李俊杰，孫劍，趙珩翔，暢晨光，傅頔，趙昊，白璐，馮玉濤

（1 中國科學院西安光學精密機械研究所，西安 710119）（2 中國科學院大學，北京 100049）（3 西安電子科技大學 物理與光電工程學院，西安 710071）

0 引言

中高層大氣風場探測是表征大氣環(huán)境及大氣動力學特征的重要手段，對于精準天氣預報、航空航天任務的順利進行都具有重要意義［1］。衛(wèi)星遙感探測大氣風場不受地理條件和天氣限制，可進行全球尺度全天候遙感觀測，更重要的是采用臨邊觀測模式能提供全球尺度水平風場和溫度隨高度分布的長周期觀測結(jié)果，這是研究大尺度、長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［4-5］，可極大提高系統(tǒng)性能，非常適合中高層大氣風場的探測活動。

風速是風場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目標，通過測量干涉圖的多普勒相位，反演得到風速信息。多普勒差分干涉儀要達到實用測風精度（≤10 m/s），需要測量相當于波長3.3×10-8級別的頻移［6］。而雜散光會降低原始干涉圖的對比度和有效信噪比，影響相位測量的準確性和精度。星載多普勒差分干涉儀雜散光可分為兩類：視場外大氣背景輻射和視場內(nèi)成像雜散光。大氣背景輻射由大氣成分對太陽光的散射形成，低層大氣背景輻射比觀測氣輝強度高出至少一個數(shù)量級，測風干涉儀采用臨邊觀測模式，低層大氣背景輻射靠近觀測視場，容易進入光學系統(tǒng)；視場內(nèi)成像雜散光由成像光線經(jīng)非正常光路到達探測器形成，多普勒差分干涉儀閃耀光柵非工作級次衍射光與工作級次光線夾角較小，易隨工作級次光線到達像面。

目前成功應用的測風干涉儀載荷系統(tǒng)都對雜散光做了相應的抑制設計。高分辨率多普勒成像儀（High-Resolution Doppler Imager，HRDI）和熱層能量探測衛(wèi)星多普勒干涉儀（Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere Energetics and Dynamics Doppler Interferometer，TIDI）依靠瞬時視場沿臨邊高度方向一維掃描實現(xiàn)整個高度方位的觀測覆蓋，垂直方向視場很?。s0.05°），一個簡易的遮光罩即可滿足低層雜散輻射抑制 要 求［7-11］。風 場 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觀測，探測范圍為80～300 km，地球邊緣僅在觀測視場外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象并設計遮光罩，根據(jù)白天和夜晚的不同觀測環(huán)境使用了可變光闌［12-13］。MIGHTI采用單視場觀測，探測高度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］。上述載荷探測范圍為高層大氣，面向中層大氣風場探測（60～90 km）將對低層雜光抑制提出更高的要求。

本文針對在典型軌道上進行中層大氣風場探測的近紅外多普勒差分干涉儀系統(tǒng)的雜散光特性進行研究，并提出抑制方法。對于視場外非成像雜散光，依據(jù)不同高度大氣背景輻射和氣輝強度變化，結(jié)合光學系統(tǒng)參數(shù)設計遮光罩；對于視場內(nèi)成像雜散光，仿真分析光學系統(tǒng)鬼像及非工作級次能量對成像的影響，設計相應的雜光抑制結(jié)構。為了評價雜散光抑制效果，對星載多普勒差分干涉儀進行點源透過率（Point Source Transmittance，PST）和像面照度的仿真分析。

1 星載中層大氣風場探測觀測幾何及載荷光學方案

星載多普勒差分干涉儀采用臨邊觀測模式，將探測器的視線以一定角度掠過地表的方式進行大氣探測，視線路徑距離地表最近時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)星平臺通過升高或降低切線高度來對60～90 km范圍內(nèi)大氣進行切片式探測，具有高空間覆蓋率和高垂直分辨率的優(yōu)點［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 臨邊觀測示意圖Fig.1 Schematic diagram of limb viewing

中層大氣風場探測多普勒差分干涉儀光學系統(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視場棱鏡，來增大光程差，以滿足測風的精度要求。氣輝發(fā)射線經(jīng)準直鏡準直后，在分束鏡處分為強度相等的兩束光線，分別經(jīng)由擴視場棱鏡P1、P2到達閃耀光柵G1、G2處，發(fā)生衍射效應后，再返回分束鏡，兩束光干涉形成干涉條紋，經(jīng)成像系統(tǒng)成像在探測器上［17］。

圖2 多普勒差分干涉儀光學系統(tǒng)Fig.2 Optical system of Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer

2 系統(tǒng)雜散光特性及抑制方法研究

本文儀器中的雜散光按照來源可以分為視場外非成像雜散光和視場內(nèi)成像雜散光。視場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計遮光罩來抑制。視場內(nèi)成像雜散光包括鬼像和閃耀光柵非工作級次的衍射能量，根據(jù)其雜光路徑分析來設計抑制結(jié)構。

