日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪高稳定性设计与验证

段鹏飞 胡斌 汪勇 夏晨晖 王立科 王伟刚 毛一岚

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪高稳定性设计与验证

段鹏飞1胡斌1汪勇1夏晨晖1王立科1王伟刚1毛一岚2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094）（2 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094）

光谱仪主体的机热稳定性直接影响其光谱特性的稳定性，进而影响卫星地面物质反演精度。为了适应空间复杂的热流环境，实现在轨高稳定性定量化探测，陆地生态系统碳监测卫星的主要载荷日光诱导叶绿素荧光超光谱仪（简称超光谱探测仪）在光学、结构、热控等方面均开展了稳定性设计，文章基于超光谱探测仪的性能指标，针对全寿命周期在轨热流环境进行了光、机、热集成仿真分析，揭示了光谱仪性能的在轨表现，证明稳定性设计能够满足在轨定量化使用要求。光谱仪地面试验结果验证了主体机热设计能够满足稳定性要求。

光谱分辨率 光谱畸变 光谱位置 稳定性 超光谱仪 陆地生态系统碳监测卫星

陆地生态系统碳汇精确计量是实现“碳达峰、碳中和”双碳战略目标的关键，卫星遥感在评估全球尺度陆地生态系统碳汇时空变化等方面具有巨大优势。太阳诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）是生态系统光合作用过程中叶绿素分子在光照下发出的可见和近红外波长的电磁辐射[1-4]，卫星SIF遥感在估算全球陆地生态系统光合作用碳汇中拥有巨大潜力[1,5]。2015年欧洲航天局（ESA）的“荧光探索者”（Fluorescence Explorer，FLEX）项目是全球首个专项陆地植被SIF探测项目，目前发射计划推迟至2025年。FLEX高分辨通道的光谱分辨率为0.3nm，相应的光谱采样间隔0.1nm/探测器像元，单轨10min内光谱的稳定性要求不超过1/10光谱采样间隔（即0.01nm）[6-7]。中国2022年8月 4日成功发射了陆地生态系统碳监测卫星“句芒号”（TECIS），其上搭载的日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪（以下简称超光谱探测仪）是全球首个在轨专项SIF遥感载荷，光谱分辨率为0.3nm，分辨率的在轨稳定性要求不超过0.015nm[8]。

卫星SIF遥感的探测精度取决于遥感光谱仪器的光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置等指标，以及相关指标的在轨稳定性[5,9]。光谱仪在轨稳定性主要受到光谱仪光学系统敏感性、结构支撑稳定性等内部因素以及在轨热流温度环境等外部因素的影响，提高光谱仪在轨稳定性是高精度SIF卫星应用的基础。为了保证陆地生态系统碳监测卫星超光谱探测仪的在轨稳定性，其设计中采用了一系列光学、结构和热控手段，涉及光、机、热等多方面技术，需采用光机热集成分析来解决空间精密仪器在多种载荷作用下的耦合问题。有关空间光学遥感器的光机热集成分析国内外进行了很多的研究工作[10-13]，但针对空间光谱仪器的尚不多见，对于光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置的在轨稳定性研究尚不充分。本文研究了超光谱探测仪在轨成像过程中由外热流变化其引起的光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置的变化，对指标在轨稳定性进行了分析和论证；
同时通过地面试验验证了光谱仪的结构和热控设计能够满足其稳定性要求。

为满足SIF遥感的探测精度要求，陆地生态系统碳监测卫星对超光谱探测仪的光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置等性能提出严格的稳定性指标要求。

1.1 光谱分辨率稳定性

光谱仪的仪器线型函数（Instrument Linear Shape，ILS）的半峰宽（Full Width at the Half Maxima，FWHM）（如图1所示）和光谱采样间隔的乘积即为光谱分辨率[5,9]。其中仪器线型函数的半峰宽是指探测器像面上特定光谱半峰展宽的像元数；
而光谱采样间隔是光谱仪特定视场探测器像元上，特定光谱色散的波长展宽范围。

光谱分辨率（Δ）代表着光谱仪可以分辨波长差超出Δ范围的两个光谱线，它决定了仪器的色谱分辨本领。光谱分辨率在轨稳定性则是指空间环境里Δ保持其计量恒定的能力，超光谱仪光谱分辨率的高稳定性是其在轨实现SIF探测的基础。超光谱仪的光谱分辨率指标要求不大于0.3nm，光谱分辨率在轨稳定性的要求为不超过0.015nm。

