光学反射式拼接型遥感器拼接区鬼像研究

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1、光学反射式拼接型遥感器拼接区鬼像研究　　引言　　近50年来，各种光学遥感相机已经广泛应用于经济建设、科技发展、国防建设等方面，为增强国家经济实力、科技实力、国防实力和民族凝聚力发挥了重要作用。随着空间光学遥感器的分辨率和幅宽要求越来越高，遥感器焦面所需线阵长度已经远远超出单片焦面探测器(CCD)的线阵长度。现有绝大多数高分辨率宽幅空间光学遥感器(下文简称：相机)焦面常常需要由多片CCD拼接而成。　　国内外学者对CCD的拼接方法已经进行了深入的研究，形成了丰富的研究成果。常见的拼接方法有：视场拼接、光学拼接、反射拼接和机械拼接。机械拼接方法由于对CCD制造工艺水

2、平要求比较高，仅在国外相机上有所应用，国内罕见。国内工程上应用较多的是视场拼接、光学拼接和反射拼接，这三种拼接方法各有优劣，可以根据相机的具体特点及相关技术成熟度灵活选择。　　本文背景型号相机CCD拼接只涉及反射式拼接法。其原理是利用拼接镜将光线分为反射和透射两部分：反射部分光线通过拼接镜镜面反射到达反射区CCD，透射部分光线直接到达透射区CCD。利用两部分光线光程相等实现共焦。透射区和反射区的CCD器件在焦平面内实现首尾搭接，相同谱段在垂直于线阵方向处于同一视场。拼接镜大小及形式受所拼接的CCD片数及结构状态约束，可以做成一体或分体的，其拼接原理相同。反射式

3、拼接原理示见(仅以4片CCD拼接为例)。　　针对反射式拼接相机拼接区图像品质的研究主要集中在拼接区图像非均匀性定标、拼接区重叠像元数设计、焦面拼接控温及材料匹配等方面，对成像杂散光的研究较少。本文即针对拼接区成像杂散光(即鬼像)展开研究，分析其形成原因，找出解决办法，并在工程中进行验证。　　1鬼像现象及其成因分析　　1.1试验现象描述及分析　　本文背景型号相机采用三反同轴光学系统，焦面由4片CCD拼接而成。拼接形式为反射式拼接，拼接镜为分体式，即在反射区对应位置安装两块拼接镜。　　该相机整机进行地面成像试验时，用单线靶标对相邻两片CCD拼接区重叠像元进行测试，

4、试验装置如所示。采用平行光管模拟无穷远景物，并在其焦面放置单线靶标。利用积分球提供照明光源。　　单线靶标通过平行光管进入相机，在相机焦面成像。拼接反射区和透射区的正常图像应如(a)和(b)所示。但是在实际试验中，观察快视图像，发现反射区正常出现1根靶标影像，透射区除了本该出现的1根靶标影像外还出现另外一处鬼像，如(c)和(d)所示。经分析，此问题在相机在轨对地成像时将表现为拼接透射区域的图像存在鬼像，会严重影响图像品质。　　为进一步研究鬼像的成像规律，调整转台角度，使相机绕中X轴旋转(即调整相机入射角度)，发现鬼像的成像位置(像元号)和亮度(DN值)均随转台角

5、度变化而变化，且相机各个谱段均出现类似现象。仅以某一谱段为例，记录拼接透射区测试数据，见。横坐标为转台转动角度，角度越大，相机入射角越大。(a)中纵坐标为图像像元号，测试用相机拼接透射区像元号为12352~12152，数值越大越接近CCD尾部。(b)中纵坐标为图像DN值，DN值越大，图像能量越大，图像越亮。观察两幅图像可以发现：1)转台角度越大即相机入射角越大，鬼像与正常像距离越远;2)转台角度越大即相机入射角越大，透射区能量越小，鬼像DN值缓慢增强。　　根据上述试验，由(a)可以发现鬼像与正常像点位置及移动规律近似成镜像对称关系，初步认为拼接区发生了不正常的

6、反射，且该反射强度较大。根据鬼像的有规律移动及强度变化，初步怀疑鬼像成因为拼接镜侧壁发生掠射，并反射到焦面成像所致。　　1.2掠射理论分析　　当入射光为自然光，并给定界面两边的介质时，则反射光和折射光的能量分布主要取决于入射角的大小。当光从空气进入玻璃(由光疏介质进入光密介质)，入射角I<45°时，反射率Rn近似于常量，近似于垂直入射(I=0)时的反射率值Rn0;当I>45°时，随着入射角I的增大，反射率Rn也增大;当I接近90°时，发生掠射现象，反射光能量迅速增大，反射率Rn亦迅速增大并趋近于1。　　自然光由光疏到光密介质

7、时，分界面处的反射率Rn和入射角I的变化规律曲线如所示(自然光从空气入射到玻璃，玻璃折射率按n=1.523计)。本文中掠射现象具体指边界光线及其邻近光线在拼接镜刃边侧壁处大角度入射并发生高反射率反射的现象。　　通过掠射理论可以得知，当入射角增大到一定程度，反射光线的能量将迅速增强，即使发生掠射的为少部分光线，仍能产生较强的反射，在焦面形成清晰的鬼像。　　2仿真及分析　　2.1几何光学分析　　利用光学基本定律对拼接镜侧壁掠射现象进行几何模拟。将光学系统向子午面投影，得到全反全透式焦面拼接关系，如所示。透射区CCD和反射区CCD关于拼接镜对称布置，拼接镜将反射区光

8、线反射至反射区CCD，透射区光线直接入