適用于大視場CME觀測的側面遮攔式外掩體設計

單睿? 張琢 董聯慶 王鈺 楊立欣 粘偉

適用于大視場CME觀測的側面遮攔式外掩體設計

單睿? 張琢 董聯慶 王鈺 楊立欣 粘偉

（北京空間機電研究所，北京 100094）

針對當前中國空間太陽觀測任務中大視場日冕儀雜散光抑制需求，提出一種適用于大視場日冕物質拋射（CME）觀測的日球層成像儀側面遮攔式外掩體設計，通過在外掩體上設置多階擋光環結構，對進入相機視場的衍射光進行抑制?；诜颇鶢?基爾霍夫衍射理論，開展組件抑制能力仿真分析，并探索不同擋光環間距、擋光環階數、擋光環后截距等參數對于組件性能的影響。通過搭建一種適用于微弱雜散信號的測試系統，應用微光探測器和微光照度計，從圖像和數值方面對組件性能進行驗證。研究結果表明，經優化后的側面遮攔式外掩體在十萬級潔凈度條件下雜散光抑制水平優于10–9，能夠滿足大視場CME觀測的雜散光抑制要求。

側面遮攔式外掩體 日球層成像儀 日冕物質拋射 太陽觀測 空間探測

0 引言

日冕物質拋射（CME）對應太陽上大規模的等離子體拋射，是太陽系中最為劇烈的爆發現象，它是太陽物理和空間物理的重點研究對象，也是引起空間災害性天氣的主要因素[1-2]。但目前對于CME的溫度、演化規律及動力學過程尚無定論，需通過天文觀測儀器獲取CME活動的結構、速度、密度及溫度等特征，才能進一步推動日冕物質拋射在行星際傳播的動力學特征和高溫內核演化特征的相關研究[3]。國際上很早就開始了對CME的觀測，幾乎所有重要的太陽綜合觀測衛星均配備日冕儀。目前為止，美國、法國、德國、日本、英國等國家均有空間日冕儀發射升空[4-5]。我國空間日冕儀的研制起步較晚，目前雖然已經有“夸父計劃”白光日冕儀[6]、圍繞太陽極軸射電望遠鏡計劃（SPORT）以及大視場白光擴展日冕儀等項目正在研制[7]，但均未投入使用。

日冕儀研制的難題之一是系統的雜散光抑制，其中太陽直射光、散射光、衍射光等是影響CME清晰成像的主要因素[7]，由此衍生出了外掩體、內掩體設計的日冕儀擋光組件[8]。近年來側面遮攔式外掩體擋光組件設計逐漸興起，其利用側面遮攔，通過對太陽日冕一側成像的方式，實現對日地空間超大范圍內的CME進行成像[9-11]。相較于傳統內/外掩體設計，這種設計對于相機系統限制較少，系統可以獲得更大的視場范圍，有助于天文學家對CME空間傳播、空間天氣預報等領域的研究，是未來太陽觀測載荷的重要發展趨勢之一，對于太陽的觀測研究有著重大的作用和意義。

因此，本文基于當下國際太陽物理學界討論最為激烈的日地拉格朗日L4/L5點太陽立體觀測，開展側面遮攔式日冕儀外掩體研制設計，通過任務分析，從理論、仿真、試驗驗證等方面開展研究，為我國未來太陽立體觀測任務中日球層成像儀的研制提供幫助。

1 任務指標分析

1.1 相機指向、視場指標分析

日地拉格朗日L4、L5點被證實是日地間穩定的引力平衡點，它處于地球軌道，離開日地連線60°，位于該點的太陽觀測載荷可從側面對日地連線上CME傳播、激波及其產生的高能粒子事件等太陽活動現象進行長期穩點、穩定監測，被國內外天文學家認為是太陽活動觀測的理想位置之一（見圖1）[12-13]。美國STEREO太陽雙星[14]以及我國“羲和計劃”也選擇L4、L5點作為了任務軌道。

