光学反射式拼接型遥感器拼接区鬼像研究

孙欣 胡永力

（北京空间机电研究所，北京 100094）

光学反射式拼接型遥感器拼接区鬼像研究

孙欣 胡永力

（北京空间机电研究所，北京 100094）

目前绝大多数高分辨率宽幅空间光学遥感器焦面均需要由多片探测器拼接而成，获得的遥感影像也有非拼接区和拼接区的差别。随着遥感影像的应用越来越广泛，对焦面拼接区像质的要求也越来越高。文章研究某型号光学拼接型遥感器拼接区鬼像的变化规律、形成原因，提出避免措施，提高拼接区图像品质。首先，针对整机测试中发现的鬼像进行研究，找出其变化规律；随后，分别利用几何光学和光学仿真软件计算的方法，分析得出产生鬼像的原因为成像光线在拼接镜刃边内壁的掠射；然后，利用搭建模拟光路的方法进行定性试验验证，得到了与整机测试和理论分析相吻合的结果；最后，对现有拼接镜设计提出了针对性的改进，给出了避让角的确定方法，并通过整机试验，验证了文章提出的避免拼接区鬼像的解决方案可靠合理。

光学遥感器 光电耦合器件 拼接 反射式 鬼像 空间相机

0 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[1]。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[2-4]。

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[4-7]。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[4]。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。反射式拼接原理示见图1（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[8-12]、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[13-16]。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，试验装置如图2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图 3（a）和图3（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，如图3（c）和图3（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，使相机绕图2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，见图 4。横坐标为转台转动角度，角度越大，相机入射角越大。图4（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。图4（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。

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

图2 成像试验测试装置Fig.2 Text equipment

图3 相机单线靶标测试拼接区图像Fig.3 Imaging of splicing for single line drone

图4 成像试验实测数据Fig.4 Text data of examination

根据上述试验，由图4（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。

图5 反射率和入射角的变化规律Fig.5 Disciplinarian of Reflectivity and incidence angle

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时，分界面处的反射率 Rn和入射角I的变化规律曲线如图5所示（自然光从空气入射到玻璃，玻璃折射率按n=1.523计）[17]。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[18]，如图6所示。透射区CCD和反射区CCD关于拼接镜对称布置，拼接镜将反射区光线反射至反射区CCD，透射区光线直接入射至透射区CCD。

图6 全反全透式拼接CCD关系示意Fig.6 Diagram of CCDs on focal plane of all reflect

为研究成像光线在拼接镜刃边及侧壁处的状态，再次进行投影。定义经过透射区 CCD某一条线阵且垂直于拼接镜镜面的平面为A面。将拼接镜及入射光线向A面投影，则拼接镜刃边投影成一点，拼接镜侧壁投影成一直线，该透射区焦面线阵投影成一直线，入射光线投影后仍为有一定角度的汇聚光线，中心轴为主光线。相机0°入射，中心视场主光线正好在拼接镜刃边上（此为光机设计值），此时一半光线在透射区成像，一半光线经拼接镜反射后在反射区成像，光线向A面投影后如图7所示，没有鬼像产生。

当相机绕图2中X轴旋转时，相机入射角度发生变化，相当于入射光线主光线沿线阵方向移动。入射角越大，主光线偏离拼接镜刃边越远。当主光线由图7的刃边位置移动到拼接镜反射面上时（图8），本应汇聚在透射区的部分光线落在拼接镜刃边侧壁上，并在侧壁发生掠射，在透射区焦面形成鬼像。由几何关系可知，鬼像与正常像关于刃边对称。从图8也可以看出，鬼像区的大小与拼接镜厚度有关，拼接镜越厚，鬼像区越大，则鬼像越强。

图7 光线0°入射几何模拟Fig.7 Geometric modeling of 0°

图8 光线小角度入射几何模拟Fig.8 Geometric modeling of minimum angle

按照投影关系将产生鬼象时的汇聚光束还原成圆锥，取光线在拼接镜镜面的光斑可以发现：随着主光线向反射区方向移动，透射区面积减小，鬼像区域面积逐渐加大，反射区面积也逐渐加大，如图9所示。认为上述“面积”与到达焦面的能量正相关，则可以得到下述结论：相机绕图2中X轴旋转时，随着相机入射角增大，透射像能量减弱，鬼像能量增强。这与整机测试时发现的现象是相符的。

图9 相机沿X轴旋转时掠射能量分布变化几何模拟Fig.9 Geometric modeling for energy distribution of grazing-incidence

2.2 仿真分析

针对上述特定的相机入射角度下，拼接透射区出现鬼像的现象，用杂光分析软件LightTools对拼接区进行了仿真分析，典型仿真结果如图10所示。通过仿真分析发现，在拼接镜侧壁处确实存在掠射现象，即：当相机入射角偏离0°较小角度时，拼接镜侧壁反射的光线会在透射区CCD成像（鬼像）。

