宽视场绝对辐射计杂散光特性研究

摘要：卫星太阳辐射监测仪在轨飞行中采用太阳扫过宽视场绝对辐射计视场期间动态测量太阳辐照度的方法,测量过程中进入辐射计接收腔的杂散光对测量精度带来影响,本文通过模型软件分析、风云辐射计外场标定测量和神舟三号辐射计在轨数据修正三个方面对宽视场辐射计的杂散光随角度变化分布进行了分析, 1）随光线入射角增大,杂散光影响基本呈线性增大;2）太阳辐射监测仪宽视场绝对辐射计无遮拦视场角18.4,对0～7视场进行了模拟分析,在7入射角时,杂光影响为0.63％,地面通过标定方法测量得到的结果为0.79％;3）神舟三号飞船上的辐射计视场角为10.4,视场角小,消光光栏多,杂散光的影响相对较小。以模型仿真结果对星上获得数据进行了修正,结果表明,通过杂光修正降低了系统误差。     

小视场绝对辐射计视场测量及修正项计算

风云三号A星和B星上搭载的太阳辐射监测仪由于视场较大而引入较多不确定因素,因此风云三号C星太阳辐射监测仪采用小视场绝对辐射计来跟踪太阳测量.本文研究了小视场绝对辐射计视场带来的修正因素.计算了C星太阳辐射监测仪由视场光栏和主光栏确定的视场大小;基于此视场计算值,给出了仪器辐照度测量值随光源入射角变化的理论曲线;并且利用实验室搭建的视场测量装置,对此变化曲线进行了实际测量.结果表明,测量曲线与理论曲线的相对偏差平均为1％～2％,接近测量装置的极限精度,从而验证了视场计算值的准确性.利用计算视场评价了在轨测量时辐射计与冷空间背景的辐射交换修正项,结果显示,小视场会对太阳辐射测量产生2.023 W/m2的冷空间背景修正,相对太阳辐照度测量精度要求,修正项计算标准差可以忽略.     

卫星宽视场绝对辐射计太阳越过视场时入射光变化与腔温响应函数

研究了卫星上指向太阳安装的宽视场绝对辐射计在轨飞行中,太阳越顶扫过其视场期间接收的辐射功率随时间的变化,给出了绝对辐射计接收这种时变辐射功率的情况下腔温响应函数.只要绝对辐射计的视场宽到一定程度(10°),太阳越过视场的这段时间太阳辐照基本上是恒定的,辐射计的腔温响应也能达到平衡,根据这一腔温响应的平衡点关闭快门进行电功率定标就能获得太阳辐照度值.并将这种测量方法用于神舟3号飞船上用3台15°视场太阳辐照绝对辐射计(SIARs),测量了太阳辐照度.实验结果表明:所测数据与同期卫星上获得的数据基本一致,这也表明了本方法的可行性.     

红外地平仪视场保护系统

为使风云一号C和风云三号气象卫星红外地平仪不受太阳辐射视场的干扰,研制了一种视场保护系统,对该系统的优缺点、视场确定方案、峰值信号的标定算法进行了研究。分析了红外地平仪在轨运行受太阳辐射干扰影响的严重性,对视场保护系统进行了比较。设计了非扫描机械式视场保护系统——太阳探头,研究了有效的测量装置,测量确定了太阳探头的视场范围,推导了太阳探头信号测量的理论公式。根据太阳穿越大气辐射的理论,给出了标定太阳探头峰值信号的方案,并进行了外场试验。风云一号C气象卫星在轨运行验证表明:太阳探头有效地保护了红外地平仪。因此,太阳探头装置成功应用在卫星姿态测量装置中,研究的太阳探头将同样运用于即将发射的风云三号气象卫星红外地平仪视场保护中。     

星载太阳辐射监测仪的太阳程控跟踪精度

为了避免太阳敏感器(DSS)指向故障导致星载太阳辐射监测仪(SIM)功能失效,为风云三号(FY-3(03))卫星的太阳辐射监测仪(SIM)设计了备份跟踪方式程控太阳跟踪并分析了其跟踪精度。利用星上儒略日时间和卫星轨道瞬根,基于类基准地表辐射网(BSRN)算法推导了轨道坐标系太阳矢量、俯仰角和偏航角。将计算结果与卫星给定指向数据进行了比较。结果表明:太阳矢量三轴偏差均小于0.1°,俯仰角平均偏差为0.024 6°,偏航角平均偏差为-0.080 4°。对利用程序计算的多轨道指向数据进行了太阳模拟跟踪控制实验,结果表明:SIM俯仰跟踪控制精度优于0.1°,偏航跟踪控制精度优于0.05°。为保证在轨跟踪精度,试验了俯仰零点角和偏航零点角,其分别为80.46°和-36.96°。最终分析结果表明,俯仰程控跟踪不确定度为±0.318°,偏航程控跟踪不确定度为±0.316°,满足SIM太阳跟踪精度±0.5°的要求。设计的太阳程控跟踪降低了SIM对光学指向器件的依赖,提高了在轨太阳跟踪的可靠性。     

