典型星載遙感器光學(xué)系統(tǒng)總劑量效應(yīng)防護(hù)方法與設(shè)計(jì)

張旭輝，趙學(xué)敏，李興冀

（1.北京空間機(jī)電研究所 中國空間技術(shù)研究院空間光學(xué)遙感器技術(shù)核心專業(yè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

0 引言

光學(xué)系統(tǒng)是星載光學(xué)遙感器的核心部分之一，由多種、多個(gè)光學(xué)元件組成，包括反射元件、透射元件及光學(xué)濾光元件等。不同種類的光學(xué)元件所表征的物理參量不同，所受空間輻射損傷影響也不盡相同，其空間輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)為光學(xué)元/部件的輻射損傷、著色與放電損傷、光學(xué)涂層的輻射退化、光學(xué)表面的輻射污染等[1-6]。對星載光學(xué)遙感器而言，輻射對光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的總劑量效應(yīng)將導(dǎo)致遙感器光譜漂移、離焦、分辨率下降等，從而使遙感器性能衰減甚至功能喪失。因此，在進(jìn)行光學(xué)遙感器總體或光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須依據(jù)軌道參數(shù)、輻射環(huán)境等技術(shù)參數(shù)考慮空間環(huán)境所引起的輻射效應(yīng)，開展光學(xué)系統(tǒng)輻射防護(hù)設(shè)計(jì)。

本文給出了降低遙感器光學(xué)系統(tǒng)輻射環(huán)境惡劣部位輻射總劑量的針對性局部防護(hù)方法和設(shè)計(jì)過程，以及優(yōu)化后的工程實(shí)施參數(shù)和防護(hù)效果。

1 遙感器光學(xué)系統(tǒng)模型

遙感器光學(xué)系統(tǒng)一般主要由望遠(yuǎn)光學(xué)、中繼光學(xué)及光學(xué)窗口等部分組成，其在探測光譜范圍、探測光譜譜段多少、探測光譜細(xì)分程度高低等方面存在一定差異。圖1為典型的單譜段遙感器光學(xué)系統(tǒng)原理圖，主要由主鏡、次鏡、校正鏡、折轉(zhuǎn)鏡及濾光鏡等組成。圖2為典型的多譜段遙感器光學(xué)系統(tǒng)原理圖，主要由掃描鏡、主鏡、次鏡、中繼光學(xué)及濾光鏡等組成。一般而言，光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)部件在遙感器中沿光路走向分布于遙感器主體入光口、遙感器主體中部及遙感器主體焦平面附近。

圖2 多譜段遙感器光學(xué)系統(tǒng)原理示意Fig.2 The principle of optical system on the multispectral remote sensor

2 遙感器光學(xué)系統(tǒng)抗輻射能力總體分析

遙感器光學(xué)系統(tǒng)是否滿足在軌抗總劑量輻射要求取決于2方面：一是其周圍的輻射環(huán)境嚴(yán)酷程度；二是其本身固有的抗輻射特性優(yōu)劣。對于一個(gè)特定的光學(xué)系統(tǒng)，其抗總劑量輻射的能力主要依賴于光學(xué)系統(tǒng)各部件在遙感器中的位置及其周圍的空間屏蔽情況。

光學(xué)遙感器光學(xué)系統(tǒng)中除對外觀測窗口鏡體直接暴露外，其他各光學(xué)部件周圍均有遙感器結(jié)構(gòu)屏蔽層保護(hù)；相較于其他部位光學(xué)部件，對外觀測窗口鏡體所處的輻射環(huán)境最為惡劣，其抗輻射能力也相對薄弱。

圖3和圖4分別為典型的單譜段和多譜段遙感器光學(xué)系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)模型。分析遙感器的結(jié)構(gòu)屏蔽特點(diǎn)和光學(xué)系統(tǒng)布局可以看出，圖3中的主鏡、次鏡和圖4中的掃描鏡處于遙感器光學(xué)系統(tǒng)中輻射環(huán)境最為惡劣的位置。通過對結(jié)構(gòu)模型的輻射屏蔽和輻射劑量的三維分析計(jì)算，光學(xué)系統(tǒng)各部位的總劑量分布結(jié)果也驗(yàn)證了這一分析結(jié)論。

