孫欣 胡永力

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

光學(xué)反射式拼接型遙感器拼接區(qū)鬼像研究

孫欣 胡永力

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

目前絕大多數(shù)高分辨率寬幅空間光學(xué)遙感器焦面均需要由多片探測器拼接而成，獲得的遙感影像也有非拼接區(qū)和拼接區(qū)的差別。隨著遙感影像的應(yīng)用越來越廣泛，對焦面拼接區(qū)像質(zhì)的要求也越來越高。文章研究某型號(hào)光學(xué)拼接型遙感器拼接區(qū)鬼像的變化規(guī)律、形成原因，提出避免措施，提高拼接區(qū)圖像品質(zhì)。首先，針對整機(jī)測試中發(fā)現(xiàn)的鬼像進(jìn)行研究，找出其變化規(guī)律；隨后，分別利用幾何光學(xué)和光學(xué)仿真軟件計(jì)算的方法，分析得出產(chǎn)生鬼像的原因?yàn)槌上窆饩€在拼接鏡刃邊內(nèi)壁的掠射；然后，利用搭建模擬光路的方法進(jìn)行定性試驗(yàn)驗(yàn)證，得到了與整機(jī)測試和理論分析相吻合的結(jié)果；最后，對現(xiàn)有拼接鏡設(shè)計(jì)提出了針對性的改進(jìn)，給出了避讓角的確定方法，并通過整機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了文章提出的避免拼接區(qū)鬼像的解決方案可靠合理。

光學(xué)遙感器 光電耦合器件 拼接 反射式 鬼像 空間相機(jī)

0 引言

近50年來，各種光學(xué)遙感相機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)建設(shè)、科技發(fā)展、國防建設(shè)等方面，為增強(qiáng)國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力、國防實(shí)力和民族凝聚力發(fā)揮了重要作用[1]。隨著空間光學(xué)遙感器的分辨率和幅寬要求越來越高，遙感器焦面所需線陣長度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出單片焦面探測器（CCD）的線陣長度。現(xiàn)有絕大多數(shù)高分辨率寬幅空間光學(xué)遙感器（下文簡稱：相機(jī)）焦面常常需要由多片CCD拼接而成[2-4]。

國內(nèi)外學(xué)者對CCD的拼接方法已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究，形成了豐富的研究成果[4-7]。常見的拼接方法有：視場拼接、光學(xué)拼接、反射拼接和機(jī)械拼接。機(jī)械拼接方法由于對 CCD制造工藝水平要求比較高，僅在國外相機(jī)上有所應(yīng)用，國內(nèi)罕見。國內(nèi)工程上應(yīng)用較多的是視場拼接、光學(xué)拼接和反射拼接，這三種拼接方法各有優(yōu)劣，可以根據(jù)相機(jī)的具體特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)成熟度靈活選擇。

本文背景型號(hào)相機(jī) CCD拼接只涉及反射式拼接法。其原理是利用拼接鏡將光線分為反射和透射兩部分：反射部分光線通過拼接鏡鏡面反射到達(dá)反射區(qū) CCD，透射部分光線直接到達(dá)透射區(qū) CCD。利用兩部分光線光程相等實(shí)現(xiàn)共焦。透射區(qū)和反射區(qū)的 CCD器件在焦平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)首尾搭接，相同譜段在垂直于線陣方向處于同一視場[4]。拼接鏡大小及形式受所拼接的CCD片數(shù)及結(jié)構(gòu)狀態(tài)約束，可以做成一體或分體的，其拼接原理相同。反射式拼接原理示見圖1（僅以4片CCD拼接為例）。

針對反射式拼接相機(jī)拼接區(qū)圖像品質(zhì)的研究主要集中在拼接區(qū)圖像非均勻性定標(biāo)[8-12]、拼接區(qū)重疊像元數(shù)設(shè)計(jì)、焦面拼接控溫及材料匹配等方面，對成像雜散光的研究較少[13-16]。本文即針對拼接區(qū)成像雜散光（即鬼像）展開研究，分析其形成原因，找出解決辦法，并在工程中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 鬼像現(xiàn)象及其成因分析

