1 引言

高分五号卫星大气气溶胶多角度偏振成像仪(DPC)用于获取全球大气气溶胶和云性质参数。偏振成像仪通过广角镜头获取多角度、多波段偏振辐射成像信息。多角度、多光谱偏振信息可用于提高气溶胶参数确定能力^[1]。偏振成像仪对定标有特定需求^[2],需开展偏振测量地面验证和分析工作^[3-5]。

在卫星在轨运行期间,随时间和空间环境的变化,仪器辐射响应会发生变化,因此需要通过辐射定标进行校正^[6],辐射定标包括场地定标和星上传感器交叉定标^[7],还需以地面大气参数监测场网数据作为支撑^[8-10]。影响辐射响应度的因素较多,如光学器件特性变化、机械结构形变和探测器衰减等,这里主要讨论温度影响以及温度校正方法。

为保护仪器并减小温度对数据的影响^[11],同时保障仪器在大气常温条件和在轨热真空环境下均能稳定可靠工作,采用热控方式补偿温度影响^[12]。不同轨道温度环境不同,地球静止轨道上温度变化剧烈,中低轨太阳同步轨道在光照成像区的温度变化较为平缓^[13-14]。仪器在设定温度点实现动态平衡,可减小温度变化带来的测量误差^[15-16]。在轨辐射校正需明确外部环境温度适应范围和内部环境所需控温范围,制订有效的温度校正方法^[17]。

本文介绍了偏振成像仪的工作原理,分析了热控范围内温度对光学系统和电子学系统的影响,研究了在轨运行温度敏感性。针对热真空温度响应实验中测温点热敏电阻选择和在轨校正,制定完整的温度校正方法,并给出在轨工作温度变化情况,温度校正方法满足地面数据处理需求。

2 偏振成像仪温度影响分析

偏振成像仪由三个单元组成,光学探测单元(GP301)为前端光学探测部分,信息处理单元(GP302)实现载荷与卫星的数据互联,驱动控制单元(GP303)完成电机驱动控制和光学探测单元热控,三个单元的功能如图1所示,信息处理单元和驱动控制单元放置于卫星舱内,光学探测单元位于舱外且安装面与卫星平台热隔离,光学探测单元热控由驱动控制单元实现温度采集与控温。

图 1. 仪器系统组成示意图

Fig. 1. Diagram of instrument system composition

下载图片 查看所有图片

多角度成像方式如图2所示,通过大视场获取同一区域的多角度数据,运行时偏振成像仪进入观测模式,利用温控单元进行热控补偿,光辐射会聚于光电耦合探测器(CCD),探测器图像信号被转换为数字量(DN),由星地通道进入地面应用系统计算输出多角度观测的辐亮度数据,仪器的基本说明见表1。

图 2. 多角度成像示意图

Fig. 2. Schematic of multi-angle imaging

下载图片 查看所有图片

偏振成像仪位于708 km太阳同步轨道,包含5个非偏振波段和3个偏振波段,每个偏振光谱包含安装不同方向偏振片(0°, 60°, 120°)的3个探测通道,用于偏振解析,其对地观测幅宽为1850 km,一天基本可以覆盖全球进行偏振探测。

工作空间跨度带来的温度变化对光学系统产生的影响主要体现在几何视场变化。偏振成像仪^[18]为超广角镜头,镜头组由12块透镜组成,如图3所示,全视场为118.74°,设计阶段选择合适的材料并提出热控要求^[19]。组件第一块透镜暴露在外太空中,需要具有良好的抗空间辐照特性,以保护整个物镜。该透镜采用了熔石英材料,抗冲击、耐辐照、热膨胀系数小、化学热稳定性好。利用ZEMAX光学软件分析光学系统性能随温度的变化情况,以865 nm波段为例,镜头组件在真空状态下,弥散圆均方根半径在视场为46°时随温度的最大变化量为1.815 μm,如图4所示,焦距随温度的变化量为7 μm,整个物镜的焦深为0.18 mm,物镜的光学性能以微量变化。通过仿真计算预估在轨温度对光学系统的影响,并通过几何校正予以评测。

