一种将杂散光影响分析融入光机热集成分析的技术方法

摘要

本发明公开了一种将杂散光影响分析融入光机热集成分析的技术方法。本方法使用热学分析方法中的外热流和角系数，计算分析空间光学仪器的外部杂散光和仪器内部自身辐射达到探测器焦平面的光能量水平，进而利用散粒噪声理论，分析杂散光对空间光学仪器工作性能的影响，从而使杂散光分析与热学分析融为同一个分析过程，实现将杂散光影响分析融入光机热集成分析的一种技术方法。

说明书

技术领域

本发明属于空间光学遥感仿真技术，具体涉及一种杂散光影响分析融入现有光机热集成分析技术的方法，适用于空间光学遥感仪器的设计仿真分析过程，可以有效减少光学分析与热学分析之间的数据迭代次数，节省设计仿真优化的时间，且可直接获得空间光学仪器在轨工作的任意时刻的信噪比仿真数据。

背景技术

随着空间光学遥感技术的高精度、定量化、短周期的发展，空间光学遥感仪器的设计分析手段也随之更新。最具有代表性的是光机热集成仿真分析，比如Structural/Thermal/Optics Performance(STOP)分析平台、Systema平台、sigfit数据接口工具。该项分析技术将光学、热学和结构力学分析融合到一起，将空间相机的设计分析评价指标直接锁定在相机的光学像质，例如能量集中度和传递函数(分析技术流程见图1所示)，而非传统的光学系统的公差分配、温度场范围、以及结构的应变或热应变量的独立评价。

影响空间光学仪器高精度和定量化的因素不仅仅是其光学像质，杂散光也是重要影响因素之一。杂散光是指达到光学系统像面的非目标成像光线。对于红外光学系统，杂散光包括外部杂散光和仪器内部自身辐射两部分。杂散光对空间光学仪器的影响，轻者，使得目标的信噪比降低，使目标成像模糊，对比度下降，从而影响整个系统的探测或识别能力，重者，被探测的目标信号完全湮没在杂散光背景中，系统无法提取目标，或因像面杂光分布不均匀，在系统探测器上形成虚假信号，进而致使系统探测到伪目标甚至导致整个系统失效。

光机热集成分析技术相对传统的分析技术有了飞跃性的提升，但是尚未将杂散光影响分析作为该分析技术的组成部分，因此，目前光机热集成分析技术尚不完善。

本发明采用热分析软件的外热流和角系数解析外部杂散光和仪器内部自身辐射的影响，将杂散光分析过程融入于热学分析过程，从而将杂散光分析技术引入光机热集成分析技术，并将杂散光作为散粒噪声的一部分引入至相机信噪比的计算，从而将评价指标从光学像质提升至空间光学仪器的探测能力信噪比，使评价指标更加直观，接近于应用。该技术研究是对光机热集成分析的完善，对提升空间光学仪器设计仿真分析能力具有重要意义。

发明内容

从物理本质来讲，热和光均是电磁波，仅是表现形式的区别，因此，热学仿真分析软件与杂散光仿真分析软件具有共同之处，比如均采用成熟的M-C算法。热学仿真分析软件侧重于的热学温度场的分析，其光谱特性方面相对较弱，而杂散光仿真分析软件侧重于对杂散光抑制能力的分析，缺乏轨道环境模拟功能，在光学系统杂散光影响定量化分析方面存在缺乏温度场准确性、温度场的实时性的局限性。

本技术发明一种将杂散光影响分析融入光机热集成分析的技术方法。分析技术流程见图2所示。空间光学仪器受到的杂散光影响包括外部杂散光和仪器内部自身辐射杂散光。

本发明外部杂散光分析，利用热学分析技术中，将空间光学仪器置于空间轨道条件下的外热流分析技术，结合普朗克辐射定律，计算空间光学仪器在空间轨道条件下受到的太阳、地球反照杂散光的影响；关注光谱带宽内的能量换算因子：

其中，M_λ太阳光谱辐射出射度。

本发明仪器内部自身辐射杂散光分析，利用热学分析技术中，空间光学仪器中光学部件、机械部件的温度场和角系数，计算空间光学仪器红外波段探测器接收到仪器自身辐射的影响。焦面接收到的仪器自身辐射平均照度：

其中，M_iλ第i个节点光谱辐射出射度；B_ij角系数，第i个节点与第j个节点之间的能量交换因子。

最后，将探测器接收到的外部杂散光和仪器内部自身辐射计入光学仪器的散粒噪声，计算得到空间光学仪器的仪器信噪比。

其中，

N_signal：信号等效电子数，其受到仪器光学像质影响；

N_circuit：探测器及数据采集电子学噪声等效电子数；

N_background：背景噪声等效电子数，包括仪器自身辐射噪声和探测背景噪声；

N_straylight：外部杂散光等效电子数。

附图说明

图1为现有光机热集成分析技术流程。

图2为融入杂散光影响分析的光机热集成分析技术流程。

图3为现有光机热分析流程仿真计算得到的某空间光学仪器的光学能量集中度的变化情况。

图4为融入杂散光影响分析的光机热分析流程仿真计算得到的某空间光学仪器SNR变化情况。

具体实施方式

本技术发明选择光机热集成分析STOP仿真平台作为仿真分析技术载体。根据光机热集成分析平台STOP的兼容性，热学分析软件选用Thermal Desktop。如热学分析技术一样，在杂散光分析过程中，进行CAD模型的有限元网格节点划分、轨道模型、相机热源、辐射传导等属性的设置，不同的是网格划分是光学元件，及光路可见的机械元件的结构形式不能简化，网格划分精度高。在数据输出方面，除热学关注的温度场，还需输出探测器焦面接受的外热流，以及辐射传输模块计算各关注部件节点与探测器节点的角系数。利用黑体普朗克辐射模型进行外热流光谱特性换算，利用各节点温度场、角系数计算仪器自身红外辐射焦面照度。后续数据处理采用Matlab数据分析软件。并将上述数据输出传输给STOP平台，在STOP平台内利用Matlab模块完成空间光学遥感仪器在轨工作性能计算与评价。

以工作在静止轨道三轴稳定卫星平台某空间光学仪器的在轨工作性能分析为例。基于现有光机热仿真分析流程，以某空间光学仪器春秋分季节为例，仪器的光学像质能量集中度的变化情况，如图3所示，随着太阳入射，仪器温度场发生变化，导致热应力形变，进而影响到仪器的光学像质能量集中度，且由于延时效应，在星上时午后14:00像质最为恶劣，能量集中度下降至54％。

当空间光学仪器对地表上空点目标进行探测。春秋分季节，仪器SNR如图4所示，仪器最佳工作时段为5:30～10:30和13:30～18:30时段；在星上午夜时段，由于地球反照影响，仪器的SNR略有下降；在星上正午10:30～13:30时段，由于太阳直射造成光学像质恶化和太阳杂散光影响严重，仪器SNR具有明显下降，特别是在11:29和12:38两时刻附近，太阳杂散光急剧增加，仪器SNR下降至6以下，仪器丧失点目标探测能力。

图3是STOP仿真平台在未加入杂散光影响分析时的仿真结果，图4是平台加入杂散光影响分析后的仿真结果。对比可见，加入杂散光影响分析后，系统的评价指标从光学能量集中度提升至仪器的SNR，更加接近于应用，而且细节地反映了在11:29和12:38两时刻附近，仪器信噪比下降至6以下，丧失探测能力，仿真结果更加精细，可以为发射前策划在轨工作模式提供数据参考。