1.1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述及分析

本文背景型號(hào)相機(jī)采用三反同軸光學(xué)系統(tǒng)，焦面由4片CCD拼接而成。拼接形式為反射式拼接，拼接鏡為分體式，即在反射區(qū)對應(yīng)位置安裝兩塊拼接鏡。

該相機(jī)整機(jī)進(jìn)行地面成像試驗(yàn)時(shí)，用單線靶標(biāo)對相鄰兩片 CCD拼接區(qū)重疊像元進(jìn)行測試，試驗(yàn)裝置如圖2所示。采用平行光管模擬無窮遠(yuǎn)景物，并在其焦面放置單線靶標(biāo)。利用積分球提供照明光源。單線靶標(biāo)通過平行光管進(jìn)入相機(jī)，在相機(jī)焦面成像。拼接反射區(qū)和透射區(qū)的正常圖像應(yīng)如圖 3（a）和圖3（b）所示。但是在實(shí)際試驗(yàn)中，觀察快視圖像，發(fā)現(xiàn)反射區(qū)正常出現(xiàn)1根靶標(biāo)影像，透射區(qū)除了本該出現(xiàn)的1根靶標(biāo)影像外還出現(xiàn)另外一處鬼像，如圖3（c）和圖3（d）所示。經(jīng)分析，此問題在相機(jī)在軌對地成像時(shí)將表現(xiàn)為拼接透射區(qū)域的圖像存在鬼像，會(huì)嚴(yán)重影響圖像品質(zhì)。

為進(jìn)一步研究鬼像的成像規(guī)律，調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)角度，使相機(jī)繞圖2中X軸旋轉(zhuǎn)（即調(diào)整相機(jī)入射角度），發(fā)現(xiàn)鬼像的成像位置（像元號(hào)）和亮度（DN值）均隨轉(zhuǎn)臺(tái)角度變化而變化，且相機(jī)各個(gè)譜段均出現(xiàn)類似現(xiàn)象。僅以某一譜段為例，記錄拼接透射區(qū)測試數(shù)據(jù)，見圖 4。橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，角度越大，相機(jī)入射角越大。圖4（a）中縱坐標(biāo)為圖像像元號(hào)，測試用相機(jī)拼接透射區(qū)像元號(hào)為12352～12152，數(shù)值越大越接近CCD尾部。圖4（b）中縱坐標(biāo)為圖像DN值，DN值越大，圖像能量越大，圖像越亮。觀察兩幅圖像可以發(fā)現(xiàn)：1）轉(zhuǎn)臺(tái)角度越大即相機(jī)入射角越大，鬼像與正常像距離越遠(yuǎn)；2）轉(zhuǎn)臺(tái)角度越大即相機(jī)入射角越大，透射區(qū)能量越小，鬼像DN值緩慢增強(qiáng)。

圖1 反射式拼接原理示意Fig.1 CCD butting of all reflect

圖2 成像試驗(yàn)測試裝置Fig.2 Text equipment

圖3 相機(jī)單線靶標(biāo)測試拼接區(qū)圖像Fig.3 Imaging of splicing for single line drone

圖4 成像試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)Fig.4 Text data of examination

根據(jù)上述試驗(yàn)，由圖4（a）可以發(fā)現(xiàn)鬼像與正常像點(diǎn)位置及移動(dòng)規(guī)律近似成鏡像對稱關(guān)系，初步認(rèn)為拼接區(qū)發(fā)生了不正常的反射，且該反射強(qiáng)度較大。根據(jù)鬼像的有規(guī)律移動(dòng)及強(qiáng)度變化，初步懷疑鬼像成因?yàn)槠唇隅R側(cè)壁發(fā)生掠射，并反射到焦面成像所致。

圖5 反射率和入射角的變化規(guī)律Fig.5 Disciplinarian of Reflectivity and incidence angle

1.2 掠射理論分析

當(dāng)入射光為自然光，并給定界面兩邊的介質(zhì)時(shí)，則反射光和折射光的能量分布主要取決于入射角的大小。當(dāng)光從空氣進(jìn)入玻璃（由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)），入射角I<45°時(shí)，反射率 Rn近似于常量，近似于垂直入射（I=0）時(shí)的反射率值 Rn0；當(dāng) I>45°時(shí)，隨著入射角 I的增大，反射率 Rn也增大；當(dāng)I接近90°時(shí)，發(fā)生掠射現(xiàn)象，反射光能量迅速增大，反射率Rn亦迅速增大并趨近于1。