圖1 日地拉格朗日L4/L5點位置

在相機整體設計上，日球層成像儀設計選用雙相機（由近日觀測相機HI-1和遠日觀測相機HI-2組成）視場拼接形式完成大尺度日地連線CME觀測，該設計的優勢是避免了單相機大視場條件下成像畸變大、軸外像差大等缺陷，同時，也避免了在近日和遠日情況下背景亮度差異大而導致的成像過暗或過曝。日球層成像儀在軌觀測示意以及載荷結構模型見圖2和圖3。

放置于L4、L5點的日球層成像儀在選定視場角和視軸指向時，不僅需要考慮日地連線中CME的輻射范圍，還需考慮日球光等強雜散光源對于CME暗弱目標探測效能的影響。相機視軸與視場角設計值如圖4所示，由于CME的輻射范圍在12～215個太陽半徑[14]，根據幾何關系計算出滿足該范圍全覆蓋探測的相機邊緣視場角度為2.83°和59.77°。其中靠近太陽的邊緣視場角度2.83°，該數值為后續側面擋光環設計中衍射抑制角的設置提供了輸入。

圖2 日球層成像儀觀測示意

圖3 日球層成像儀模型

1.2 側面遮攔式外掩體抑制能力需求分析

對于太陽觀測載荷雜散光抑制設計來說，最大的挑戰來自于太陽光球直照帶來的高能量背景光。如圖3所示，在本文日球層成像儀設計中，由于近日觀測相機HI-1的視場更靠近太陽，更易受到來自太陽直射光的影響，因此更依賴于外掩體對日面進行遮擋。

側面遮攔式外掩體的作用是對太陽直射光進行遮擋，并對其在外掩體邊緣產生的散射光、衍射光進行抑制，將其能量降至一定的能級，確保不影響亮度低的日冕物質拋射現象的觀測。為了得到滿足任務需求的外掩體雜光抑制量級，需要對太陽背景亮度、CME亮度進行分析。

如圖5所示，根據Defise等人[15-16]的研究，CME的亮度（）變化與空間距角（即CME與太陽的角距離）有關，變化率約為–2～–3。在日地連線間CME亮度變化范圍在10–7～10–16sun（sun為太陽亮度，視星等–26.74），相較于日面，CME的觀測難度更大。此外，由于CME亮度與太陽背景光的亮度差遠遠超出目前空間探測器件的探測動態范圍，太陽直射光及其散射光在視場內出現會導致CME信號無法被探測器檢出。因此，綜合上述CME的亮度分布情況以及當前探測器件的性能，并參考STEREO、Solar Orbiter等太陽觀測衛星的在軌數據[7-8]，得出日球層成像儀近日觀測相機HI-1總體雜散光抑制效能需要優于10–13，拋去分系統相機本身光闌、涂層等抑制效能，側面遮攔式外掩體抑制能力需要優于10–9才能保證系統滿足探測需求。

圖4 日球層成像儀觀測角度分析

圖5 CME亮度分布[15]

2 側面遮攔式擋光環設計及優化

半無限矩形菲涅爾衍射是分析側面遮攔式擋光環組件衍射光強度分布的重要基礎理論[17-21]。本項設計的研究思路可分為以下兩點：1）基于半無限矩形菲涅爾衍射原理和衍射疊加原理計算擋光環組件衍射光強度分布；2）通過調節設計參數分析擋光環組件衍射分布變化，對擋光環組件進行優化，獲得滿足探測需求的擋光環組件設計。

半無限矩形菲涅爾衍射公式為

式中 為觀測屏中坐標(x,y)處的衍射光振幅；為入射光振幅；為探測波長；為觀測點到衍射屏的水平距離；，其中()為擋光環邊緣距觀測屏上某點在y方向的距離；和為菲涅爾衍射積分，其中，，為變量。