图 3. 光学系统示意图

Fig. 3. Diagram of optical system

下载图片 查看所有图片

图 4. 865 nm波段焦距随温度变化的曲线

Fig. 4. Focal length at 865 nm band versus temperature

下载图片 查看所有图片

光学探测单元(GP301)电子学系统中探测器组件多个指标均和温度相关,实验室热真空实验数据表明,低温工况下探测器组件温度的稳定范围为11.5~12.75 ℃,高温工况下探测器组件温度稳定范围为13.6 ℃~14.75 ℃。综合两种工况情况,需通过温度响应实验获取温度补偿系数,以满足在轨工作需求。

3 温度对辐射响应的影响

偏振成像仪为广角镜头,需考虑光学镜头自身的偏振效应,辐射响应模型为大视场偏振相机辐射模型^[20],用斯托克斯矢量表示偏振信息,入射光斯托克斯向量照射到像面(l,p)点对应的像素上,其输出探测器DN值可表示为

Dk,a,l,p=Ak·G·Tk,a,l,p[P1,k,a,l,p·Ik,l,p+P2,k,a,l,p·Qk,l,p+P3,k,a,l,p·Uk,l,p]+Cl,p,(1)

式中: k代表不同波段;a为偏振片的不同安装方向;l、p为像元坐标;G为相对增益系数(包含电子学放大增益及曝光时间系数);T为透过率响应系数(包含检偏滤光组件相对透过率、光学系统低频透过率和探测器高频响应系数);C为暗背景系数;A为辐射定标系数;I、Q、U为入射光束的斯托克斯向量;P₁、P₂、P₃为仪器偏振特性参数,可表述为与像元视场角θ和方位角φ相关的镜头起偏度ε和偏振片效率χ的函数,即

P1,k,a(θ,φ)=1+χkεk(θ)cos[2(φ-αk,a)]P2,k,a(θ,φ)=χkcos[2(φ-αk,α)]+εkθP3,k,a(θ,φ)=χksin[2(φ-αk,a)]。(2)

基于辐射响应模型分析得到的温度变化影响主要反映在以下两方面: A_k辐射定标系数变化和C_l,p暗背景变化(包括暗电流和热辐射噪声等)。

偏振成像仪光学探测单元具有温度敏感性,不同温度环境下光谱响应度会发生变化,温度校正通过辐射定标系数和暗背景两方面来减小影响。

3.1 辐射定标系数的温度补偿

实验室辐射定标目的是确定仪器响应DN值和入射光辐亮度的关系。利用光谱辐射计对积分球辐射源进行标准转递,通过积分球辐射源测量辐射响应度、动态范围、非线性和像元非均匀性等参数,确定辐射定标系数。

温度影响辐射定标系数直接反映在信号输出上,图5所示为探测器官方数据中三种工况下的光谱响应曲线,近红外谱段光谱响应度有较大波动,需要通过实验分析来建立温度与辐射响应度之间的关系。

图 5. 探测器光谱响应曲线

Fig. 5. Spectral response curve of detector

下载图片 查看所有图片

3.2 暗背景影响

偏振成像仪光学探测单元(GP301)结构如图6所示,滤光片转轮设有暗背景测量通道,用来实时校正暗背景C_l,p的影响。滤光片转轮转动周期为8 s,同周期内暗背景通道和探测波段温度特征一致。

图 6. DPC成像系统示意图

Fig. 6. Diagram of DPC imaging system

下载图片 查看所有图片

设定增益参数后,通过暗背景校正后可获取有效辐射度DN值,利用单波段3个偏振通道联立解算反演入射斯托克斯向量:

Ik,l,pQk,l,pUk,l,p=(Mk,l,p)-1D1,k,l,p-Cl,pD2,k,l,p-Cl,pD3,k,l,p-Cl,p,(3)

式中:D为探测信号;M为系统穆勒矩阵。

通过以上两点分析可知,温度对暗背景的影响可以被实时校正,而温度对辐射定标系数的影响需要通过地面实验获取变化关系来校正。

4 辐射响应与温度变化测量实验

4.1 温度范围和测量点

热控分析的输入条件包括工作温度范围,元器件的名称、数量、尺寸、材料,热容量,热功耗,允许的最高降额温度以及壳体几何参数和热参数,单机内部热控措施等;热分析工况包括极端热工况和极端冷工况,虽然探测器在低温时的暗电流特性更优越,但需要综合考虑整星功耗等条件,以确定探测器组件在轨工作于11~15 ℃范围,在探测器模块上设立温度监测点,温度监测点的设置经卫星总体单位确认后实施。

