气的杂散辐射，当太阳杂光入射角大于58°时，系统能满足对像面辐照度的技术要求，多谱段相机 红外光学系统可在此范围内正常工作。 关键词：杂散辐射；多谱段相机；红外光学系统；辐照度 中图分类号：0439文献标志码：A文章编号：1007-2276(2013)12-3201-06 Stray radiation analysis of infrared optical system in multispectral camera Liu Xin,Huang Yifan,Li Lin,Jin Xiaorui (School of Optoelectronics,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081.China) Abstract:The performance of the multispectral infrared camera is seriously influenced by the stray radiation.In order to ensure that the camera can work properly in all situations,the stray radiation in different working conditions needs to be analyzed.The main sources of the stray radiation in the infrared optical system of a camera were analyzed.The model of the multispectral infrared camera was established in the stray light analysis software.The irradiance of the imaging plane was used to evaluate the stray radiation level.Taking the influence of the solar azimuth and the off-axis angle into consideration,around the hood,8 solar azimuths and 16 different off-axis angles were selected to carry out the ray tracing. Thus the irradiance of the imaging plane for every certain condition was obtained.And the effect to the irradiance of the imaging plane caused by the rotation of the pointing mirror which was composed of roller shaft and pitching axis was analyzed.Meanwhile the influence of the earth atmosphere stray radiation was also discussed.The results show that the earth atmosphere stray radiation is tolerable.And the system can basically satisfy the requirement to the imaging plane irradiance when the off-axis angle is greater than 58.The infrared optical system of the multispectral camera can work well within this range. Key words:stray radiation;multispectral camera;infrared optical system;irradiance 收稿日期：2013-04-18；修订日期：2013-05-19 基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013CB733100) 作者简介：刘鑫(1989-)，女，硕士，主要从事复杂光学系统设计和杂散光分析问题的研究。Emai:liuxin07642@126.com
收稿日期：2013-04-18； 修订日期：2013-05-19 基金项目：国家重点基础研究发展计划(2013CB733100) 作者简介：刘鑫(1989-)，女 ，硕士 ，主要从事复杂光学系统设计和杂散光分析问题的研究 。 Email:liuxin07642@126.com 多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析 刘 鑫，黄一帆，李 林，靳晓瑞 (北京理工大学 光电学院，北京 100081) 摘 要： 杂散辐射是影响多谱段红外相机成像性能的主要因素。 为了确保系统在各种工作状况下正 常运行， 需要分析并抑制相机光学系统中的杂散辐射。 在详细分析了其红外光学系统中杂散辐射主 要来源的基础上，针对系统特殊的光机结构，在杂光分析软件中建立光机系统模型；围绕遮光罩选取 了 8 个太阳方位、16 个离轴角进行光线追迹，得到太阳杂光在像面上产生的辐照度，据此来评价系统 杂散辐射水平； 同时分析了指向镜滚动轴和俯仰轴在两个方位内的转动以及地球大气杂散辐射对像 面辐照度的影响。 最后，对于影响严重的杂散辐射，进行了有效的抑制措施。 结果表明，可以忽略地球 大气的杂散辐射，当太阳杂光入射角大于 58°时，系统能满足对像面辐照度的技术要求，多谱段相机 红外光学系统可在此范围内正常工作。 