1.2 光谱畸变稳定性

光谱仪的畸变分为两部分：光谱畸变（Smile）和空间畸变（Keystone）[5,9]。其中Smile是指单色光谱线的弯曲，现象为当光谱仪的视场光阑（通常为狭缝）被均匀的单色谱光照明时，在探测器阵列上得到的狭缝像不是完全的直线。Smile会导致光谱仪图像波长之间混淆。光谱仪探测器阵列上空间位置的放大率一般会随着波长而改变，这种空间位置放大率不一致带来的畸变称之为Keystone，该畸变会导致光谱仪图像视场之间混淆。光谱方向畸变和空间方向畸变如图2所示。

图1 仪器线型函数和半峰宽

图2 光谱畸变和空间畸变

超光谱仪光谱畸变的高稳定性是在轨实现SIF定量化探测精度的重要保证。超光谱仪的Smile和Keystone的指标值要求小于0.3个探测器像元，畸变的稳定性要求其小于0.15个像元。

1.3 光谱位置稳定性

光谱位置是特定波长光谱线在光谱仪探测器像面上响应的像元位置，光谱仪像面的像元位置与仪器输入的光谱线波长一一对应。超光谱仪光谱位置的高稳定性是在轨实现SIF定量化探测精度的基础。超光谱仪的光谱位置的稳定性要求为光谱位置的偏移小于0.5个像元。

高稳定性是超光谱仪的基本要求，一方面需要高稳定的外部环境，如环境温度等的高稳定；
另一方面需要光谱仪具备对外部环境很高的适应能力，如性能指标对外部环境温度、安装边界等变化的不敏感。要得到光谱仪对外部环境的高适应性，需要加强仪器内部光学系统、光机结构等对外部环境的适应能力。卫星入轨后每轨都要经历轨道的阳照区和阴影区，温差大且变化剧烈，要得到高稳定的在轨温度条件，光谱仪需要在轨进行精密的恒定温度控制。基于超光谱仪的高稳定性指标要求，需要从低敏感光学系统、高稳定光机结构、高精度热控等方面进行光谱仪主体稳定性设计。

2.1 低敏感光学系统设计

超光谱仪光学系统F数2.8，焦距185mm，视场角为3.9°，光谱分辨率优于0.3nm，属于高灵敏度的小F数精密分光型光学系统。低敏感光学系统通过设计矫正镜面、倾斜光学元件、调整镜间距等优化措施减小对温度的敏感度。20℃设计温度时，光学系统探测器像面上光谱分辨率0.28nm，Smile和Keystone分别小于0.2个像元。当环境温度变化±3℃时，光学系统光谱分辨率、Smile和Keystone相比设计温度20℃状态下的数值保持不变，光谱位置移动量不超过±0.05个像元，远优于稳定性需求。光学系统受全温度场的影响情况如表1所示。

表1 全温度变化对光学系统的影响

光学系统温度敏感性还需考虑梯度温度场的影响。本文分析了光学系统透镜中心到边缘温差分别为0.1℃，0.2℃，0.3℃的梯度温度场对光学系统性能影响，结果表明：温度变化±3℃范围时，光谱分辨率、Smile和Keystone结果相对于设计温度（20℃）时的结果保持不变，光谱位置移动量在5×10-3像元，远优于稳定性需求。具体数据如表2所示。

表2 梯度温度场对光学系统影响

2.2 高稳定主体结构设计

卫星在轨受外热流的影响，其结构会产生热变形，热变形传递到超光谱仪主体结构上，会带来系统内光学元件、光敏元件的镜间距、倾角等空间几何关系的变化，从而影响系统光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置等指标。结构稳定性是遥感器光机系统结构在空间环境综合作用下性能的综合描述，它与光学系统的成像品质联系起来，可以作为光机系统结构设计的评判标准。对光机结构位置误差所导致的光学系统波前误差的分析表明，光机主体结构的一体化安装设计能够减小单位热载荷所产生的各类结构误差，进而降低结构误差导致的光学系统波前误差，对于保证系统几何精度具有重要作用[14]。超光谱仪光学系统设计了反射镜、透镜、光栅、棱镜等数十个光学元件，数量多，规模大，布局复杂。光机主体总体结构布局遵循一体化安装的设计思路，将数十个光学元件集成安装在同一个主承力主体结构上。光机主体的一体化结构如图3所示。