常用测温方法有热敏电阻测温、铂电阻测温、热电偶测温和数字传感器测温,星上一般用热敏电阻测温,在此选用了MF501,并用环氧树脂胶将其固定在测温点。温度测量DN值用一个字节表示,有效范围为1~254,最大温度范围如图7所示,为-67.96~187.15 ℃。

图 7. MF501测温范围

Fig. 7. Temperature measurement range of MF501

下载图片 查看所有图片

在-5.197~26.559 ℃范围内,热敏电阻的DN值接近线性变化,最小分辨率的变化如图8所示,其11~15 ℃热控范围温度分辨率变化为0.309~0.320 ℃,精度符合要求。

图 8. 测温精度变化

Fig. 8. Variation of temperature measurement accuracy

下载图片 查看所有图片

4.2 温度响应实验

实验系统模拟了仪器在轨环境,完成了分析辐射响应度与温度关系的实验,获取近红外波段0~25 ℃内温度变化曲线。所使用的主要设备如表2所示;实验洁净间要求洁净度优于10万级;产品与实验设备不共地,接地点电阻小于1 Ω。

通过积分球辐射源IS1200-400和真空高低温模拟实验系统CS-1800实现辐射响应度与温度的定量化关系测试,实验示意图如图9所示。

图 9. 辐射响应随温度的变化关系测试示意图

Fig. 9. Diagram of radiation response changing with temperature

下载图片 查看所有图片

辐射响应度与温度之间的定量化关系的测试步骤为

1) 将多角度偏振成像仪安装在真空仓平台上,对准积分球辐射源出光口中心;

2) 打开多角度偏振成像仪,设置积分时间,预热至稳定状态;

3) 调节积分球辐射源光谱辐亮度输出,以保证多角度偏振成像仪辐射响应值处于满量程的60%~90%之间,并预热至稳定状态;

4) 热真空系统升温期间,测试多角度成像仪输出响应;

5) 实验过程使用光谱辐射计和标准探测器监测光源光谱变化和辐亮度稳定性。

5 实验数据处理

实验数据处理主要包括暗背景校正、帧转移校正、外部光源稳定性补偿和温度区间范围内辐射响应的相对变化计算。

5.1 暗背景校正

暗背景主要来源是CCD探测器暗电流,图10中标注了实际测量的暗背景变化曲线(以21 ℃测量值为标准),因测试方法、环境不同,实际曲线与理论数据会存在差异,单个电路在整机工作时也会发生变化,说明暗背景通道设计的必要性,在轨工作以暗背景通道进行实时校正。

图 10. 暗电流变化曲线

Fig. 10. Dark current curve

下载图片 查看所有图片

5.2 帧转移校正

探测器选用帧转移体系结构CCD,帧转移指探测器电荷的转移方式,每个像元既收集光电荷又实现电荷转移,在电荷输出过程中,电荷逐行移动输出的同时继续曝光,导致像元响应不均匀^[21],通过测量分析探测器帧转移因子,在数据处理中消除帧转移的影响才能得到(2)式中的有效数据,图11为帧转移校正前后的对比图,帧转移校正消除了影响信号。

图 11. 帧转移校正。(a)原始图像;(b)校正后图像

Fig. 11. Frame transfer correction. (a) Raw image; (b) corrected image

下载图片 查看所有图片

5.3 光源监测信号输出

实验过程考虑仪器安全,设置温度缓慢变化,达到热稳定状态时再进行测量,整个实验过程长达6 h。使用光谱辐射计和标准探测器监控光源变化,其光谱如图12所示,覆盖了所要测量的波段。

图 12. 测试光源光谱

Fig. 12. Spectrum of light source in experiment

下载图片 查看所有图片

在整个实验过程中,标准探测器监控光源均匀采集了3050个数据,信号变化如图13所示,计算最大单点波动偏差为0.23%[(6.134-6.120)/6.126],测试过程中光源稳定。

图 13. 实验中光源稳定度

Fig. 13. Stability of light source in experiment

下载图片 查看所有图片

5.4 实验数据分析

温度t状态的偏振成像仪波段k的积分球出光口处辐亮度的测量值用L_k,t表示,其表达式为

Lk,t=∫λ2λ1L(λ)r(λ)dλ∫λ2λ1r(λ)dλ,(4)