圖3 單譜段光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The structure model of the single spectral remote sensor

圖4 多譜段光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)模型Fig.4 The structure model of the multispectral remote sensor

利用中國空間技術(shù)研究院“航天器空間環(huán)境與效應(yīng)分析（SEES）”軟件，對圖3所示的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了輻射總劑量三維分析計(jì)算。表1給出了其光學(xué)系統(tǒng)中各鏡體處太陽同步軌道5年壽命期輻射總劑量預(yù)示值。計(jì)算結(jié)果顯示，遙感器中主鏡（第一接收地物信息的鏡體，即第一鏡）處的總劑量預(yù)示值最大，所處輻射環(huán)境最為惡劣。

表1 遙感器中光學(xué)系統(tǒng)各部位輻射總劑量計(jì)算結(jié)果Table 1 The calculated data of the total radiation dose on the optical system parts of the remote sensor

從表1數(shù)據(jù)可以看出，該模型中光學(xué)系統(tǒng)各光學(xué)部件所在位置輻射劑量處于不均勻狀態(tài)，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式（即無屏蔽）下，其主鏡處的輻射劑量預(yù)示值約為其他部位（次鏡、濾光鏡、第三鏡、折轉(zhuǎn)鏡）的4～40倍。

同理，對于圖4所示的遙感器結(jié)構(gòu)模型，其掃描鏡（第一接收地物信息鏡體）處的輻射劑量預(yù)示值最大，亦為其他部位（主鏡、次鏡、中繼光學(xué)、濾光鏡）的數(shù)倍。

可見，對于一個(gè)特定的光學(xué)系統(tǒng)，通過采取防護(hù)措施降低輻射劑量預(yù)示值最大處的輻射劑量，即可大大提高遙感器光學(xué)系統(tǒng)的綜合抗輻射能力。

3 光學(xué)系統(tǒng)抗輻射局部防護(hù)方案分析

從遙感器系統(tǒng)分析模型輻射劑量分布計(jì)算結(jié)果（表1）看，在當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式（即無 Al屏蔽）下，如進(jìn)一步對圖1中各鏡體增加屏蔽厚度，與相機(jī)暴露窗口對應(yīng)的主鏡處的輻射劑量改善最為顯著。這說明，總劑量預(yù)示值最大的部位相較光學(xué)系統(tǒng)其他部位而言，其劑量值的貢獻(xiàn)差異主要來源于遙感器暴露窗口（對地觀測窗口）。

一般而言，結(jié)構(gòu)屏蔽是降低總劑量效應(yīng)影響的最有效手段。采用屏蔽方法，以降低實(shí)際輻射劑量為目的，有2種可行的輻射防護(hù)方案：一是對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)；二是在鏡頭前方對鏡頭進(jìn)行屏蔽保護(hù)。對于具有一定結(jié)構(gòu)模式的遙感器來講，第2種方案無疑是降低遙感器中最惡劣輻射環(huán)境部位輻射劑量最為簡便有效的手段。

在軌非連續(xù)工作的光學(xué)遙感器，如處于太陽同步軌道的光學(xué)遙感器，通常采用間斷工作模式，關(guān)機(jī)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作時(shí)間（一般情況下，工作時(shí)間約是關(guān)機(jī)時(shí)間的1/4～1/10）。這種工作模式為在鏡頭前方（遮光罩端口）對鏡頭實(shí)施屏蔽保護(hù)提供了可行的必要條件。采取加裝防護(hù)蓋方案，則光學(xué)遙感器的在軌工作模式為：開機(jī)時(shí)間鏡頭防護(hù)蓋打開；關(guān)機(jī)時(shí)間鏡頭防護(hù)蓋關(guān)閉。