图3 一体化光机主体结构

卫星平台的热变形通常会以强迫位移的形式传递到遥感器主体上，影响光机结构的稳定性。卫星平台热变形带来的强迫位移通常在0.03～0.05mm，以此数据对光机主体结构进行强迫位移测试，验证主体结构抗强迫位移载荷的能力。测试过程中，在主体结构安装位置垫入相应强迫位移量所对应厚度的塞尺，观察光谱分辨率等性能指标的变化情况，测试结果见表3。可以看到，强迫位移量在0.3mm时性能指标依然保持足够的稳定性，这不仅验证了一体化安装设计对保证结构稳定的有效性，还表明主体结构具有足够的刚度对抗在轨外部热变形带来的影响。

表3 主体强迫位移测试结果

2.3 高精度热控设计

超光谱仪主体采用高精度主动和被动控温设计。主体设计了30路高精度主动控温回路，采用补偿加热的方式来保证结构的温度稳定性，同时主体整体采用多层隔热组件包裹，实现被动控温，隔绝外部热流变化对主体结构温度的影响。高精度控温措施下，超光谱仪主体光机组件在轨温度波动不大于0.2 ℃。此外，针对性能敏感的部位（如光栅、棱镜等），超光谱仪采用自适应控温阈值、差异化局部热流密度等专项热控措施，实现在轨温度波动小于0.1 ℃的零波动设计。设计结果优于0.3℃温度波动的设计要求。

为了判断光谱仪主体能否满足严苛的性能稳定性要求，采用系统集成分析方法，通过计算在轨温度场的改变给光谱仪性能带来的变化，分析主体在轨的稳定性，为主体的结构和热控协同设计以及地面图像校正提供依据。

3.1 分析方法

系统集成分析的关键在于热学、力学、光学分析模型之间数据的传递。分析流程主要包括：1）建立光谱仪主体三维结构实体模型，在此基础上分别建立热分析模型、力学分析模型和光学分析模型；
2）分析模型建立后，根据卫星在轨姿态进行主体温度场分析，在此基础上进行温度场到力学分析模型的映射，然后将映射来的温度场作为温度载荷进行主体热变形位移场分析；
3）根据主体结构热变形位移场提取出光学镜面的刚体位移和高阶面形数据，并输入到光学分析模型，利用光学分析模型进行光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置等光学性能的分析，给出稳定性评价[15]。具体流程见图4。

图4 系统集成分析流程

当光谱仪随卫星在轨运行时，太阳直射角度和地球反照角度均在实时变化，因此卫星受到的太阳直射辐照、星体结构表面反射辐照、地球反射辐照以及地球红外辐射等在轨外热流条件也处于实时变化中。热分析模型综合考虑在轨外热流的变化、电子学元器件工作热耗，以及主体主动和被动控温措施的共同作用，分析光谱仪在轨极端高温和极端低温工况下的温度情况。通过分析可以明确在轨温度差异小，从而保证仪器在轨长期的性能稳定。

3.2 分析工况

陆地生态系统碳监测卫星运行于太阳同步轨道，轨道高度506km，每轨飞行时间约90min。本文分析的极端低温工况为寿命初期，多层隔热组件未发生退化，在轨时机是夏至日时，外热流最小，对应光谱仪全寿命周期内最低工作温度状态。极端高温工况为寿命末期，多层隔热组件等控温措施退化，在轨时机是冬至日时，外热流最大，对应光谱仪全寿命周期内最高工作温度状态。极端工况覆盖了光谱仪在轨遍历的温度环境，能够代表在轨成像期间的稳定性。

3.3 稳定性分析结果

比较低温、高温工况下光谱仪成像时的温度场分布结果（如图5所示），可以看到，在控温措施的作用下超光谱仪主体的温度场变化很小。

图5 低温和高温工况主体温度场分布

图6以望远组件、成像组件和光栅组件为例，给出了在轨运行过程中超光谱仪主体内各位置的温度变化范围。可以看到，望远组件和成像组件在外热流和控温措施作用下，组件温度呈周期性变化，其中望远组件在轨全周期温度变化0.19℃，成像组件的温度变化为0.17℃，而光栅组件在专项控温措施下，在轨温度变化小于0.1℃，几乎无变化。