式中:L(λ)为参考光源波长λ的光谱辐亮度,即光谱辐射计实测结果;r(λ)为仪器相对光谱响应率;λ₁、λ₂为k波段滤光片的上下限波长。在轨温度校正系数是相对温度参考点的相对数值,用偏振成像仪DN值等价表示辐亮度,以简化计算。

为提高信噪比,使用100组数据有效信号的平均值,通过数据预处理后的有效信号如表3所示。

温度响应曲线如图14所示,0~25 ℃光谱响应变化趋势和探测器官方数据一致。以温度点12.089 ℃测量值为标准,计算实验过程中各波段辐射响应值变化波动范围,得到910 nm波段辐射响应值的变化波动范围为-3.47%~3.24%,865 nm波段辐射响应值的变化波动范围为-2.19%~2.08%,765 nm波段辐射响应值的变化波动范围为-0.15%~0.21%,763 nm波段辐射响应值变化波动范围为-0.07%~0.11%。

图 14. 辐射响应曲线

Fig. 14. Radiation response curves

下载图片 查看所有图片

数据表明通过暗背景通道设计可以有效地消除温度对暗背景的实际影响,0~25 ℃温度范围内光谱响应数据变化趋势和探测器官方数据一致,11~15 ℃工作温度范围内910 nm、865 nm波段光谱响应数据变化较为明显,需要在轨进行温度校正。

6 在轨温度补偿方法

工作温度范围内的实验数据近似呈线性变化,采用拟合方式得到0~25 ℃温度补偿曲线,拟合的表达式为:f(x)=f₁x³+f₂x²+f₃x+f₄,其中f₁、f₂、f₃、f₄为多项式系数,x为各温度点响应值,拟合输出结果如表4所示。

在热控温度范围及极限工况条件下,温度变化主要影响近红外865 nm和910 nm波段,其中865 nm波段温度影响变化率为1.685×10^-3 ℃^-1,910 nm波段温度影响变化率为2.801×10^-3 ℃^-1,在11~15 ℃热控区间,两波段总辐射响应度分别波动0.674%和1.121%。

地面应用系统处理数据的流程如图15所示,偏振成像仪原始数据经过数据预处理后,首先进行温度校正,再进行辐射、几何校正,输出1级数据产品。

图 15. 数据处理流程图

Fig. 15. Flow chart of data processing

下载图片 查看所有图片

温度校正中以表4中的系数作为补偿系数,从接收的载荷数据中提取探测器组件温度值,计算相对13 ℃温度点的校正系数,校正公式为

L=L0[1+(T-13)·fx],(5)

式中:T为探测器组件温度;L₀为实际输出辐亮度值;f_x为13 ℃温补计算系数;L为温度校正后输出的辐亮度值。采用热控设计和温度补偿方法后,温度波动产生的辐射度误差小于0.1%,在可控范围内。

目前载荷热控工作良好,控温稳定,在轨工作物镜、电路盒、探测器组件温度的变化如图16所示,数据为在轨工作3个月后性能稳定时的数据。可以看出,物镜温度变化在10~11 ℃之间,电路盒温度变化在10~13 ℃之间,探测器组件温度变化在12~13 ℃之间,变化稳定,控温范围在热设计指标内,达到了预期目的。

图 16. 测温点温度变化曲线

Fig. 16. Temperature change curve of measuring point

下载图片 查看所有图片

在轨探测器组件温度监测结果如表5所示,从2018年5月10日开机至2018年10月7日,在运行工作2300轨数据中随机挑选了10组数据,包括2018年9月11日连续的三轨数据,可以看出探测器组件工作在设计范围内。

7 结论

为保证在大气常温条件和在轨热真空环境下多角度偏振成像仪均能稳定可靠的工作,进行了热控分析。运行阶段需要校正控温范围内温度波动带来的偏差,通过分析光学系统和偏振探测的温度影响因素,发现温度变化对暗背景及近红外波段辐射定标系数影响较大,实验表明910 nm、865 nm波段在极端工况条件11~15 ℃区间最大范围波动分别达到1.121%和0.674%。暗背景通道设计和温度补偿系数校正可有效消除温度变化的影响,在轨运行以来,热控工作良好,探测器电路工作在理想温度范围,温度校正满足数据质量要求,温度校正方法合理。后续仪器研制可通过设定较低的控温点来提高信噪比,用12 bit的模数转换器件提高温度分辨率。