FY_2E卫星杂散光评价与分析

FY-2E卫星杂散光评价与分析
陈博洋1，李欣耀2，郭强1，陈福春2
（1.国家卫星气象中心中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室，北京 100081；
2.中科院上海技术物理研究所，上海 200083）
摘要：通过FY-2E卫星可见光通道、红外1、红外2、红外3、红外4通道的杂散光评价，并且和FY-2D
卫星发射初期的各通道杂散光评价对比，得到了FY-2E卫星可见光通道杂散光能量和FY-2D卫星可
见光通道杂散光能量基本持平、其中A机通道性能略有提高，红外1、红外2、红外3、红外4各通
道的杂散光绝对能量相比FY-2D卫星各红外通道杂散光绝对能量下降约30%～40%、其中红外2通道
信杂比明显提高的结论；分析发现，是FY-2E卫星光路系统中的里奥光栏在降低杂散光方面发挥了巨
大的作用。

关键词：FY-2E卫星；杂散光；信杂比；里奥光阑
中图分类号：TP722.4 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2010)11-0636-04
Estimate and Analysis for Stray Light of FY-2E Satellite
CHEN Bo-yang1，LI Xin-yao2，GUO Qiang1，CHEN Fu-chun2
(1. National Satellite Meteorological Center, Key Laboratory of Radiometric Calibration and Validation for Environmental Satellite,
China Meteorological Administration, Beijing 100081, China；
2.Shanghai Institute of Technical Physics, Shanghai 200083, China)
Abstract：After estimate for stray light of FY-2E satellite, and comparison to stray light of FY-2D satellite, there is the conclusion that visible stray light of FY-2E is similar to that of FY-2E satellite, and A detector is better, in infrared channels, the stray light is less 30%-40% than that of FY-2D, especially, in infrared channel 2, SNR is higher than that of FY-2D. By the analysis, lyot stop is the useful way to reduce stray light.
Key words：FY-2E satellite，stray light，SNR，lyot stop
引言
FY-2E卫星是我国第三颗业务静止气象卫星，已于2008年12月23日在西昌卫星发射中心由长征三号甲运载火箭成功发射升空，定点于东经123.5°赤道上空。

国家卫星气象中心组织人力对FY-2E卫星进行了在轨测试，在轨测试表明，卫星系统功能正常、性能良好，除三年寿命和可靠性尚待继续考验外，卫星功能、性能符合《风云二号02批卫星研制总要求》，可以投入业务使用。

杂散光能量是卫星在轨测试项目中的重要指标，对卫星载荷的质量确定、遥感数据的定量应用等有重要作用，FY-2E卫星在轨测试表明，E星的杂散光绝对能量相比D星有了比较大的下降，通过分析发现，是扫描辐射计中的里奥光阑在降低杂散光能量方面发挥了巨大的作用。

通过杂散光在轨测试和分析，进一步明确了降低杂散光的方法，为后续的静止气象卫星设计、遥感数据定量应用打下了基础。

1 FY-2E杂散光评价
FY-2E卫星有效载荷扫描辐射计共有5个通道：1个可见光通道和4个红外通道，分别对可见光（VIS）通道、红外1（IR1）通道、红外2（IR2）通道、红外3（水汽，IR3）通道和红外4（IR4）通道进行了杂散光评价。

1.1 可见光通道杂散光评价
636
637
FY-2E 卫星可见光通道杂散光典型空间分布：
FY-2E 的可见光图像为6 bit 量化，
为了便于观察杂散光的分布范围，图1(a)和图1(b)都做了8 bit 拉伸显示。

图1(a)2009年1月15日04:00(UTC)点FY-2E 的可见光图像，图1(b)为该时次图像的圆盘外杂散光分布。

通过和FY-2D 卫星的可见光通道杂散光分布对比可以知道，FY-2E 卫星和FY-2D 卫星的杂散光分布范围基本相当。

进一步的定量分析表明：FY-2E 卫星的地球圆盘外的杂散光最高计数值为6，对应的电压值为144.6 mV ；另一方面，该时次图像的动态范围为62，对应的电压值为4810.2 mV 。

因此，当以电压值为能量基准时，最大杂散光约占系统最高能量的3%；从杂散光的空间分布和杂散光与最大能量的百分比评价，FY-2E 卫星的杂散光水平与FY-2D 基本持平（FY-2D 的杂散光能量比是3.4%）。

为了测试FY-2E 卫星备用通道和主通道的响应一致性，我们选择2009年2月23日04:30（UTC ）的FY-2E 备用通道可见光图像做了分析，该时次可见光图像的杂散光最高计数值为8，对的电压值为183 mV ；另一方面，该时次图像的动态范围为63，对应的电压值为4978.2 mV 。