防護(hù)蓋防護(hù)方案實(shí)施后，可使遙感器在軌期間的大部分時(shí)間處于屏蔽封閉保護(hù)狀態(tài)，大大減少鏡頭的直接暴露時(shí)間，也因屏蔽作用使原裸露鏡體處的輻射環(huán)境得到極大改善，從而減弱空間輻射環(huán)境對原裸露鏡體的輻射效應(yīng)影響。

4 光學(xué)系統(tǒng)抗輻射局部防護(hù)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)原則

光學(xué)系統(tǒng)抗輻射局部防護(hù)設(shè)計(jì)采用防護(hù)蓋方案時(shí)，主要遵循2個(gè)原則：一是能有效降低輻射環(huán)境最惡劣部位的輻射劑量；二是滿足工程實(shí)際實(shí)施應(yīng)用。工程實(shí)現(xiàn)方面應(yīng)考慮原材料的選擇、最小重量原則及安裝可行性、可靠性等。

以上幾方面經(jīng)常是相互聯(lián)系、不可分割的。

4.2 設(shè)計(jì)過程

為了實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)的工程化應(yīng)用，進(jìn)行防護(hù)蓋設(shè)計(jì)應(yīng)以一定的光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)，降低輻射環(huán)境最惡劣部位輻射劑量是否有效也必須以遙感器輻射劑量分布計(jì)算結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行評估。

以下根據(jù)圖3全色單譜段光學(xué)遙感器結(jié)構(gòu)模型，利用莫斯科大學(xué)COSMIC軟件，對防護(hù)蓋方案進(jìn)行劑量分析與具體設(shè)計(jì)，對防護(hù)蓋在遙感器中的位置和厚度進(jìn)行優(yōu)化。防護(hù)蓋采用航天器非主承力件常用的鋁合金材料，圖5給出了其安裝位置示意。

圖5 防護(hù)蓋的安裝位置示意Fig.5 The installed position of the shield

圖6給出了以地球輻射帶為環(huán)境輸入條件（太陽同步軌道10年壽命期輻射劑量）的防護(hù)蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算過程示意。

圖6 防護(hù)蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算分析過程示意Fig.6 The design process of the shield

圖7和圖8分別給出了防護(hù)蓋安裝位置和防護(hù)蓋厚度對防護(hù)效果的影響。圖中的G2+1、G2-1、G2+2、G2-2、G2+3、G2-3 為圖1（圖3）中主鏡（環(huán)境最惡劣處）上不同取樣位置點(diǎn)（見圖6中圓錐頂點(diǎn)所指位置）的吸收劑量，其中“+”“-”號表示主鏡徑向圓周方向的位置點(diǎn)為對稱關(guān)系。

從圖7可以看出：當(dāng)Al防護(hù)蓋與鏡頭間的距離小于20 mm時(shí)，對地球輻射帶電子、質(zhì)子的防護(hù)效果最佳；當(dāng)Al防護(hù)蓋與鏡頭間的距離大于20 mm時(shí)，對地球輻射帶電子、質(zhì)子的吸收劑量急劇增加，防護(hù)效果出現(xiàn)拐點(diǎn)，呈明顯減弱趨勢。

圖7 防護(hù)蓋安裝位置對防護(hù)效果的影響Fig.7 The partial protected design result of the shield

圖8 防護(hù)蓋厚度對防護(hù)效果的影響Fig.8 The partial protected design result of the shield

從圖8可以看出：地球輻射帶電子、質(zhì)子在圖1主鏡處的吸收劑量隨Al防護(hù)蓋厚度（遮光罩處）的增加逐漸減弱；當(dāng)防護(hù)蓋厚度達(dá)到1 mm時(shí)，起主要輻射作用的地球輻射帶電子的吸收劑量下降到與輻射帶質(zhì)子的吸收劑量相同的數(shù)量級，約為1 krad(Si)。具體分析計(jì)算結(jié)果見表2，表中還包括運(yùn)用軟件定量計(jì)算出的其他輻射環(huán)境，如銀河宇宙射線、太陽宇宙射線等，在防護(hù)前/后的吸收劑量數(shù)據(jù)。