扫描式氙灯太阳模拟器十维扫描系统

为了模拟卫星在轨全年的太阳辐照情况,检验、优化整星的杂散光抑制能力,分析了光学载荷的在轨成像条件,设计了一种基于7维扫描镜+2维折反镜+1维被测样件共计10维运动机构的扫描式氙灯太阳模拟器,并建立了它们关于照明姿态和位置的控制方程,完成了被测样件的空间环境模拟照明。实验表明,对1 700mm×2 700mm的被测样件可实现方位角为-90°~+90°、俯仰角为-29°~+42.5°的模拟照明,角精度分别可达0.2°和0.1°,位置精度优于10mm。该扫描式太阳模拟器可较精确地为部分卫星提供全年太阳照明空间环境模拟实验。     

双轴倾角传感器姿态角测量的建模与标定

根据双轴倾角传感器的测量原理,建立了姿态角的测量模型。针对该测量模型,分别研究了无误差和误差下的姿态角的求解模型,并通过坐标变换算法,建立了含误差项的姿态角的求解模型。针对该模型的误差项,讨论了双轴倾角传感器姿态角测量的标定算法。在±4°范围内,通过实验对该标定算法进行了验证。实验结果表明,经修正,双轴倾角传感器的双轴标定精度由修正前的0.118°提高到0.012 46°,该标定算法使双轴倾角传感器的标定误差减小了一个数量级。该标定算法简单、快速,可以满足诸多场合对于姿态角测量的0.03°标定精度要求。     

FY-3A太阳辐射监测仪的程控设计与实现

介绍了载于FY-3A气象卫星用来监测太阳辐照度变化的太阳辐射监测仪(SIM)的工作原理,描述了该监测仪的系统组成和工作模式。SIM由3台相同的太阳辐照绝对辐射计(SIAR)按一定角度排列构成测量三通道,3个通道可单独或同时进行测量,对获得的数据进行对比、查验和校正。分别介绍了太阳辐射监测仪的3种工作模式,即通道自测模式、太阳辐射测量模式和冷空间测量模式,在此基础上对其执行的在轨运行任务进行了分析说明。讨论了程控设计要点与实现,给出了SIM采用各测量模式获得的遥感数据。FY-3A太阳辐射监测仪从2008年6月开始执行在轨测量,得到的实验结果表明,设计的测量模式合理,运控参数有效,全部软件功能均已实现,测量得到的太阳辐照度与同国际同期卫星SORCE/TIM的测量数据在0.2%以内相符。     

探空温度传感器的太阳辐射误差修正方法研究

由于太阳辐射的影响,探空温度传感器高空测量时的辐射误差可达3 K量级。为提高传感器测量精度,提出一种太阳辐射误差修正方法。首先通过计算流体动力学(CFD)方法计算珠状热敏电阻的太阳辐射误差,然后采用准牛顿法(BFGS)拟合仿真数据并得到太阳辐射误差修正方程,最后通过低气压风洞和太阳模拟器实验平台对修正方程的准确性进行验证。实验结果表明,在太阳高度角和海拔高度范围分别为0°～60°和10～32 km时,珠状热敏电阻辐射误差修正值与实验测量值之间差值的平均值为0.124 K,均方根误差为0.083 K,验证了辐射误差修正方法的可行性。     

硬性内窥镜光学系统的杂散光分析与抑制

基于光学系统结构研究了硬性内窥镜光学系统内部杂散光的成因及抑制方法,以提高其成像效果。通过Lighttools软件进行光线追迹,分析了硬性内窥镜光机结构的杂散光;通过杂光路径分析,提出光线在中继系统和物镜组中发生全反射是硬性内窥镜存在杂散光的原因,由此研究了相应的杂散光抑制方法:即调整物镜组结构控制系统中光线传播的路径,并在光学系统优化过程中加入相应的控制条件。最后,采用提出的方法设计了视场角为70°,透镜直径为2.7mm的高成像性能消杂散光硬性关节镜。验证实验显示,研制的硬性内窥镜光学系统在100lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)值均在0.4以上,逼近衍射极限。光线追迹结果表明,在物镜组中消除杂散光可避免光线在棒镜内壁全反射,完全消除杂散光并保证良好的像质。