关键词： 杂散辐射； 多谱段相机； 红外光学系统； 辐照度 中图分类号： O439 文献标志码： A 文章编号： 1007-2276(2013)12-3201-06 Stray radiation analysis of infrared optical system in multispectral camera Liu Xin, Huang Yifan, Li Lin, Jin Xiaorui (School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China) Abstract: The performance of the multispectral infrared camera is seriously influenced by the stray radiation. In order to ensure that the camera can work properly in all situations, the stray radiation in different working conditions needs to be analyzed. The main sources of the stray radiation in the infrared optical system of a camera were analyzed. The model of the multispectral infrared camera was established in the stray light analysis software. The irradiance of the imaging plane was used to evaluate the stray radiation level. Taking the influence of the solar azimuth and the off鄄axis angle into consideration, around the hood, 8 solar azimuths and 16 different off鄄axis angles were selected to carry out the ray tracing. Thus the irradiance of the imaging plane for every certain condition was obtained. And the effect to the irradiance of the imaging plane caused by the rotation of the pointing mirror which was composed of roller shaft and pitching axis was analyzed. Meanwhile the influence of the earth atmosphere stray radiation was also discussed. The results show that the earth atmosphere stray radiation is tolerable. And the system can basically satisfy the requirement to the imaging plane irradiance when the off鄄axis angle is greater than 58°. The infrared optical system of the multispectral camera can work well within this range. Key words: stray radiation; multispectral camera; infrared optical system; irradiance 第 42 卷第 12 期 红外与激光工程 2013 年 12 月 Vol.42 No.12 Infrared and Laser Engineering Dec.2013
3202 红外与激光工程 第42卷 有很多，彼此之间的差异很大，适用的范围也不同。其 0引言 中，杂散光系数和点源透过率(PST)以及辐照度分析 多谱段红外相机是应用于卫星系统之上，用于 图是衡量光学系统杂散光水平常用的评价方法。杂散 远距离点目标探测的空间光学遥感仪器，高灵敏度 光系数是杂散光实验测量结果最常用的表示方式，点 是成功获取信息的关键。杂散辐射，也称为杂散光， 源透过率和辐照度分析图是杂散光分析软件常用的 是影响红外相机成像质量的重要因素。严重的杂散 输出结果形式。由于工程实践中通常使用光线追迹软 辐射可能会导致系统无法正常工作-。因此，为了 件来仿真分析空间遥感器的杂散辐射，所以下面详细 抑制系统的杂散辐射，提高系统的信噪比，需要在光 介绍点源透过率和照度分析图这两种评价方法。 学系统基本定型后详细分析系统中的杂散辐射来 2.1点源透过率 源，评价系统的杂散辐射水平。同时，对于严重影响 点源透过率(PST)定义为：离轴角为0的点光源 成像的杂光路径提出有效的抑制措施，从而将杂散 经过光学系统在探测器上形成的辐照度E()与光 辐射的影响控制在可接受的范围内，确保多谱段相 源在光学系统入瞳处的等效辐照度E,()之比，数学 机在各种工况下正常工作。 表达式为： 1杂散辐射来源分析 PST(8)=E(0 E(θ) 点源透过率是一个可测的能够表征光学系统消 杂散辐射，又称为杂散光，是指到达光学系统探 杂散光水平的指标，它与点光源的辐射强度无关，与 测器像面的非成像光线的辐射能，以及通过非正常 探测器和系统人瞳的尺寸也是无关的，而且结果是 光路到达探测器的成像光线辐射能B-。对于可见光 个无量纲的数值。通过测得离轴点源在系统入瞳和 通道一般称为杂散光，红外通道则称为杂散辐射。 探测器上的辐照度，便可计算得到点源透过率的值向。 多谱段相机光学系统的杂散辐射源如表1所 2.2辐照度分析图 示。其中，太阳和地球大气的杂散辐射对系统影响较 辐照度分析图是对选定的某一个具体表面来定 大，所以下面详细分析了它们在各种工作状态下对 义的，显示了入射到单位接收表面的辐射功率。如果 系统成像的影响。 选择最终的成像面进行分析，则可以得到成像面上 表1多谱段红外相机系统杂散辐射源 的辐射功率，通过分析辐照度的均匀性可以得出系 Tab.1 Stray radiation sources of multispectral 统杂散光水平的数量级。