圖9為遮光罩上的防護(hù)層厚度（防護(hù)蓋本身的厚度）和位置（防護(hù)蓋與遮光罩入口的距離）示意。

圖9 遮光罩上的防護(hù)蓋厚度和位置示意Fig.9 The shield thickness and position with respect to the baffle

表2 鏡頭防護(hù)蓋輻射防護(hù)分析計(jì)算結(jié)果Table 2 Analysis and calculation results of protection effect of the Al shield

4.3 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)輻射防護(hù)軟件計(jì)算結(jié)果，針對具體光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型（圖3），在其鏡頭前方增加防護(hù)蓋，防護(hù)蓋的形式簡單（可平板、可凹形）且具有與模型中鏡頭前方遮光筒組件一致的工程安裝特性?？紤]星上質(zhì)量最小化原則，防護(hù)蓋的厚度范圍為1～3 mm，防護(hù)蓋在鏡頭（遮光罩）前方的位置在20 mm內(nèi)防護(hù)達(dá)到最佳效果。

從軟件計(jì)算的定量數(shù)據(jù)（表2）來看，經(jīng)防護(hù)蓋1～3 mm的屏蔽防護(hù)后，地球輻射帶通過暴露窗口貢獻(xiàn)給最惡劣環(huán)境部位（主鏡處）的輻射劑量從201.1 krad(Si)下降到2.05～0.85 krad(Si)范圍內(nèi)，大約是原輻射劑量的1/100，即下降了2個(gè)數(shù)量級。若考慮遙感器在軌開機(jī)/關(guān)機(jī)時(shí)間比，主鏡處輻射劑量可下降至不加防護(hù)時(shí)的數(shù)分之一，如遙感器在軌開機(jī)/關(guān)機(jī)時(shí)間比為1/4，則主鏡處的輻射吸收劑量可從201.1 krad(Si)下降至51.81～50.91 krad(Si)范圍內(nèi)，約降至不加防護(hù)蓋時(shí)的1/4。

從表2中也可以看出，對于極高能量的銀河宇宙射線粒子，防護(hù)前/后劑量變化不明顯，但因其劑量極小，一般可忽略不計(jì)。

綜上所述，防護(hù)蓋防護(hù)方案可大幅降低遙感器最惡劣環(huán)境部位的輻射吸收劑量，使其處的輻射吸收劑量與光學(xué)系統(tǒng)中其他部位的吸收劑量處于同一量級水平。

5 結(jié)束語

對于主要受總劑量輻射效應(yīng)影響的星載光學(xué)遙感器而言，結(jié)合本文仿真分析設(shè)計(jì)結(jié)果以及國內(nèi)外衛(wèi)星的工程應(yīng)用，在鏡頭前方加裝適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)蓋可以收獲良好的輻射防護(hù)和熱防護(hù)雙重效果?；诠鈱W(xué)遙感器對地觀測窗口的共性，防護(hù)蓋防護(hù)方案具有通用性，適用于所有在軌不連續(xù)工作光學(xué)遙感器（如服役于太陽同步軌道的長壽命光學(xué)遙感器、地球同步軌道定時(shí)工作的長壽命光學(xué)遙感器等）光學(xué)系統(tǒng)的輻射防護(hù)，且是針對光學(xué)遙感器光學(xué)系統(tǒng)抗輻射最薄弱環(huán)節(jié)或輻射環(huán)境最惡劣部位（直接暴露窗口導(dǎo)致）最有效、最直接的防護(hù)方法。實(shí)際工程應(yīng)用中，是否實(shí)施防護(hù)蓋進(jìn)行輻射防護(hù)，還需要結(jié)合相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)抗總劑量能力評估結(jié)果及光學(xué)遙感器其他功能需求進(jìn)行決策，如考慮鏡頭處于不能承受其所要求的空間輻射劑量、光學(xué)遙感器需要規(guī)避日凌等熱防護(hù)需求等情形，可單純因輻射防護(hù)需求使用，也可與其他需求因素共同考慮使用。