自然光由光疏到光密介質(zhì)時(shí)，分界面處的反射率 Rn和入射角I的變化規(guī)律曲線如圖5所示（自然光從空氣入射到玻璃，玻璃折射率按n=1.523計(jì)）[17]。本文中掠射現(xiàn)象具體指邊界光線及其鄰近光線在拼接鏡刃邊側(cè)壁處大角度入射并發(fā)生高反射率反射的現(xiàn)象。

通過掠射理論可以得知，當(dāng)入射角增大到一定程度，反射光線的能量將迅速增強(qiáng)，即使發(fā)生掠射的為少部分光線，仍能產(chǎn)生較強(qiáng)的反射，在焦面形成清晰的鬼像。

2 仿真及分析

2.1 幾何光學(xué)分析

利用光學(xué)基本定律對拼接鏡側(cè)壁掠射現(xiàn)象進(jìn)行幾何模擬。將光學(xué)系統(tǒng)向子午面投影，得到全反全透式焦面拼接關(guān)系[18]，如圖6所示。透射區(qū)CCD和反射區(qū)CCD關(guān)于拼接鏡對稱布置，拼接鏡將反射區(qū)光線反射至反射區(qū)CCD，透射區(qū)光線直接入射至透射區(qū)CCD。

圖6 全反全透式拼接CCD關(guān)系示意Fig.6 Diagram of CCDs on focal plane of all reflect

為研究成像光線在拼接鏡刃邊及側(cè)壁處的狀態(tài)，再次進(jìn)行投影。定義經(jīng)過透射區(qū) CCD某一條線陣且垂直于拼接鏡鏡面的平面為A面。將拼接鏡及入射光線向A面投影，則拼接鏡刃邊投影成一點(diǎn)，拼接鏡側(cè)壁投影成一直線，該透射區(qū)焦面線陣投影成一直線，入射光線投影后仍為有一定角度的匯聚光線，中心軸為主光線。相機(jī)0°入射，中心視場主光線正好在拼接鏡刃邊上（此為光機(jī)設(shè)計(jì)值），此時(shí)一半光線在透射區(qū)成像，一半光線經(jīng)拼接鏡反射后在反射區(qū)成像，光線向A面投影后如圖7所示，沒有鬼像產(chǎn)生。

當(dāng)相機(jī)繞圖2中X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，相機(jī)入射角度發(fā)生變化，相當(dāng)于入射光線主光線沿線陣方向移動(dòng)。入射角越大，主光線偏離拼接鏡刃邊越遠(yuǎn)。當(dāng)主光線由圖7的刃邊位置移動(dòng)到拼接鏡反射面上時(shí)（圖8），本應(yīng)匯聚在透射區(qū)的部分光線落在拼接鏡刃邊側(cè)壁上，并在側(cè)壁發(fā)生掠射，在透射區(qū)焦面形成鬼像。由幾何關(guān)系可知，鬼像與正常像關(guān)于刃邊對稱。從圖8也可以看出，鬼像區(qū)的大小與拼接鏡厚度有關(guān)，拼接鏡越厚，鬼像區(qū)越大，則鬼像越強(qiáng)。

圖7 光線0°入射幾何模擬Fig.7 Geometric modeling of 0°

圖8 光線小角度入射幾何模擬Fig.8 Geometric modeling of minimum angle

按照投影關(guān)系將產(chǎn)生鬼象時(shí)的匯聚光束還原成圓錐，取光線在拼接鏡鏡面的光斑可以發(fā)現(xiàn)：隨著主光線向反射區(qū)方向移動(dòng)，透射區(qū)面積減小，鬼像區(qū)域面積逐漸加大，反射區(qū)面積也逐漸加大，如圖9所示。認(rèn)為上述“面積”與到達(dá)焦面的能量正相關(guān)，則可以得到下述結(jié)論：相機(jī)繞圖2中X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，隨著相機(jī)入射角增大，透射像能量減弱，鬼像能量增強(qiáng)。這與整機(jī)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是相符的。

圖9 相機(jī)沿X軸旋轉(zhuǎn)時(shí)掠射能量分布變化幾何模擬Fig.9 Geometric modeling for energy distribution of grazing-incidence