图6 主体内结构温度在轨周期变化情况

将得到的温度场映射到力学分析模型中来进行结构热变形分析，得到超光谱仪主体的变形位移场，结果如图7所示。

图7 低温和高温工况主体位移场分布

提取各光学镜面位移场数据进行Zernike多项式拟合，得到各光学镜面的刚体位移和高阶面形。将刚体位移和面形数据带入光学分析模型中，计算得到环境温度下光学系统的光谱分辨率、光谱畸变以及光谱位置等指标数据，并将这些数据与指标要求进行对比分析，结果见表4。可以看到，低、高温工况下性能指标分析结果均符合指标要求。性能指标的分析值与设计值的差异可用来表征性能指标的稳定性，根据表4的结果，性能稳定性同样满足指标要求。

表4 各工况性能指标及其稳定性的仿真分析结果

结合超光谱探测仪所进行的地面真空热试验，对光谱分辨率、光谱畸变等光谱指标的满足情况，以及在轨稳定性进行了测试，以验证全寿命周期在轨温度水平对光谱成像品质的影响。真空热试验在真空模拟环境试验室进行，模拟室内可实现不高于1.3×10–3Pa的空间真空环境和不高于100K的空间热沉环境的模拟，在轨外热流环境则是通过红外笼热流工装和电加热器模拟来实现。

真空热试验涵盖了低温和高温工况，各工况环境下超光谱仪各组件的温度试验结果见表5，性能指标及其稳定性的测试结果见表6，可以看出各项结果均符合指标要求。

表5 超光谱仪各组件的温度试验结果

表6 各工况性能指标及稳定性试验测试结果

由地面验证试验结果可知，超光谱仪性能指标及其稳定性均满足卫星总体需求，性能优异，能够满足严苛的在轨稳定性任务要求。

本文通过光机热集成分析方法，对陆地生态系统碳监测卫星的超光谱探测仪在轨复杂温度环境下的光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置等成像指标和稳定性指标进行了仿真分析和评估，并结合地面热真空试验，对性能指标及其稳定性的在轨满足情况进行了试验验证。仿真分析和地面试验结果表明，超光谱仪性能能够满足严苛的在轨稳定性任务要求，性能优异。本文给出的超光谱仪的分析方法和试验，对具有定量化需求的空间光谱光学遥感器的研制和验证具有借鉴意义。

陆地生态系统碳监测卫星于2022年8月4日在太原卫星发射中心发射成功，目前已在轨稳定运行个 4月（截止2022年12月初），相关在轨测试和标定正在进行中，所获取的光谱图像细节清晰，层次丰富，稳定性满足要求。超光谱仪通过一系列有效设计方法实现了光谱分辨率、光谱畸变、光谱位置在轨高稳定性要求，对卫星高精度SIF反演发挥了关键作用，对推动我国定量化卫星的探测精度达到国际先进水平做出了重要贡献。

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High Stability Design and Verification of the Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer

DUAN Pengfei1HU Bin1WANG Yong1XIA Chenhui1WANG Like1WANG Weigang1MAO Yilan2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 Institute of Remote Sensing Satellite, China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China）

The optical, mechanical and thermal stability of structure has impact on the spectral performance stability of the spectrometer, which ultimately affects the inverse accuracy of substance on the Earth’s surface. To fit the complex thermal environment in orbit, and realize high stability quantitative detection, design of the opto-mechanical-thermal stability design has been applied to the solar-induced chlorophyll fluorescence imaging spectrometer of the Terrestrial Ecological Carbon Inventory Satellite, and an integrated analysis based on the spectrometer performance, in view of the whole life inorbit, has been carried out, which reveals the in orbit performance of the spectrometer. The verification on the ground shows that the structural stability can meet the task requirements.

spectral resolution; spectral distortion; spectrum distribution; stability; hyper-spectrometer; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite

V445.8

A

1009-8518(2022)06-0097-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.010

2022-10-19

国家重大科技专项工程

段鹏飞, 胡斌, 汪勇, 等. 日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪高稳定性设计与验证[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(6): 97-105.

DUAN Pengfei, HU Bin, WANG Yong, et al. High Stability Design and Verification of the Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6): 97-105. (in Chinese)

段鹏飞，男，1984年生，2010年获中国科学院力学研究所工程力学专业硕士学位，高级工程师。主要从事空间光学精密遥感器集成设计与分析工作。E-mail：dpfei1949@163.com。

（编辑：夏淑密）