需要注意的是，在杂散光分 infrared camera system 析软件中，如果模拟的杂散光数量不够，将引起成像 Stray radiation Radiation characteristics 面上的照度不均匀。因此，为了得到更准确的模拟结 sources 果，需要追迹足够多数量的光线。多谱段相机红外 Out-field stray radiation source. The irradiance at entrance pupil:2.7-2.95 um 光学系统的杂散辐射分析根据像面接收到的最大辐 Solar band is 8.05 W/m2 and 4.2-4.45 um band is 1.73W/m2. 照度来评价系统的杂散辐射水平。 One of the camera measurement targets. In-field earth atmosphere radiation is the valid 3系统建模 Terrestrial signal,while the out-field earth atmosphere radiation which reaches the imaging plane is 文中分析的工作情况针对的是某型号多谱段红 considered as stray radiation. 外相机星下点测量模式。卫星轨道高度750.543km, Other radiations The scattering and radiation of the structure within the system. 工作谱段2.7~2.95um、4.2~4.45μm。此时不考虑卫 星平台的偏转，遮阳罩端面法线正对地心，卫星与地 球、太阳光的位置关系如图1所示。相机轨道按照平 2杂散辐射的评价方法 均高度750km计算，那么图中太阳光直射入遮阳罩 用来衡量空间光学系统杂散光水平的评价方法时的极限角度α为63.5°。此角度作为太阳光入射相
红外与激光工程 第 42 卷 0 引 言 多谱段红外相机是应用于卫星系统之上 ， 用于 远距离点目标探测的空间光学遥感仪器 ， 高灵敏度 是成功获取信息的关键 。 杂散辐射 ，也称为杂散光 ， 是影响红外相机成像质量的重要因素 。 严重的杂散 辐射可能会导致系统无法正常工作[1-2] 。 因此 ，为了 抑制系统的杂散辐射 ，提高系统的信噪比 ，需要在光 学系统基本定型后详细分析系统中的杂散辐射来 源，评价系统的杂散辐射水平 。 同时 ，对于严重影响 成像的杂光路径提出有效的抑制措施 ， 从而将杂散 辐射的影响控制在可接受的范围内 ， 确保多谱段相 机在各种工况下正常工作。 1 杂散辐射来源分析 杂散辐射，又称为杂散光 ，是指到达光学系统探 测器像面的非成像光线的辐射能 ， 以及通过非正常 光路到达探测器的成像光线辐射能[3-5] 。 对于可见光 通道一般称为杂散光，红外通道则称为杂散辐射。 多谱段相机光学系统的杂散辐射源如表 1 所 示 。 其中，太阳和地球大气的杂散辐射对系统影响较 大 ， 所以下面详细分析了它们在各种工作状态下对 系统成像的影响。 表 1 多谱段红外相机系统杂散辐射源 Tab.1 Stray radiation sources of multispectral infrared camera system 2 杂散辐射的评价方法 用来衡量空间光学系统杂散光水平的评价方法 有很多，彼此之间的差异很大，适用的范围也不同。 其 中 ，杂散光系数和点源透过率(PST)以及辐照度分析 图是衡量光学系统杂散光水平常用的评价方法。 杂散 光系数是杂散光实验测量结果最常用的表示方式，点 源透过率和辐照度分析图是杂散光分析软件常用的 输出结果形式。 由于工程实践中通常使用光线追迹软 件来仿真分析空间遥感器的杂散辐射，所以下面详细 介绍点源透过率和辐照度分析图这两种评价方法。 2.1 点源透过率 点源透过率(PST)定义为 ：离轴角为 兹 的点光源 经过光学系统在探测器上形成的辐照度 Ed(兹)与光 源在光学系统入瞳处的等效辐照度 Ei(兹)之比 ，数学 表达式为： PST(兹)= Ed(兹) Ei(兹) 点源透过率是一个可测的能够表征光学系统消 杂散光水平的指标 ，它与点光源的辐射强度无关 ，与 探测器和系统入瞳的尺寸也是无关的 ， 而且结果是 个无量纲的数值 。 通过测得离轴点源在系统入瞳和 探测器上的辐照度，便可计算得到点源透过率的值[6] 。 2.2 辐照度分析图 辐照度分析图是对选定的某一个具体表面来定 义的，显示了入射到单位接收表面的辐射功率。 如果 选择最终的成像面进行分析 ， 则可以得到成像面上 的辐射功率 ， 通过分析辐照度的均匀性可以得出系 统杂散光水平的数量级。 需要注意的是，在杂散光分 析软件中，如果模拟的杂散光数量不够 ，将引起成像 面上的照度不均匀。 因此，为了得到更准确的模拟结 果，需要追迹足够多数量的光线[7] 。 多谱段相机红外 光学系统的杂散辐射分析根据像面接收到的最大辐 照度来评价系统的杂散辐射水平。 3 系统建模 文中分析的工作情况针对的是某型号多谱段红 外相机星下点测量模式。 卫星轨道高度 750.543 km， 工作谱段 2.7~2.95 滋m、4.2~4.45 滋m。 此时不考虑卫 星平台的偏转 ，遮阳罩端面法线正对地心 ，卫星与地 球、太阳光的位置关系如图 1 所示。 相机轨道按照平 均高度 750 km 计算 ，那么图中太阳光直射入遮阳罩 时的极限角度 α 为 63.5°。 此角度作为太阳光入射相 Stray radiation sources Radiation characteristics Solar Out鄄field stray radiation source. The irradiance at entrance pupil: 2.7 -2.95 滋m band is 8.05 W/m2 and 4.2 -4.45 滋m band is 1.73 W/m2 . Terrestrial One of the camera measurement targets. In鄄field earth atmosphere radiation is the valid signal, while the out鄄field earth atmosphere radiation which reaches the imaging plane is considered as stray radiation. Other radiations The scattering and radiation of the structure within the system. 3202