2.2 仿真分析

針對上述特定的相機(jī)入射角度下，拼接透射區(qū)出現(xiàn)鬼像的現(xiàn)象，用雜光分析軟件LightTools對拼接區(qū)進(jìn)行了仿真分析，典型仿真結(jié)果如圖10所示。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在拼接鏡側(cè)壁處確實(shí)存在掠射現(xiàn)象，即：當(dāng)相機(jī)入射角偏離0°較小角度時(shí)，拼接鏡側(cè)壁反射的光線會(huì)在透射區(qū)CCD成像（鬼像）。

根據(jù)1.2節(jié)所述入射角與反射率關(guān)系曲線可以知道，發(fā)生掠射時(shí)的反射率接近1，因此仿真時(shí)取拼接鏡側(cè)壁的反射率為98%。改變相機(jī)入射角，拼接鏡側(cè)壁的掠射像能量也隨之改變。某譜段鬼像能量與正常透射像能量隨相機(jī)入射角變化關(guān)系如圖11所示。從仿真數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨入射角增大，正常透射像亮度減弱，鬼像像亮度增強(qiáng)，鬼像與正常像亮度比值迅速增大。這與整機(jī)測試及幾何模擬現(xiàn)象相符。

圖10 拼接鏡內(nèi)壁掠射現(xiàn)象仿真Fig.10 Simulation of grazing-incidence on splicing mirror

圖11 相機(jī)入射角度與鬼像/正常像能量關(guān)系Fig.11 Relationship between incidence angle and energy of ghost images/normal images

2.3 定性模擬試驗(yàn)

利用搭建光路單獨(dú)對拼接鏡樣件進(jìn)行了定性試驗(yàn)?zāi)M，目的是模擬拼接鏡側(cè)壁的掠射成像（鬼像）現(xiàn)象，驗(yàn)證仿真及分析的正確性。試驗(yàn)設(shè)備包括拼接鏡樣件、兩個(gè)平行光管、單組雙線靶標(biāo)、積分球、攝像頭、顯示器、光柵尺、數(shù)顯表等。

兩個(gè)平行光管光軸對正，組合后F數(shù)與實(shí)際相機(jī)接近，用來模擬相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)。單組雙線靶標(biāo)放在平行光管1的焦面處，模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。平行光管2焦面處放置帶攝像頭顯微鏡，接顯示器，模擬CCD。攝像頭架設(shè)在光柵尺上，可以橫向移動(dòng)，并可以記錄移動(dòng)距離，模擬沿線陣方向排列的像元。攝像頭和平行光管間放置拼接鏡，其刃邊放置在光路正中。拼接鏡樣件可以橫向移動(dòng)，模擬相機(jī)入射角變化?？紤]到已知正常像的成像規(guī)律，因此僅需用攝像頭觀察鬼像成像即可。試驗(yàn)?zāi)M光路見圖12。

圖12 試驗(yàn)?zāi)M光路Fig.12 Simulation optical system

定性模擬試驗(yàn)共設(shè)計(jì)3項(xiàng)試驗(yàn)：1）將拼接鏡樣件按一個(gè)方向偏離平行光管中心，模擬相機(jī)入射角變化，觀察是否復(fù)現(xiàn)鬼像。2）通過移動(dòng)靶標(biāo)或遮擋靶標(biāo)縫隙的方法，觀察鬼像是否有鏡像特性。3）改變拼接鏡樣塊側(cè)壁反光特性，觀察不同表面特性對鬼像的影響。

通過試驗(yàn)，得到下述結(jié)論：1）平移拼接鏡樣件，當(dāng)其刃邊在平行光管邊緣視場時(shí)，攝像頭在透射區(qū)可以接收到鬼像；2）鬼像出現(xiàn)后，繼續(xù)小范圍移動(dòng)拼接鏡樣件，利用攝像頭觀察發(fā)現(xiàn)鬼像與理論上正常像的運(yùn)動(dòng)方向相反；3）移動(dòng)遮擋靶標(biāo)線對組，觀察鬼像的消失方向，鬼像消失方向與理論上正常像的消失方向相反；4）通過在拼接鏡樣塊側(cè)壁涂無光黑漆的方法，發(fā)現(xiàn)不同表面特性對鬼像影響較大，刃邊側(cè)壁反射率越低，鬼像越弱。