2.1 視場外非成像光抑制

星載多普勒差分干涉儀對60～90 km中層大氣風場探測時，將受到視場外大氣背景輻射的影響，尤其是低層大氣的雜散輻射，這部分到達像面形成光噪聲的雜散光，即為視場外非成像雜散光［18］。

基于觀測模式選取典型大氣環(huán)境，使用Modtran分別在春分、夏至、秋分、冬至四個時段計算大氣背景輻射，結(jié)果如圖3所示。

圖3大氣背景輻射強度與氣輝強度Fig.3 Atmospheric background radiation intensity and airglow intensity

圖3 中切線高度為負值表示觀測方向與地球相交，可以看出，在高度100 km以內(nèi)，氣輝強度隨高度降低先增強后減弱，觀測范圍60～90 km內(nèi)氣輝平均輻亮度L=10.367 μW/（cm2·sr）；大氣背景輻射強度隨觀測高度降低持續(xù)增強，20 km以下大氣背景輻射強度將達到觀測范圍內(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，在光學系統(tǒng)入瞳外添加遮光罩。遮光罩取不同長度時到達入瞳的大氣背景輻射強度與目標氣輝強度如圖4所示，遮光罩越長，大氣背景輻射抑制效果越好，但遮光罩長度大于800 mm后，由于較高層大氣背景輻射較弱，抑制效果增強并不明顯。結(jié)合圖3，選擇20 km為抑制的云頂高度，觀測視場下邊界與衛(wèi)星運動方向夾角α1=20.61°，儀器觀測20 km云頂高度與衛(wèi)星運動方向夾角α2=21.54°，遮光罩雜散光抑制角θ=α2-α1+0.36°=1.28°，圖5（a）為一級遮光罩幾何結(jié)構。

圖4 到達入瞳的大氣背景輻射強度Fig.4 Atmospheric background radiation reaching the entrance pupil

圖5遮光罩設計原理Fig.5 Design principle of the baffle

圖5 中，a為光學系統(tǒng)孔徑光闌半徑，ω為光學系統(tǒng)視場角，θ為雜散光抑制角，L為遮光罩總長，它們之間關系為

為提高遮光罩的抑制效果，在遮光罩內(nèi)壁上設置擋光環(huán)結(jié)構以攔截經(jīng)遮光罩內(nèi)壁散射進入光瞳的一次散射雜光。設置擋光環(huán)能保證當大離軸角光線照射到遮光罩內(nèi)時，至少需要經(jīng)過兩次散射才能進入光學系統(tǒng)，如圖5（b）所示。在遮光罩內(nèi)添加9個擋光環(huán)，設計結(jié)果如圖6所示。

圖6 遮光罩設計結(jié)構Fig.6 Baffle geometry

在此基礎上為進一步抑制兩次及以上散射光，對遮光罩和擋光環(huán)內(nèi)壁進行染黑處理，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。

2.2 視場內(nèi)成像雜散光抑制

星載多普勒差分干涉儀中，由于光學元件表面的反射導致部分成像光線在光學系統(tǒng)內(nèi)部以非正常光路到達像面，形成光噪聲的雜散光，即為視場內(nèi)成像雜散光，星載多普勒差分干涉儀中的視場內(nèi)成像雜散光主要有兩種：1）系統(tǒng)內(nèi)關鍵面反射和散射的光線形成的鬼像；2）閃耀光柵非工作級次能量。

在遮光罩和擋光環(huán)設計的基礎上，建立多普勒差分干涉儀三維模型，進行適當簡化以減少表面數(shù)量，并對模型進行材料和表面參數(shù)設置，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，在不同視場下建立光源，使每個光源入射光都能覆蓋整個遮光罩入口。盡量增加單個光源光線數(shù)量并降低光線追跡門檻數(shù)值，使探測器能夠接收到足夠數(shù)量的光線以確保分析的準確性。經(jīng)過分析雜散光光路，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生成像雜散光的關鍵面為透鏡3表面和視場光闌的機械表面，光路圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)內(nèi)關鍵面產(chǎn)生雜散光光路Fig.8 Stray light caused by the key surfaces

成像光經(jīng)透鏡3和視場光闌散射直接到達探測器，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 探測器外殼Fig.9 Detector shell

由于閃耀光柵的工作特性，非工作級次能量也會以一定夾角隨工作級次能量返回光路，需要使用光闌遮擋，如圖10所示。初步確定光闌位置和寬度，為計算方便，不考慮擴視場棱鏡的折射。

圖10 光柵多級衍射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視場下，根據(jù)光柵方程可計算出級次衍射m的光線與工作級次光線的夾角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處設置光闌遮擋非工作級次能量，則光闌寬度應為［19］

在視場ω下，用ω+δ代替δ，在與光柵距離為L處設置的光闌寬度為

用400 lp/mm閃耀光柵研究多普勒差分干涉儀，工作級次為+1級，首先對0視場下光源進行仿真，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視場衍射光路Fig.11 Diffraction light of the Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer on axis field

