复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多尺度杂散辐射仿真方法，该方法可具体应用在具有复杂结构的 空间光学探测系统中，能够对复杂空间光学系统中杂散辐射传输过程中进行多尺度分析。
【背景技术】
[0002] 在空间探测系统中，杂散辐射波段分为可见光与多个红外光谱波段（如短波红 外、中波红外、长波红外等），而来自光机系统、空间背景和干扰性环境的杂散辐射需要在相 同的光谱波段才能进行分析。因此在杂散辐射定向传输特性分析的过程中，首先需要建立 准确的辐射源发射模型。
[0003] 在不同的光谱波段内，辐射探测的来源、形成机制和特性不同：
[0004] 在可见光波段，杂散辐射主要来自太阳辐射以及地球大气对太阳辐射的反射和散 射形成的被动性二次辐射源。对其传输过程的分析，需要根据光机系统的几何结构、表面材 料的光散射特性建立辐射源的发射模型。对动态辐射源，需考虑其与一次辐射源（太阳） 的动态几何关系。
[0005] 在红外波段，来自光机系统的杂散辐射主要包括两部分：由光机系统内部自身热 辐射以及光机系统对太阳和地球大气红外辐射的散射。其中，光机系统自身热辐射由其表 面温度、表面材料红外发射特性、表面几何外形结构决定，属于一次辐射源，与自身的热力 状态密切相关，并且受光机系统内部传热与外部热环境影响较大；而光机系统对太阳辐射 和地球大气红外辐射的散射属被动性二次辐射源，主要与探测对象几何外形构、表面红外 散射特性有关。
[0006] 空间背景辐射是探测视场角内除光机系统外的辐射源，通常包括地球一大气背景 辐射、宇宙星空背景辐射等。其中宇宙星空背景辐射属一次辐射源，比较简单，许多情况下 可忽略；可见光波段和红外波段的地球一大气背景辐射相对都比较稳定，但需要考虑辐射 方向性约束。
[0007] 对于环境杂散辐射源，在可见光波段主要包括：太阳辐射和地球大气反射太阳光 对探测系统的直接或间接照射；光机系统外表面和内部机构对太阳辐射和地球大气反射太 阳光的散射；在红外波段主要包括：视场外地球大气红外福射，光机内部件热福射以及光 机系统外部产生的热福射。通常，光机内部件热福射又称为内部杂散福射，视场外地球大气 红外辐射和反射太阳光、太阳光直接照射通称为外部杂散辐射。
[0008] 辐射光线由辐射源至探测机构的传输过程包含以下几个子过程：从辐射源/背景 /空间和地球/太阳至光学载荷平台的传输，载荷平台至光机遮光罩的传输以及遮光罩向 光机内部至探测机构的传输等。在这些过程中，几何尺度发生了从千米级到微米级的巨大 变化。与此同时，在光机外部涉及复杂的几何结构和遮挡关系，而在光机内部的光学元件种 类繁多、形状和尺寸各异，小尺度遮光元部件结构复杂并且会发生边缘衍射，这些特点都进 一步增加了辐射光线传输过程的复杂性。
[0009] 杂散辐射传输过程的上述不同特征的多尺度性对杂散辐射的传播产生耦合性 的影响，使得杂散辐射传输全过程的综合分析异常复杂和困难。进而，直接对整个系统 杂散辐射传输过程进行模拟分析计算量将十分巨大，常规的商业软件（ASAP、TracePro、 LightTools等）无法满足该类完整求解域的计算需求。因此，设计开发一种空间、光谱和能 量多尺度的一体化杂散辐射分析软件是非常必要的。
【发明内容】
[0010] 本发明是为了解决辐射光线由辐射源至探测机构的传输会发生变化，对光电系统 造成影响，目前缺少对光学探测系统杂散辐射传输过程进行探测的方法的问题。现提供复 杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法。
[0011] 复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，它包括以下步骤：
[0012] 步骤一、根据光机系统的空间几何布局，采用虚拟边界包覆面将整个空间区域包 围形成三维封闭空间，作为杂散辐射传播的空间求解区域，并通过定义虚拟边界包覆面的 辐射特性来反映杂散辐射源的特性，
[0013] 步骤二、利用虚拟边界包覆面对光机系统内的每个设备构成的求解区域分解为第 一层次的区域，然后根据求解区域的空间几何结构特征，将外部遮光结构所在的第一层次 的区域进行第二层次的区域分解；根据杂散辐射传播过程的能量级衰减特性和第二层次的 区域空间几何结构的复杂程度，进一步将第二层次的区域分解为若干层次区域，
[0014] 步骤三、针对各层子区域，建立多级坐标系统中相邻两级坐标系统的转换矩阵，并 在子区域当地坐标系中采用标准形式二次方程对所有实体表面进行数学描述；同时对各子 区域的虚拟界面进行相邻两级区域的坐标系数学描述，
[0015] 步骤四、采用光机系统入口为分界面，对外部光线进行反向跟踪，对内部光线进行 正向跟踪，确定每一束抽样光线的去向，结合多层次区域分解以及多能级光线分裂求解技 术，在各个子区域内解出所跟踪的光线的与各个表面的交点，并将该点的坐标由当地坐标 转换为系统坐标，继续跟踪光线进一步的去向，直到该抽样光线到达探测阵列或被光机内 某部件吸收为止，
[0016] 步骤五、对到达接收面上的光线进行数目统计，计算各杂散辐射源到达接收面的 杂散辐射进入比例以及杂散辐射线的辐射通量，
[0017] 步骤六、根据获得的杂散辐射的统计参数，实现对复杂空间光学探测系统辐射能 量的仿真。
[0018] 本发明的有益效果为：本发明基于光热辐射传输的蒙特卡罗法求解原理，从计算 域边界面发射代表杂散辐射源能量特征的抽样光线，通过跟踪每束光线，记录光线的路径 和去向（光线最终的去向有三种：被吸收，到达仪器的接收面或者逃逸出系统），对到达接 收面上的光线进行数目统计，利用辐射传输理论确定由各杂散辐射源到达接收面的杂散辐 射能量及分布，结合计算和分析的结果，对原有的光学系统的结构布置提出改进措施，包括 遮光罩等光学器件几何结构的调整，传感器空间布局的调整以及相关元件及其表面的辐射 物性的调整等。通过对原系统的改进和优化，将杂散辐射对光机系统探测性能的影响降低 到最低水平。
[0019] 通过建立复杂空间光学探测系统的杂散辐射多尺度仿真方法，实现从杂散辐射源 至探测阵列传输全过程的定量模拟计算，对多光谱探测整个过程中的杂散辐射来源、危险 路径和影响程度进行有效分析求解，对复杂空间光学探测系统的杂散辐射追踪和预测、抑 制设计和光机结构改进具有重要指导意义。
【附图说明】
[0020] 图1为复杂结构空间光学系统的杂散辐射求解域及区域行分解的示意图，附图标 记1-1表示宇宙背景辐射，附图标记1-2表示地气反射辐射，附图标记1-3表示虚拟包裹 面，附图标记1-4表示太阳辐射，
[0021]图2为杂散辐射传输过程整体模拟的双向蒙特卡罗法与正向、反向蒙特卡罗法求 解原理对比示意图，附图标记2-1表示杂散辐射源，附图标记2-2表示杂散辐射光线，附图 标记2-3表示分界面，附图标记2-4表示探测面，一表示正向跟踪，M?表示反向跟踪，
[0022] 图3为多能级光线分裂示意图，
[0023] 图4为在特定尺寸遮光罩内部的光线传输示意图，其中，遮光罩内壁结构蜂窝式 镶嵌结构