第12期 刘鑫等：多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析 3203 机入瞳光线的最小入射角。技术要求中，为了使系统 能在不同的工作状态下正常工作，像面的杂散辐射 照度需要小于一定的阈值，即不超过5×10-5W/m2。 Sunlight Earth Satellite Normal of 图4光学系统结构示意图 Fig.4 Optical system model 3.2建立物理参数模型 相机材料及光学器件材料的表面吸收率和发射 图1卫星，地球与太阳光夹角关系 率在相机的两个工作谱段内相差很小。选取两个谱 Fig.I Position of satellite,earth and sunlight 段的平均吸收率和发射率，在杂散光分析软件 (TracePro)中建立多谱段相机系统物理参数模型如 3.1建立光机系统模型 表2所示。 利用杂光分析软件(TracePro)建立某型号多谱 表2多谱段相机系统物理参数模型 段相机光机系统模型如下图所示。图2为光机系统 整机外形结构：图3为指向镜结构。指向镜位于相机 Tab.2 Physical parameters of camera system 遮阳罩内端口处，由滚动轴和俯仰轴传动，可在两个 Reflectance Components Absorptivity /Transmittance 平面内转动。外部辐射经遮阳罩入射至指向镜表面， 再经指向镜反射，以不同角度进入相机内部光学系 Pointing mirror 3% 97% 统。这一结构决定了相机系统的非对称性。图4为相 Color separation filter 5% 90% 机光学系统结构。 Lens surface 2% 98% Optical filter 1.5% 97% Baffle and inside of lens cone 95% 5% 2-D pointing device 85% 15% Other structures 85% 15% Pointing mirror 4杂散辐射分析 图2光机系统模型 4.1追迹光线数的选择依据 Fig.2 Opto-mechanical system model 为了保证运算结果的有效性，光线追迹时要有足 够的光线数量。在同一系统工作状态下，分别设追迹 光线数为800万，1000万、1500万、2000万、3000万， 进行光线追迹。根据像平面上接收到的辐照度值的 稳定性，确定杂散辐射分析时所需的追迹光线数。 表3为追迹光线数与像面辐射能量关系。 由表3可以看到，当光线数为1500万以上时， 像面上接收到的辐照度已经趋于稳定，考虑到光线 图3指向镜 数的增加会大大增加光线追迹所需的时间，综合考 Fig.3 Pointing mirror 虑选取光线数1500万为系统分析时的追迹光线数
第 12 期 机入瞳光线的最小入射角。 技术要求中，为了使系统 能在不同的工作状态下正常工作 ， 像面的杂散辐射 照度需要小于一定的阈值，即不超过 5×10-5 W/m2 。 图 1 卫星 、地球与太阳光夹角关系 Fig.1 Position of satellite, earth and sunlight 3.1 建立光机系统模型 利用杂光分析软件(TracePro)建立某型号多谱 段相机光机系统模型如下图所示 。 图 2 为光机系统 整机外形结构；图 3 为指向镜结构。 指向镜位于相机 遮阳罩内端口处 ，由滚动轴和俯仰轴传动 ，可在两个 平面内转动。 外部辐射经遮阳罩入射至指向镜表面， 再经指向镜反射 ， 以不同角度进入相机内部光学系 统。 这一结构决定了相机系统的非对称性。 图 4 为相 机光学系统结构。 图 2 光机系统模型 Fig.2 Opto鄄mechanical system model 图 3 指向镜 Fig.3 Pointing mirror 图 4 光学系统结构示意图 Fig.4 Optical system model 3.2 建立物理参数模型 相机材料及光学器件材料的表面吸收率和发射 率在相机的两个工作谱段内相差很小 。 选取两个谱 段的平均吸收率和发射率 ， 在杂散 光分析软件 (TracePro)中建立多谱段相机系统物理参数模型如 表 2 所示。 表 2 多谱段相机系统物理参数模型 Tab.2 Physical parameters of camera system 4 杂散辐射分析 4.1 追迹光线数的选择依据 为了保证运算结果的有效性，光线追迹时要有足 够的光线数量。 在同一系统工作状态下，分别设追迹 光线数为 800 万、1 000 万、1 500 万、2 000 万、3 000万 ， 进行光线追迹 。 根据像平面上接收到的辐照度值的 稳定性 ， 确定杂散辐射分析时所需的追迹光线数 。 表3 为追迹光线数与像面辐射能量关系。 由表 3 可以看到 ， 当光线数为 1 500 万以上时 ， 像面上接收到的辐照度已经趋于稳定 ， 考虑到光线 数的增加会大大增加光线追迹所需的时间 ， 综合考 虑选取光线数 1 500 万为系统分析时的追迹光线数。 Components Absorptivity Reflectance /Transmittance Pointing mirror 3% 97% Color separation filter 5% 90% Lens surface 2% 98% Optical filter 1.5% 97% Baffle and inside of lens cone 95% 5% 2-D pointing device 85% 15% Other structures 85% 15% 刘 鑫等:多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析 3203