基于上述理論在數學軟件中進行建模，根據載荷約束、輸入間距、擋光環數量、衍射角等信息，獲得該條件下的側面遮攔式擋光環抑制效果，計算流程如圖7所示。

為了驗證模型的可行性，以STEREO HI前擋光環的設計值（入射波長805 nm、衍射角1.32°、擋光環階數5、間距28.5 mm[8]）作為輸入來進行模型精度驗證，計算結果如圖8所示。

圖7 側面遮攔式擋光環計算流程

圖8 模型仿真下的STEREO擋光環抑制曲線

在相機上沿處獲取到的衍射光能級約為1.99×10–9，在下沿位置獲取到的衍射光能級約為1.18×10–11，與文獻[14]中STEREO視場上沿的衍射光能級數據（2×10–9）基本相符，驗證了模型計算的準確性。

為了獲得日地拉格朗日L4/L5點探測下較優的擋光環布局設計，本文分別分析了圖9中擋光環與相機距離、板間距、擋光環階數等參數的改變對雜散光抑制效果的影響。

（1）擋光環與相機距離影響

在固定板間距、衍射角的情況下，分析計算擋光環與相機距離的改變對于擋光組件抑制性能的影響，計算結果如圖10所示。結果表明，隨著板間距的不斷增加，對于衍射光的抑制能力不斷提高。但是受整體尺寸包絡的限制，距離不能過長，而過短的話則會導致相機出現離焦等成像效能問題。因此具體設計時，除了要考慮抑制效果，也要兼顧尺寸、質量、成像效能等因素。

圖9 擋光環組件布局

圖10 不同距離d對于衍射雜散光的影響

（2）擋光環階數影響

在固定相機與最后一片擋光環距離、板間距、衍射角的情況下，分別對不同擋光環階數下的抑制效果進行計算，計算結果如圖11所示。結果發現，隨著擋光環數量的增加，抑制能量呈現逐漸降低的趨勢，擋光組件抑制能力升高，在5階擋光環時就可實現優于10–9的抑制效果。但是在實際工程中，由于載荷包絡尺寸、質量、成本等因素的制約，擋光環組件在設計時，在滿足實際需求的前提下盡可能對整體結構的尺寸等進行約束。

（3）板間距影響

在固定相機與最后一片擋光環距離以及衍射角的情況下，分別對不同板間距進行了5階擋光環的抑制能力計算，計算結果如圖12所示。結果發現，隨著板間距的不斷增加，雜散比呈先減小后增大的趨勢，即在板間距約為30 mm時，相機在該固定位置下可實現10–9量級的抑制能力，相較于其他間距實現了更優的雜散光抑制效果。

綜上基于對不同設計參數的分析，并結合載荷包絡尺寸、質量等限制要求，最終選擇擋光環階數=5、擋光環間距=30 mm、距離=390 mm作為擋光環組件設計參數。

圖11 擋光環階數N對于衍射雜散光的影響

圖12 板間距X對于衍射雜散光的影響

3 側面遮攔式擋光環雜散光抑制能力測試與討論

為了驗證計算模型的準確性，開展側面遮攔式擋光環組件雜散光抑制效能測試。由于擋光環所達到的理論雜散比小于10–9，遠低于一般探測器件的響應閾值，且測試過程中極易受到其他光源干擾（電腦屏幕、結構件散射光/反射光等）從而影響測試數據的準確性和真實性[22-25]。因此本文針對測試需求，搭建了一種適用于微弱雜散信號測試的測試系統，其布局如圖13所示，測試環境位于十萬潔凈度的暗室條件下。測試光源采用亮度足夠高的激光，因為激光的能量集中度高、相干性好，相較于太陽模擬器其受到大氣的影響較小。擋光環組件放置在內壁經過特殊加工的吸光罩內，吸光罩內壁經過噴砂和發黑處理，極大程度減低了光線經系統內結構件反射后的光在吸光罩內壁發生的鏡面發射/漫反射，并減小了系統內部產生的雜散信號。在探測器件上，本文采用微光探測器和微光照度計分別進行探測，通過圖像和微光照度計測量出的數值可直觀地反映組件抑制效果；同時為了實現精確測量，在吸光罩入瞳處放置了參考照度計，對入射光線照度進行實時測量。