因此，当以电压值为能量基准时，最大杂散光约占系统最高能量的3.6%，和主通道性能基本一致。

1.2 IR1（10.3～11.3 µm ）通道杂散光评价
1）FY-2E 卫星IR1通道杂散光典型空间分布 这里选择FY-2E 卫星2009年1月15日04:00（UTC ）IR1通道图像做分析评价，给出该通道的原始图像（高8位）及其地球圆盘外杂散光空间位置分布图像，分析结果如图2(a)和图2(b)所示。

需要说明的是，为了更好的反映杂散光在地球圆盘外的空间分布，图2(b)用探测信息的低2位来表示，并经过了线性增强处理。

显然，FY-2E 卫星IR1通道在地球圆盘外受到杂散光的影响，和FY-2D 卫星的IR1通道杂散光评价对比，FY-2E 卫星的四个红外通道的起始量化电平降低到约29mV ，增强了对低温探测的能力，同时杂散光也得到了比较好的抑制。

2）FY-2E 卫星IR1通道杂散光性能指标定量评价 为了分析FY-2E 卫星IR1通道杂散光水平及其相关的能量指标，这里选择了2009年1月15日00:00～23:00（UTC ）FY-2E 卫星IR1通道连续24小时的数据做评价，上述数据分别分析了相应的信杂比指标，数据如表1所示。

为了和FY-2D 卫星的性能指标对比，我们在同一张图里画出连续24h 的FY-2E 卫星和FY-2D 卫星的IR1通道杂散光均值，如图3所示，图中的圆圈连线是FY-2D 卫星发射初期连续24h 的杂散光能量曲线，图中的星连线是FY-2E 卫星连续24h 的杂散光能量曲线，可以看出FY-2E 卫星的杂散光绝对能量相比FY-2D 卫星的杂散光绝对能量有比较大的下降。

(a) FY-2E 的可见光图像 (b) FY-2E 的可见光杂散图像
图1 FY-2E 星可见光图像和杂散光图像
Fig.1 Visible light image and visible stray light image of FY-2E
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(a) FY-2E 卫星IR1通道高8位图 (b) FY-2E 卫星IR1圆盘外杂散光图像
图2 FY-2E 星红外1通道图像和红外1通道杂散光图像 Fig.2 IR1 image and IR1 stray light image of FY-2E
表1 FY-2E 卫星IR1通道能量指标 Table 1 Energy parameters of IR1 channel of FY-2E
备注：*表示该时次受太阳光直射望远镜影响。

FY-2E IR1（10.3～11.3 µm ） 2009-1-15（UTC ） 时次
最大有效目标/mV
杂散计数值
杂散均值/mV
信杂比/dB
00:00 4197.7 5 53.9 37.82 01:00 4451.2 5 53.9 38.33 03:00 4884.5 5 53.9 39.14 04:00 4956.5 5 53.9 39.27 05:00 4978.2 5 53.9 39.30 06:00 4864.5 5 53.9 39.10 07:00 4664.8 5 53.9 38.74 08:00 5190.2 5 53.9 39.67 09:00 4077.5 5 53.9 37.57 10:00 3829.1 5 53.9 37.03 11:00 3675.1 5 53.9 36.67 12:00 3555.5 5 53.9 36.38 13:00 3495.7 5 53.9 36.23 14:00 4317.4 5 53.9 38.07 15:00* 3540.6 6 58.8 35.59 16:00* 3395.9 4 49 36.81 17:00*
3375.9 5 53.9 35.93
18:00 3650.2 5 53.9 36.61 19:00 3326.2 5 53.9 35.80 20:00 3321.3 5 53.9 35.79 21:00 3430.9 5 53.9 36.07 22:00 3445.9 5 53.9 36.11 23:00 3724.9
5
53.9 36.79
639
图3 FY-2E 、FY-2D 卫星IR1通道杂散光均值比较 Fig.3 Average stray light voltage comparison for IR1 channels
of FY-2E, FY-2D
通过分析表1中的数据并参照图3可以得出如下基本结论：
（1）FY-2D 、FY-2E 的IR1通道均处于红外波段的长波窗区内，因而对地面热源有一定的灵敏度，因此在03:00～06:00（UTC ）附近各通道的最大有效目标值均能达到最大，并在一天内呈周期变化；
（2）FY-2E 卫星的IR1的杂散光平均能量（约55 mV ）要明显小于FY-2D 卫星的IR1，杂散光平均能量（约75 mV ），绝对能量下降，但由于两颗卫星所观测到的目标存在一定差异，FY-2E 观测的整体目标能量也小于FY-2D ，因此二者的信杂比指标相当。