3204 红外与激光工程 第42卷 表3追迹光线数与像面辐射能量关系 太阳在63.5°时在相机入瞳处的辐照度为8.05Wm2, Tab.3 Relationship between the number of rays 太阳在像面上的杂光辐照度不能超过5×10-5W/m。 and the irradiance on the imaging plane 为方便观察不同离轴角下的像面辐照度趋势，分析其 是否满足上述技术要求，光线追迹得到太阳光源在八 Number of rays Irradiance on imaging plane 个位置处，指向镜在零位时，像面最大辐照度随离轴角 8 million 6.34288e-012W/m2 变化曲线如图6所示。其中，辐照度的单位为W/m, 10 million 5.08471e-012W/m2 2.50E-03 -Position 1 (a) 15 million 3.83378e-012W/m -Position 2 2.00E-03 20 million 3.20484e-012W/m2 1.50E-03 30 million 3.64353e-012W/m2 4.2太阳引起的杂散辐射分析 5.00E-04 由于相机与太阳的距离较远，可以将太阳作为 点光源，而且从太阳辐射出的光线到达遥感器前，可 0.00E+0038424650545861.563.5 Off-axis angle/() 以看作是平行光，因此可以将太阳等效为遥感器入 2.00E-02 (6) 口前某一位置处的以0.5°发散角出射的表面光源， 而且光源的直径要足够大，保证光源光束在每一个 1.50E-02 角度都可以充满遥感器的入口，使得入瞳可以被均 -Position 3 1.00E-02 --Position 4 匀照射。因此，光源模型的参数设置如下： 光源类型为0.5°发散角出射的表面光源：光源尺 5.00E-03 寸为500x500mm:光源位置为遮光罩入口前300mm: 光线数量1500万条；光线精度为10-"。 0.00E+00 38 42 4650545861.563.5 Off-axis angle/() 考虑到相机系统的非对称性，在遮阳罩入口平面 上选择八个位置作为太阳光入射方位。如图5所示。 2.50E-03 (c) 2.00E-03 6 ⑧ 岂1.50E-03 一Position5 -Position 6 三1.00E-03 囹 Entrance of baffle 回 5.00E-04 0.00E+0 38424650545861.563.3 Off-axis angle/() 4 可 ② 4.50E-04 -Position 7 (d) 图5光源与遮阳罩相对位置 -Position 8 3.50E-04 Fig.5 Relative positions of light source and lens hood 4.2.1像面最大辐照度与太阳光入射角的关系 2.50E-04 由于2.7-2.95μm谱段比4.2-4.45um谱段光在 1.50E-04 像面上产生的辐照度大，当2.7-2.95m谱段光在像面 产生的杂散辐射满足杂光抑制要求时，4.2~4.45μm 5.00E-05 谱段光也必能满足。所以为了得到像面杂散辐照度 38424650545861.563.3 Off-axis angle/() 与太阳光入射角的关系，仅需分析2.7~2.95um谱 图6像面最大辐照度随入射角变化曲线 段光杂散辐射对像面辐照度产生的影响。 Fig.6 Relationship between off-axis angle and irradiance of 在技术要求中，太阳与光轴的夹角大于等于63.5°， imaging plane
红外与激光工程 第 42 卷 表 3 追迹光线数与像面辐射能量关系 Tab.3 Relationship between the number of rays and the irradiance on the imaging plane 4.2 太阳引起的杂散辐射分析 由于相机与太阳的距离较远 ， 可以将太阳作为 点光源，而且从太阳辐射出的光线到达遥感器前 ，可 以看作是平行光 ， 因此可以将太阳等效为遥感器入 口前某一位置处的以 0.5°发散角出射的表面光源 ， 而且光源的直径要足够大 ， 保证光源光束在每一个 角度都可以充满遥感器的入口 ， 使得入瞳可以被均 匀照射。 因此 ，光源模型的参数设置如下： 光源类型为 0.5°发散角出射的表面光源；光源尺 寸为 500×500mm；光源位置为遮光罩入口前 300mm； 光线数量 1 500 万条 ；光线精度为 10-10 。 考虑到相机系统的非对称性，在遮阳罩入口平面 上选择八个位置作为太阳光入射方位。 如图 5 所示。 图 5 光源与遮阳罩相对位置 Fig.5 Relative positions of light source and lens hood 4.2.1 像面最大辐照度与太阳光入射角的关系 由于 2.7~2.95 滋m 谱段比 4.2~4.45 滋m 谱段光在 像面上产生的辐照度大，当 2.7~2.95滋m 谱段光在像面 产生的杂散辐射满足杂光抑制要求时 ，4.2~4.45 滋m 谱段光也必能满足 。 所以为了得到像面杂散辐照度 与太阳光入射角的关系 ， 仅需分析 2.7~2.95 滋m 谱 段光杂散辐射对像面辐照度产生的影响。 在技术要求中，太阳与光轴的夹角大于等于 63.5°， 太阳在 63.5°时在相机入瞳处的辐照度为 8.05 W/m2 ， 太阳在像面上的杂光辐照度不能超过 5×10-5 W/m2 。 为方便观察不同离轴角下的像面辐照度趋势，分析其 是否满足上述技术要求，光线追迹得到太阳光源在八 个位置处，指向镜在零位时，像面最大辐照度随离轴角 变化曲线如图 6 所示。 其中，辐照度的单位为 W/m2 ， 图 6 像面最大辐照度随入射角变化曲线 Fig.6 Relationship between off鄄axis angle and irradiance of imaging plane Number of rays Irradiance on imaging plane 8 million 6.342 88 e-012 W/m2 10 million 5.084 71 e-012 W/m2 15 million 3.833 78 e-012 W/m2 20 million 3.204 84 e-012 W/m2 30 million 3.643 53 e-012 W/m2 3204