圖13 側面遮攔式擋光環測試系統

將微光探測器放置在組件后，按照設計位置進行放置，調整其積分時間進行成像，成像結果如圖14所示。通過對圖14中圖像縱向亮度分布進行分析可以發現，在視場范圍內，探測器接收到的能量沿軸方向逐漸降低，與理論計算中視場內能量變化的趨勢相吻合。

為了進一步分析組件的抑制效果，采用微光照度計對觀測屏軸方向上的能量分布進行采樣分析，并繪制擋光環組件雜散光抑制曲線，微光照度計的安裝位置如圖15所示。

雜散比可根據微光照度計接收能量與激光出射能量的比值來進行計算。理論計算曲線和微光照度計測試曲線如圖16所示?？梢园l現：微光照度計位置與水平方向的夾角<0.8°時，測試值略優于理論值；當角度>0.8°，系統雜散比小于10–9，即組件抑制能力優于10–9，與理論計算值存在10–1量級差距。通過分析，存在誤差的可能原因主要包括如下兩方面：1）樣件在加工時在刀口平臺處理上存在精度誤差，平面粗糙度沒有達到設計要求，光線在經過刀口后發生不可預見的散射/衍射現象，導致測試值高于理論計算值；2）由于測試位于十萬級潔凈室內，空氣中仍存在大量灰塵粒子，激光光線在空氣中傳播時發生部分散射現象[14,22]，部分光線未經擋光組件抑制便進入探測系統，微光照度計不僅接收到來自擋光環邊緣的衍射光，同時接收到來自大氣粒子的散射光，導致測試值略高于理論計算值。

圖14 微光探測器成像圖（左）及圖像縱向灰度值分布（右）

圖15 微光照度計位置示意

圖16 微光照度計測試值與理論值對比

4 結束語

本文針對我國太陽觀測任務中空間大視場日冕儀雜散光抑制需求，開展側面遮攔式日冕儀外掩體研制設計。首先從理論仿真研究出發，計算側面遮攔式擋光組件抑制能力，探索不同擋光環間距、擋光環階數、擋光環后截距等參數對于組件性能的影響，最終開展組件性能測試，利用微光探測器和微光照度計從圖像和數值兩方面進行驗證。結果表明，測試組件在十萬級潔凈度測試條件下衍射光抑制能力優于10–9。該項研究可為我國在空間太陽立體觀測、太陽物理學、空間天氣等領域的探索與發展提供助力。

[1] 楊孟飛, 代樹武, 王穎, 等. 太陽空間探測進展與展望[J]. 中國空間科學技術, 2022, 42(5): 1-10. YANG Mengfei, DAI Shuwu, WANG Ying, et al. Progress and Prospect of Solar Exploration in Space[J]. Chinese Space Science and Technology, 2022, 42(5): 1-10. (in Chinese)

[2] 季海生, 汪毓明, 汪景琇. 太陽的立體觀測[J]. 中國科學: 物理學力學天文學, 2019, 49(5): 40-47. JI Haisheng, WANG Yuming, WANG Jingxiu. Stereoscopic Observations of the Sun[J]. SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, 2019, 49: 40-47. (in Chinese)

[3] 吳季, 孫麗琳, 尤亮, 等. 2016–2030年中國空間科學發展規劃建議[J]. 中國科學院院刊, 2015, 30(6): 707-720. WU Ji, SUN Lilin, YOU Liang, et al. Prospect for Chinese Space Science in 2016–2030[J]. Bulletin of Chinese Academy of Sciences, 2015, 30(6): 707-720. (in Chinese)

[4] 王穎, 周文艷, 代樹武. 日地L4/L5點太陽立體探測任務初步設計[J]. 空間電子技術, 2018, 15(4): 68-74. WANG Ying, ZHOU Wenyan, DAI Shuwu. A Mission to the Sun-Earth L4/L5 for Solar Physics and Space Weather[J]. Space Electronic Technology, 2018, 15(4): 68-74. (in Chinese)