圖12 0視場仿真像面照度Fig.12 Simulated irradiance map of sensor on axis field

結(jié)果表明，0視場下該干涉儀非工作級次能量不能直接到達像面，非工作級次能量經(jīng)反射或散射后達到像面的能量占像面總能量的0.08%，仿真其他視場也沒有出現(xiàn)非工作級次能量直接到達探測器的情況。經(jīng)分析，該閃耀光柵工作級次為+1級，工作級次較低，非工作級次光線與工作級次光線夾角γ較大，不能隨成像光直接到達像面，沒有對成像產(chǎn)生明顯影響。

3 雜散光抑制效果仿真分析

對視場外非成像雜散光，計算PST來評價抑制效果。PST表征光學系統(tǒng)對不同入射角度下雜散光線的抑制能力，是評價一個光學系統(tǒng)消視場外雜散光能力的主要指標。PST與雜散光源本身的輻射強度無關，它是光學系統(tǒng)視場外離軸角為θ的光源經(jīng)過光學系統(tǒng)后在像面上產(chǎn)生的輻照度Ed（θ）與光學系統(tǒng)入口處的輻射照度Ei（θ）的比值。PST越小，光學系統(tǒng)視場外非成像雜散光抑制能力越強。

用仿真像面照度圖來評價視場內(nèi)成像雜散光抑制效果。視場內(nèi)成像雜散光包括視場內(nèi)大氣背景輻射和其他成像雜散光，計算多普勒差分干涉儀觀測范圍內(nèi)氣輝和大氣背景輻射強度，在分析軟件中建立模擬光源，仿真工作狀態(tài)下像面照度和無背景輻射無鬼像時的像面照度，通過像面能量中雜散光占比評價視場內(nèi)成像雜散光抑制效果。

3.1 視場外非成像雜散光抑制效果

本文消除視場外雜散光的手段為遮光罩和視場光闌，使用PST評價這兩個結(jié)構的抑制效果。由于孔徑光闌為方形，為得到較全面的PST數(shù)值，對三個方向的視場角進行了PST仿真，參考坐標如圖13所示，φ為XOY平面內(nèi)相對于光軸（Z軸）轉(zhuǎn)過的方位角。PST分析方向為水平方向（φ=0），豎直方向（φ=90°）和孔徑光闌對角線方向（φ=11.31°）。

圖13 多普勒差分干涉儀參考坐標系Fig.13 Reference frame of the Doppler asymmetric spatial heterodyne interferometer

每個視場像面照度仿真值與光學入口照度仿真值的比值即為該視場下的PST，在φ=0°和φ=11.31°兩個方向每隔0.1°取一個視場，各取81個視場，分布范圍為-4°～4°，在φ=90°方向上每隔0.05°取一個視場，共取61個視場，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°兩個方向，視場外0.2°處，多普勒差分干涉儀PST下降到10-5以下；φ=90°方向，視場外0.04°處，多普勒差分干涉儀PST下降到10-5以下，視場內(nèi)PST均穩(wěn)定在0.3左右。結(jié)果表明，設計的遮光罩和視場光闌配合表現(xiàn)出很好的視場外雜散光抑制能力，且沒有遮擋成像光線。

3.2 全視場雜散光抑制效果

在輻射傳輸模型中計算得到的大氣背景輻射和氣輝強度均為孔徑光闌接收到的輻亮度值。輻亮度為離開或到達某一表面，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個區(qū)域，如圖15所示。將大氣背景輻射在豎直視場-2.4°～0.6°等分為30個區(qū)域。各部分分別求取對孔徑光闌的立體角，孔徑光闌上O點對視場CD的立體角計算如圖16所示。

圖16 CD段對O點立體角計算示意圖Fig.16 Solid angle of CD for O

MNCD為O點在視場ωy內(nèi)的一半觀測區(qū)域，將MNCD沿對角線分為A、B兩部分，A部分對O點立體角表示為

式中，ωx為O點對CD區(qū)域的水平視場角，L1為CM長度，η為CD面在方位坐標系中的范圍，ρ為CD面在仰角坐標系內(nèi)的范圍，ΩA為A部分對應O點的立體角。

B部分對O點立體角為

式中，ωy為O點對CD區(qū)域的水平視場角和豎直視場角，ΩB為B部分對應O點的立體角。

O點對視場CD的立體角為

星載多普勒差分干涉儀在豎直方向上視場角為0.72°，CD段視場角為0.1°，孔徑光闌上各點對應CD區(qū)域的立體角近似相同，帶入式（6）即可計算CD區(qū)域光源強度。

計算各區(qū)域大氣背景輻射和氣輝的光源強度后，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雜散光抑制的技術要求。

4 結(jié)論

本文以典型衛(wèi)星軌道的用于中層大氣風場探測的近紅外多普勒差分干涉儀系統(tǒng)為研究目標，分析了其雜散光來源及特性。針對視場外非成像雜散光，設計了遮光罩和擋光環(huán)加以抑制。針對成像雜散光，分析了光學系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生雜散光的關鍵面，修改探測器外殼結(jié)構；仿真結(jié)果表明，閃耀光柵非工作級次能量無法直接到達探測器。PST曲線表明，在水平方向和對角線方向的視場外0.2°處，以及豎直方向的視場外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雜散光抑制的技術要求，可為此類儀器的雜散光設計提供思路。