第12期 刘盒等：多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析 3205 离轴角的单位为()。 选取太阳光直射人遮阳罩时的极限角度63.5 太阳光直射人遮阳罩的最小角度为63.5°。由图6 和其附近的64.5°进行分析，调整指向镜滚动轴与俯仰 可知，在离轴角大于58°之后，像面上的最大辐照度值 轴，分别每隔10°进行光线追迹，得到了像面辐照度数 非常小，可以满足抑制63.5°以外的太阳杂散辐射的技 据。下面列出了像面最大杂散辐照度超出5×10-5W/m 术要求，即不大于5x10Wm。但是，在7位置时辐照 时的指向镜角度和太阳方位，如表5所示。 度出现了反常情况，下面分析辐照度异常的原因。 表5像面最大辐照度超出5×10-5W/m2的指向镜 其中太阳杂光源在7位置时的4个主要光路能 角度和太阳方位 量比例如表4所示。 Tab.5 Solar azimuths and pointing mirror angles 表4光路能量比例 when irradiance is larger than 5x10-5 W/m2 Tab.4 Energy ratio of 4 main light paths Off-axis Solar Roller shaft Pitching Biggest stray azimuth Path Radiant power/W Energy ratio angle axis irradiance/W.m-2 50° 30° 5.67E-05 No.1 7.67E-11 39.0286% 63.50 6 60° 35.3° 6.34E-05 No.2 4.60E-11 23.4171% 60° -35.39 6.41E-05 No.3 2.30E-11 11.711% 30° 35.3° 6.34E-05 No.4 1.53E-11 7.8073% 6 60° 35.3° 4.02E-04 64.5° 在TracePro中查看以上光路的传播路径可知， 6 60° 250 4.70E-04 像面辐照度在太阳光源位于7位置时的异常增幅是 6 60° 150 5.73E-05 由于外杂光入射到遮光罩支架，从而进入光学系统， 由图6可以看到，当指向镜处于零位时，太阳光 在镜片表面间多次反射导致。所以，可以考虑采取以 从63.5°和64.5°入射到达像面的最大辐照度均小于 下措施降低像面的杂散辐射： 5×10-5W/m,能满足像面的杂散辐射要求。但表5表 (1)将遮光罩支架表面进行发黑或粗糙化处理， 明，随着指向镜滚动轴和俯仰轴的转动，各别位置处 从而降低其对杂散光的反射和散射。 像面辐照度大于5×10-5W/m2。这些位置多集中在指 (2)将透镜的非有效区域发黑或粗糙化处理，可 向镜极限位置处，且相对于5×10-5W/m不超过1个 吸收或散射掉入射到非有效区域的杂散光，也能起 数量级。考虑到指向镜工作时间大多处于非极限位 到减少杂光影响的效果。 置，所以可以忽略指向镜转动对像面杂散辐照度产 (3)改变非光学表面的面形，尽量减小面向像面 生的影响，认为当离轴角大于58°时，系统均能满足 方向的非光学表面在像面方向上的投影面积，从而 像面杂散辐照度要求。 控制这类表面向像面的散射。 4.3地球大气背景杂散光分析 采用上述方法对相机进行处理后，仿真得到7位 多谱段测量相机测量目标之一为地球大气背 置处的最大杂散辐照度值已由4.3×104W/m2下降 景，视场内的地球大气辐射是有效信号，视场外的地 至1.6×10-5W/m。可见，改进后的相机系统的杂散辐 球大气辐射如果达到像面被视为杂散辐射。下面对 射明显降低，并可使其控制在5×10-5W/m2以下。 系统地球大气背景的杂散光进行分析。 4.2.2像面最大辐照度与指向镜转角的关系 软件中光源模型的参数设置如下：光源类型为 指向镜由滚动轴和俯仰轴传动，可在两个平面 黑体、朗伯体；光源温度为300K:光源波长为2.7~ 内转动，如图3所示。指向镜镜面法线在YZ平面内， 2.95um、4.2~4.45μm;光源尺寸为500mm×500mm; 零位时镜面法线与+Y轴成45°夹角。相机工作时指 光源位置为遮光罩入口前100mm;光线数量为5000 向镜面法线与光轴夹角为30°~60°可变，两轴转角满 万条；光线精度为10-"。 足：(1)滚动轴在零位(45)，俯仰范围为±30°。(2)滚 光线追迹得到探测器像平面上辐照度图如图7 动轴在极限位置(30°和60)，俯仰范围为±35.3°。 所示
第 12 期 离轴角的单位为(°)。 太阳光直射入遮阳罩的最小角度 α 为 63.5°。 由图6 可知，在离轴角大于 58°之后，像面上的最大辐照度值 非常小，可以满足抑制 63.5°以外的太阳杂散辐射的技 术要求，即不大于 5×10-5 W/m2 。 但是，在 7 位置时辐照 度出现了反常情况，下面分析辐照度异常的原因。 其中太阳杂光源在 7 位置时的 4 个主要光路能 量比例如表4 所示。 表 4 光路能量比例 Tab.4 Energy ratio of 4 main light paths 在 TracePro 中查看以上光路的传播路径可知 ， 像面辐照度在太阳光源位于 7 位置时的异常增幅是 由于外杂光入射到遮光罩支架 ，从而进入光学系统 ， 在镜片表面间多次反射导致。 所以，可以考虑采取以 下措施降低像面的杂散辐射： (1) 将遮光罩支架表面进行发黑或粗糙化处理 ， 从而降低其对杂散光的反射和散射。 (2) 将透镜的非有效区域发黑或粗糙化处理 ，可 吸收或散射掉入射到非有效区域的杂散光 ， 也能起 到减少杂光影响的效果。 (3) 改变非光学表面的面形，尽量减小面向像面 方向的非光学表面在像面方向上的投影面积 ， 从而 控制这类表面向像面的散射。 采用上述方法对相机进行处理后， 仿真得到 7位 置处的最大杂散辐照度值已由 4.3×10 -4 W/m2 下降 至 1.6×10-5 W/m2 。可见 ，改进后的相机系统的杂散辐 射明显降低，并可使其控制在 5×10-5 W/m2 以下。 4.2.2 像面最大辐照度与指向镜转角的关系 指向镜由滚动轴和俯仰轴传动 ， 可在两个平面 内转动，如图 3 所示。 指向镜镜面法线在 YZ 平面内 ， 零位时镜面法线与+Y 轴成 45°夹角 。 相机工作时指 向镜面法线与光轴夹角为 30°~60°可变 ，两轴转角满 足 ：(1) 滚动轴在零位(45°)，俯仰范围为±30°。 (2) 滚 动轴在极限位置(30°和 60°)，俯仰范围为±35.3°。 选取太阳光直射入遮阳罩时的极限角度 63.5° 和其附近的 64.5°进行分析，调整指向镜滚动轴与俯仰 轴，分别每隔 10°进行光线追迹，得到了像面辐照度数 据。 下面列出了像面最大杂散辐照度超出5×10-5 W/m2 时的指向镜角度和太阳方位，如表 5 所示。 表 5 像面最大辐照度超出 5×10-5 W/m2 的指向镜 角度和太阳方位 Tab.5 Solar azimuths and pointing mirror angles when irradiance is larger than 5×10-5 W/m2 由图 6 可以看到 ，当指向镜处于零位时 ，太阳光 从 63.5°和 64.5°入射到达像面的最大辐照度均小于 5×10-5 W/m2 ，能满足像面的杂散辐射要求。 但表 5 表 明，随着指向镜滚动轴和俯仰轴的转动 ，各别位置处 像面辐照度大于 5×10-5 W/m2 。 这些位置多集中在指 向镜极限位置处 ，且相对于 5×10-5 W/m2 不超过 1 个 数量级 。 考虑到指向镜工作时间大多处于非极限位 置 ， 所以可以忽略指向镜转动对像面杂散辐照度产 生的影响 ，认为当离轴角大于 58°时 ，系统均能满足 像面杂散辐照度要求。 4.3 地球大气背景杂散光分析 多谱段测量相机测量目标之一为地球大气背 景，视场内的地球大气辐射是有效信号 ，视场外的地 球大气辐射如果达到像面被视为杂散辐射 。 下面对 系统地球大气背景的杂散光进行分析。 软件中光源模型的参数设置如下 ： 光源类型为 黑体 、 朗伯体 ； 光源温度为 300 K； 光源波长为 2.7~ 2.95 滋m、4.2~4.45 滋m；光源尺寸为 500 mm×500 mm； 光源位置为遮光罩入口前 100 mm；光线数量为 5 000 万条；光线精度为 10-10 。 光线追迹得到探测器像平面上辐照度图如图 7 所示。 Off鄄axis angle Solar azimuth 63.5° 4 6 8 64.5° 4 6 6 6 Roller shaft 50° 60° 60° 30° 60° 60° 60° Pitching axis 30° 35.3° -35.3° 35.3° 35.3° 25° 15° Biggest stray irradiance/W·m-2 5.67E-05 6.34E-05 6.41E-05 6.34E-05 4.02E-04 4.70E-04 5.73E-05 Path Radiant power/W Energy ratio No.1 7.67E-11 39.028 6% No.2 4.60E-11 23.417 1% No.3 2.30E-11 11.711% No.4 1.53E-11 7.807 3% 刘 鑫等:多谱段相机红外光学系统杂散辐射分析 3205
3206 红外与激光工程 第42卷 0.010 行光线追迹，得到了太阳、地球大气辐射以及指向镜 -109 0.00 -108 的转动对像面辐照度的影响；另外，对于杂散辐射的 0.0001 -107 1c-00 异常增幅提出了有效的改善措施。结果表明，除相机 -106 1c-00 -105 工作的极限位置外，在入射角大于58°之后，像面上 1e-00 -104 Ie-008 -103 的太阳杂散辐照度非常小，而地球大气的杂散辐射 1e-009 -102 也可以忽略。即多谱段红外相机可以通过避免工作 1c-010 -101 1c-011 在极限位置和采取文中提出的杂散辐射抑制措施， 322 324 326 Y/mm 来满足抑制63.5°以外杂散辐射的技术要求。从而使 图7探测器像平面上辐照度图 其光学系统能适应各种工作状况，在一定范围内正 Fig.7 Irradiance map on detector 常工作。 其中，正常光路和非正常光路所占能量比例如 参考文献： 表6如所示。 Ghaffarian B.Solar intrusion thermal analysis[C]//SPIE.1996. 表6正常光路和非正常光路能量比例 2812:251-259. Tab.6 Energy proportion of normal light path and [21 Shi Rongbao,Zhou Jiankang.Ji Yigun.et al.Stray light abnormal light path analysis and baffle design of remote sensing camera for Path Radiant power/W Energy ratio/ microsatellite[C]//SPIE,7506,2009:75060T-1-7. No.I 7.98E-09 99.4685 [3) Reininger F.Stray light performance optimization through (Normal light path) system design[C]//SPIE,2260,1994:17-28. No.2 1.28E-11 0.15915 [4] Stauder J L.Stray light design and analysis of the Wide- No.3 7.55E-12 0.094141 Field Infrared Explorer(WIRE)[C]//SPIE,3122,1997:35-44. No.4 6.82E-12 0.085057 [5] Schwartz R.Bloomberg S,Mom M.el al.Stray radiation in 由表6可知，通过正常光路到达像面的辐射能 airborne FLIR system[C]//SPIE,4820.2003:676-687. 