[5] 盧波, 張揚眉. 國外太陽觀測衛星發展狀況及未來態勢[C]//中國空間科學學會空間探測專業委員會全國空間探測學術研討會. [S.l.: s.n.], 2013. LU Bo, ZHANG Yangmei. The Status and Development Trend of Foreign Solar Observation Satellites[C]//National Conference on Space Exploration, Space Exploration Committee of Chinese Society of Space Science. [S.l.: s.n.], 2013. (in Chinese)

[6] 張紅鑫, 盧振武, 夏利東, 等. 白光日冕儀光學系統的雜散光抑制[J]. 光學精密工程, 2009, 17(10): 2371-2376. ZHANG Hongxin, LU Zhenwu, XIA Lidong, et al. Stray Light Suppressing of Optical System in White Light Coronagraph[J]. Optics and Precision Engineering, 2009, 17(10): 2371-2376. (in Chinese)

[7] 孫明哲, 張紅鑫, 盧振武, 等. 大視場日冕儀光學系統雜散光抑制[J]. 激光與光電子學進展, 2014, 51(5): 52203. SUN Mingzhe, ZHANG Hongxin, LU Zhenwu, et al. Stray Light Suppression of the Large Field of View Coronagraph Optical System[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2014, 51(5): 52203. (in Chinese)

[8] 張正正. 白光日冕儀雜散光抑制的關鍵技術研究[D]. 沈陽: 沈陽理工大學, 2014. ZHANG Zhengzheng. Research of the Key Techniques of White Light Coronagraph[D]. Shenyang: Shenyang Ligong University, 2014. (in Chinese)

[9] EYLES C J, HARRISON R A, DAVIS C J, et al. The Heliospheric Imagers Onboard the STEREO Mission[J]. Solar Physics, 2009, 254: 387-445.

[10] HOWARD R A, VOURLIDAS A, KORENDYKE C, et al. The Solar Orbiter Imager (SoloHI) Instrument for the Solar Orbiter Mission[C]//Solar Physics and Space Weather Instrumentation V, 25-26 August 2013, San Diego, California, United States. [S.l.: s.n.], 2013: 88620H.1-88620H.13.

[11] 孫明哲, 張紅鑫, 劉維新, 等. 側面遮攔式日暈光度計的雜散光理論分析[J]. 光子學報, 2017, 46(12): 69-77. SUN Mingzhe, ZHANG Hongxin, LIU Weixin, et al. Theoretical Stray Light Analysis of Side-baffled Sky Brightness Photometer[J]. Acta Photonica Sinica, 2017, 46(12): 69-77.

[12] LAVRAUD B, LIU Y, SEGURA K, et al. A Small Mission Concept to the Sun-Earth Lagrangian L5 Point for Innovative Solar, Heliospheric and Space Weather Science[J]. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2016, 146: 171-185.

[13] ALEXEI A P, LUCA B, PETER M, et al. What If We Had a Magnetograph at Lagrangian L5?[J]. Space Weather, 2016, 14(11): 1026-1031.

[14] DEFISE J M, HALAIN J P, et al. Design and Tests for the Heliospheric Imager of the STEREO Mission[C]//Proceedings of Innovative Telescopes and Instrumentation for Solar Astrophysics. [S.l.: s.n.], 2003: 12-22.

[15] DEFISE J M, HALAIN J P, MAZY E, et al. Design of the Heliospheric Imager for the STEREO mission[C]//Proceedings of SPIE 4498, UV/EUV and Visible Space Instrumentation for Astronomy and Solar Physics. [S.l.]: SPIE, 2001.

[16] BUFFINGTON A, JACKSON B V, KORENDYKE C M. Wide-angle Stray-light Reduction for a Spaceborne Optical Hemispherical Imager[J]. Applied Optics, 1996, 35(34): 6669-6673.

[17] BORN M, WOLF E. Principles of Optics[M]. 6 ed. New Nork: Pergamon Press, 1980: 634-643.