通過定性試驗(yàn)?zāi)M，得到了與測試現(xiàn)象相吻合的結(jié)果，復(fù)現(xiàn)了鬼像，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的正確性，證明了掠射現(xiàn)象的存在。

3 解決措施

根據(jù)上述試驗(yàn)和分析，拼接鏡側(cè)壁的確會(huì)發(fā)生掠射現(xiàn)象，導(dǎo)致相機(jī)圖像出現(xiàn)鬼像。解決該鬼像問題的措施有：1）改善拼接鏡側(cè)壁的表面特性，降低其反射率，使打到側(cè)壁的光線無法在透射區(qū)成像；2）將拼接鏡側(cè)壁向內(nèi)傾斜一定角度，進(jìn)行合理避讓，使入射光線不能打到該位置。其中措施 2）為首選解決辦法。圖13為增加避讓角后的拼接鏡截面。由前文的分析可知，理論上避讓角α大于光線錐角的一半即可，即

式中 F為相機(jī)F數(shù)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)綜合考慮到具體的拼縫位置。上述所有分析都是針對拼縫位于視場中心的，而在實(shí)際光路中，非中心視場拼縫處，光線均成一定角度入射（依拼縫所在視場不同而不同），這就要求在進(jìn)行避讓角設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到該光線入射角，實(shí)際避讓角應(yīng)大于光線入射角與上述理論避讓角之和。同時(shí)還應(yīng)綜合考慮拼接鏡的安裝位置、鏡身厚度、相機(jī)視場角及加工工藝等。在必要的時(shí)候，為了抑制非成像雜光，還需對所有側(cè)壁進(jìn)行磨毛處理，涂無光黑漆。

將增加避讓角的拼接鏡重新裝入整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，觀察拼接區(qū)圖像，沒有鬼像發(fā)生，也沒有其他異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，證明該解決措施有效。同時(shí)在其他類似型號(hào)上也進(jìn)行了同樣的設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)后的拼接鏡在拼接區(qū)成像正常，證明了該解決措施可靠。

圖13 增加避讓角的拼接鏡截面Fig.13 Splicing mirror with preventing angle

4 結(jié)論

本文對某空間光學(xué)遙感器整機(jī)測試時(shí)發(fā)現(xiàn)的鬼像現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。利用模擬仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法對拼接鏡側(cè)壁發(fā)生的掠射現(xiàn)象進(jìn)行分析，最終找出該掠射像的成因及解決方案，給出了避讓角的確定方法，并通過試驗(yàn)證明該措施可靠有效。本文提出的解決方案可以應(yīng)用到后續(xù)光學(xué)拼接型相機(jī)的焦面設(shè)計(jì)中，可以避免對地成像時(shí)由于鬼像引起的圖像混亂。本文主要針對拼接區(qū)成像雜光進(jìn)行研究，為進(jìn)一步提高拼接區(qū)圖像品質(zhì)，后續(xù)可繼續(xù)開展拼接區(qū)非成像雜散光分析抑制等研究。

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Study on Ghost Images in Splicing Area of Optical Reflect Butting Remote Sensor

SUN Xin HU Yongli

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Most high resolution cameras need several detectors. The images have butting area or non-butting area. Image quality of the butting area need increased, this paper researches the ghost images on the butting area in the optical butting remote sensor. Firstly, it studies the ghost images which appear in test and finds their change law. Secondly, it uses the geometrical optics method and optical simulation software separately and comes to a conclusion that the grazing-incidence on the lateral wall of the butting mirror is the cause of the ghost images. Then, the paper puts up the simulant optical path and gets the same result, and finally, optimizes the butting mirror. The whole study shows that the solution of the grazing-incidence on the lateral wall is reasonable and reliable.

optical remote sensor; optical coupler; optical butting; reflective; ghost images; space camera

V1

: A

: 1009-8518(2016)02-0058-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.008

孫欣，女，1983年生，2009年獲得北京科技大學(xué)機(jī)械裝備及控制碩士學(xué)位，工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器光機(jī)總體設(shè)計(jì)。E-mail：sunxin_508@sohu.com。

（編輯：夏淑密）

2015-12-09

國家重大科技專項(xiàng)工程