量占地球大气辐射总能量的99.4685%。这表明，视 [6] Du Baolin.Research and protection of stray radiation in 场外的地球大气杂散辐射对像面照度几乎无影响。 space remote sensor [D].Beijing:Beijing Institute of Technology. 2010:36-37.(in Chinese) 5结论 杜保林.空间遥感器的杂散辐射研究与防护D】.北京：北 京理工大学，2010：36-37. 文中详细分析了多谱段相机红外光学系统的杂 [7]Du Shusong,Wang Yongmei,Du Guojun.el al.Stray light 散辐射来源，并针对太阳杂光和地球大气辐射进行 analysis of fabry-perot interference imaging spectrometer[J]. 了深入的研究。以像面辐照度为指标评价系统的杂 Journal of Applied Optics,2009,30(2):246-251.(in Chinese) 散辐射抑制水平。在杂光分析软件(TracePro)中建立 杜述松，王咏梅，杜国军，等。干涉成像光谱仪的杂散光分 了红外相机的光机系统模型，设定相应的杂光源进 析J】.应用光学，2009,30(2)：246-251.(in Chinese)
红外与激光工程 第 42 卷 图 7 探测器像平面上辐照度图 Fig.7 Irradiance map on detector 其中 ， 正常光路和非正常光路所占能量比例如 表 6 如所示。 表 6 正常光路和非正常光路能量比例 Tab.6 Energy proportion of normal light path and abnormal light path 由表 6 可知 ， 通过正常光路到达像面的辐射能 量占地球大气辐射总能量的 99.468 5%。 这表明 ，视 场外的地球大气杂散辐射对像面辐照度几乎无影响。 5 结 论 文中详细分析了多谱段相机红外光学系统的杂 散辐射来源 ， 并针对太阳杂光和地球大气辐射进行 了深入的研究 。 以像面辐照度为指标评价系统的杂 散辐射抑制水平。 在杂光分析软件(TracePro)中建立 了红外相机的光机系统模型 ， 设定相应的杂光源进 行光线追迹，得到了太阳 、地球大气辐射以及指向镜 的转动对像面辐照度的影响 ；另外 ，对于杂散辐射的 异常增幅提出了有效的改善措施。 结果表明，除相机 工作的极限位置外 ，在入射角大于 58°之后 ，像面上 的太阳杂散辐照度非常小 ， 而地球大气的杂散辐射 也可以忽略 。 即多谱段红外相机可以通过避免工作 在极限位置和采取文中提出的杂散辐射抑制措施 ， 来满足抑制 63.5°以外杂散辐射的技术要求。 从而使 其光学系统能适应各种工作状况 ， 在一定范围内正 常工作。 参考文献： [1] Ghaffarian B. Solar intrusion thermal analysis[C]//SPIE, 1996, 2812: 251-259. [2] Shi Rongbao, Zhou Jiankang, Ji Yiqun, et al. Stray light analysis and baffle design of remote sensing camera for microsatellite[C]//SPIE, 7506, 2009: 75060T-1-7. [3] Reininger F. Stray light performance optimization through system design[C]//SPIE, 2260, 1994: 17-28. [4] Stauder J L. Stray light design and analysis of the Wide鄄 Field Infrared Explorer(WIRE)[C]//SPIE, 3122, 1997: 35-44. [5] Schwartz R, Bloomberg S, Mom M, el al. Stray radiation in airborne FLIR system[C]//SPIE, 4820, 2003: 676-687. [6] Du Baolin. Research and protection of stray radiation in space remote sensor [D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2010: 36-37. (in Chinese) 杜保林. 空间遥感器的杂散辐射研究与防护[D]. 北京: 北 京理工大学, 2010: 36-37. [7] Du Shusong, Wang Yongmei, Du Guojun, el al. Stray light analysis of fabry鄄perot interference imaging spectrometer[J] . Journal of Applied Optics, 2009, 30(2): 246-251. (in Chinese) 杜述松, 王咏梅, 杜国军, 等. 干涉成像光谱仪的杂散光分 析[J]. 应用光学, 2009, 30(2): 246-251. (in Chinese) Path Radiant power/W Energy ratio/% No.1 (Normal light path) 7.98E-09 99.468 5 No.2 1.28E-11 0.159 15 No.3 7.55E-12 0.094 141 No.4 6.82E-12 0.085 057 3206