[18] 崔文樂. 菲涅爾衍射的數值計算及其應用的研究[D]. 保定: 河北大學, 2020. CUI Wenle. Study on Numerical Calculation of Fresnel Diffraction and Its Application[D]. Baoding: Hebei University, 2020. (in Chinese)

[19] 高探彪, 吳亞杰, 張建生. 菲涅爾衍射的數值計算[C]//陜西省物理學會2016年學術年會論文集. 西安: 陜西省物理學會, 2016: 80-84. GAO Tanbiao, WU Yajie, ZHANG Jiansheng. Numerical Calculation of Fresnel Diffraction[C]//Proceedings of 2016 Annual Academic Conference of Shaanxi Provincial Physical Society. Xi’an: Shaanxi Provincial Physical Society, 2016: 80-84. (in Chinese)

[20] AIME C. Fresnel Diffraction of Multiple Disks on Axis Application to Coronagraphy[J]. Astronomy Astrophysics, 2020, 637: A16.

[21] BOERSMA J. Diffraction by Two Parallel Half-planes[J]. The Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics, 1975, 28(4): 405-425.

[22] 埃里克·費斯特. 雜散光抑制設計與分析[M]. 于清華, 俞侃, 劉祥彪, 譯. 武漢: 華中科技大學出版社, 2019: 165-184. FEST E C. Stray Light Analysis and Control[M]. YU Qinghua, YU Kan, LIU Xiangbiao, Translated. WU Han: Huazhong University of Science and Technology Press, 2019: 165-184. (in Chinese)

[23] 石棟梁, 肖琴, 練敏隆. “高分四號”衛星相機雜散光分析與抑制技術研究[J]. 航天返回與遙感, 2016, 37(5): 49-57. SHI Dongliang, XIAO Qin, LIAN Minlong. Research on Stray Light Analysis and Restrain of GF-4 Satellite Camera[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(5): 49-57. (in Chinese)

[24] LIU Nianping, LIU Yu, SHEN Yuandeng, et al. Measurement of Sky Brightness and Suppression of Scattering in Sky Brightness Monitor[J]. Actronomica Sinica, 2011, 52(2): 160-170.

[25] 吳琪, 徐熙平, 徐亮, 等. 基于PST的雜散光測試系統研究[J]. 長春理工大學學報(自然科學版), 2018, 41(3): 16-21. WU Qi, XU Xiping, XU Liang, et al. Research on Stray Light Measurement System Based on PST[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2018, 41(3): 16-21. (in Chinese)

Side-Occulted front Baffle Design for Wide-Field CME Observation

SHAN Ruiyan ZHANG Zhuo DONG Lianqing WANG Yu Yang Lixing NIAN Wei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

For the stray light suppression requirement of the large field coronagraph for Chinese solar observation, this paper proposes a side-occulted front baffle design of the heliospheric imager for wide-field coronal mass ejection (CME) observation, which adopts a multi-vane baffle system to suppress the diffracted stray light from inner field of view. This paper simulates the baffles performance and explores the influence of several factors such as vane-vane distance, vane number and vane-camera distance on the performance of the baffle design based on Fresnel-Kirchoff’s diffraction theory. A test system suitable for weak stray-light signals is built, and the performance of the baffle design is verified from the image and value aspects by using the LLL detector and LLL illuminometer. According to the result, an optimized baffle design achieves straylight attenuation at the level of 10–9under class 100 000 cleanliness. This design could satisfy the requirement of stray light attenuation for the wide field CME observation.

side-occulted front baffle; heliospheric imager; coronal mass ejections; solar observation; space exploration

TH751；V447+.1

A

1009-8518(2023)05-0037-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.005

2022-10-27

單睿?, 張琢, 董聯慶, 等. 適用于大視場CME觀測的側面遮攔式外掩體設計[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(5): 37-45.

SHAN Ruiyan,ZHANG Zhuo,DONG Lianqing, et al. Side-Occulted front Baffle Design for Wide-Field CME Obervation[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 37-45. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）