（3）在15:00（IR1通道）时左右，由于太阳光直射镜筒导致通道杂散光能量显著提高，图像性能恶化，可能对定量化应用有一定影响。

1.3 FY-2E 卫星图像杂散辐射总体评价
由于测试原理的一致性和文章篇幅限制，FY-2E 卫星的IR2、IR3和IR4通道的杂散光辐射评价过程
就不再详细列出，只给出评价结果，具体的评价过程
可查阅“FY-2E 卫星图像质量分析组在轨测试报告”。

FY-2E 卫星图像杂散辐射总体评价： （1）可见光通道杂散光与FY-2D 卫星分布范围基本相当，整体能量相当，其中主通道性能得到一定改善。

（2）IR1、IR2、IR3及IR4通道杂散光与FY-2D 相比，绝对能量降低30%～40%；其中，IR2通道的信杂比得到明显提高。

（3）午夜前后由于太阳对镜筒直射的影响，可见光、IR3、IR4图像中出现明显的杂散辐射，与FY-2C/D 情况类似。

（4）FY-2E 主通道和FY-2E 备用通道的性能接近。

2 FY-2E 杂散光分析
FY-2E 卫星的杂散光评价结果显示，红外各通道的杂散光绝对能量均有大幅度下降，达到30%～40%，分析E 星和D 星在光路设计中的最大不同是E 星在红外探测器管壳窗口处设置了里奥光阑，如图4所示。

分析一下里奥光阑的作用。

红外定标目的是确定辐射计的响应率R ，V 目－V 0＝R *Φ(T 目)。

为精确拟合曲线，对输出电平V 目－V 0和目标黑体辐射通量Φ(T 目)两组数据一直采用二次多项式拟合，V 目－V 0＝a * Φ(T 目)2＋b *Φ(T 目)＋c 。

其中常数项c 的意义是零输入时辐射计的电压输出，反映了辐射计的仪器背景杂散辐射，通过设置里奥光阑，探测器看得见的机械件关键面立体角变小，导致了常数项c 的变小：常数项c 的变化能够验证增设里奥光阑的效果。

表2所示的实验比较了D 星和E 星辐射计在辐冷93.6 K 时，①主镜5℃、次镜10℃；②主镜5℃、次镜14℃；③主镜8℃、次镜17℃，3种工况下的参数c 。

图4 FY-2E 卫星红外通道的里奥光阑示意图
Fig.4 Lyot stop for IR channels of FY-2E （下转第644页）
芯片 滤光片
元件窗口里奥光阑
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（上接第639页）
表2 FY-2E星和FY-2D星红外定标参数c对照表
Table 2 Comparison between c parameters from IR channels of FY-2D and FY-2E
IR1 IR2 IR4 WV 工况主/备
D星E星D星E星D星E星D星E星
A 62.043
2.083162.54710.72787.69730.85238.542 0.4313
1
B 61.605
5.865259.0129.994465.37128.83137.185 3.7726
A 64.322
3.638159.3417.005382.80920.58240.752 0.6621
2
B 61.970
9.898665.91914.26665.64530.53844.455 -0.1108
A 67.871
3.604466.72612.40880.39325.31241.380 1.22
3
B 60.930
1.95126
2.40711.35461.88926.29038.575 2.05
E星辐射计的常数c，数值上在IR1、IR2、IR4和WV四个通道分别降到D星的8%，17%，37%和4%。

图形上表现为定标曲线的纵轴截距更趋近于零：这表明里奥光阑对辐射计各个通道的仪器背景杂散辐射都发挥了明显的抑制作用，同时不遮挡红外信号光，能够有效的改善系统信杂比。

3 结论
文章通过对FY-2E卫星的各通道杂散光辐射评价并与FY-2D卫星的各通道杂散光辐射对比，得到了FY-2E卫星可见光通道杂散光能量和FY-2D卫星可见光通道杂散光能量基本持平、其中A机通道性能略有提高，红外1、红外2、红外3、红外4各通道的杂散光绝对能量相比FY-2D卫星各红外通道杂散光绝对能量下降约30%～40%、其中红外2通道信杂比明显提高的结论；并且根据FY-2E卫星和FY-2D卫星在光路设计上的最大不同：增加里奥光阑，分析了里奥光阑能够在不遮挡红外信号光的同时，可以有效抑制各通道的杂散辐射能量。

文章的结果对FY-2E卫星的在轨运行质量做了定量评价，也佐证了里奥光阑对杂散光抑制效果的理论分析，对后续静止气象卫星的仪器设计提供了有力的证据，为卫星遥感数据的定量应用做了有益的研究。

参考文献：
[1] 郭强, 陈博洋, 等. FY-2E卫星图像质量分析组在轨测试报告[R].
[2] 国家卫星气象中心. 风云二号D星在轨测试报告[R].
[3] 李欣耀, 等. 里奥光阑复核复算实验文档.
644。