根据1.2节所述入射角与反射率关系曲线可以知道，发生掠射时的反射率接近1，因此仿真时取拼接镜侧壁的反射率为98%。改变相机入射角，拼接镜侧壁的掠射像能量也随之改变。某谱段鬼像能量与正常透射像能量随相机入射角变化关系如图11所示。从仿真数据可以发现，随入射角增大，正常透射像亮度减弱，鬼像像亮度增强，鬼像与正常像亮度比值迅速增大。这与整机测试及几何模拟现象相符。

图10 拼接镜内壁掠射现象仿真Fig.10 Simulation of grazing-incidence on splicing mirror

图11 相机入射角度与鬼像/正常像能量关系Fig.11 Relationship between incidence angle and energy of ghost images/normal images

2.3 定性模拟试验

利用搭建光路单独对拼接镜样件进行了定性试验模拟，目的是模拟拼接镜侧壁的掠射成像（鬼像）现象，验证仿真及分析的正确性。试验设备包括拼接镜样件、两个平行光管、单组双线靶标、积分球、摄像头、显示器、光栅尺、数显表等。

两个平行光管光轴对正，组合后F数与实际相机接近，用来模拟相机光学系统。单组双线靶标放在平行光管1的焦面处，模拟无穷远目标。平行光管2焦面处放置带摄像头显微镜，接显示器，模拟CCD。摄像头架设在光栅尺上，可以横向移动，并可以记录移动距离，模拟沿线阵方向排列的像元。摄像头和平行光管间放置拼接镜，其刃边放置在光路正中。拼接镜样件可以横向移动，模拟相机入射角变化。考虑到已知正常像的成像规律，因此仅需用摄像头观察鬼像成像即可。试验模拟光路见图12。

图12 试验模拟光路Fig.12 Simulation optical system

定性模拟试验共设计3项试验：1）将拼接镜样件按一个方向偏离平行光管中心，模拟相机入射角变化，观察是否复现鬼像。2）通过移动靶标或遮挡靶标缝隙的方法，观察鬼像是否有镜像特性。3）改变拼接镜样块侧壁反光特性，观察不同表面特性对鬼像的影响。

通过试验，得到下述结论：1）平移拼接镜样件，当其刃边在平行光管边缘视场时，摄像头在透射区可以接收到鬼像；2）鬼像出现后，继续小范围移动拼接镜样件，利用摄像头观察发现鬼像与理论上正常像的运动方向相反；3）移动遮挡靶标线对组，观察鬼像的消失方向，鬼像消失方向与理论上正常像的消失方向相反；4）通过在拼接镜样块侧壁涂无光黑漆的方法，发现不同表面特性对鬼像影响较大，刃边侧壁反射率越低，鬼像越弱。

通过定性试验模拟，得到了与测试现象相吻合的结果，复现了鬼像，验证了理论分析结果的正确性，证明了掠射现象的存在。

3 解决措施

根据上述试验和分析，拼接镜侧壁的确会发生掠射现象，导致相机图像出现鬼像。解决该鬼像问题的措施有：1）改善拼接镜侧壁的表面特性，降低其反射率，使打到侧壁的光线无法在透射区成像；2）将拼接镜侧壁向内倾斜一定角度，进行合理避让，使入射光线不能打到该位置。其中措施 2）为首选解决办法。图13为增加避让角后的拼接镜截面。由前文的分析可知，理论上避让角α大于光线锥角的一半即可，即

式中 F为相机F数。

在实际设计时，还应综合考虑到具体的拼缝位置。上述所有分析都是针对拼缝位于视场中心的，而在实际光路中，非中心视场拼缝处，光线均成一定角度入射（依拼缝所在视场不同而不同），这就要求在进行避让角设计时需要考虑到该光线入射角，实际避让角应大于光线入射角与上述理论避让角之和。同时还应综合考虑拼接镜的安装位置、镜身厚度、相机视场角及加工工艺等。在必要的时候，为了抑制非成像杂光，还需对所有侧壁进行磨毛处理，涂无光黑漆。

将增加避让角的拼接镜重新装入整机进行试验，观察拼接区图像，没有鬼像发生，也没有其他异常现象出现，证明该解决措施有效。同时在其他类似型号上也进行了同样的设计改进，改进后的拼接镜在拼接区成像正常，证明了该解决措施可靠。

图13 增加避让角的拼接镜截面Fig.13 Splicing mirror with preventing angle

4 结论

本文对某空间光学遥感器整机测试时发现的鬼像现象进行了深入研究。利用模拟仿真与实验结合的方法对拼接镜侧壁发生的掠射现象进行分析，最终找出该掠射像的成因及解决方案，给出了避让角的确定方法，并通过试验证明该措施可靠有效。本文提出的解决方案可以应用到后续光学拼接型相机的焦面设计中，可以避免对地成像时由于鬼像引起的图像混乱。本文主要针对拼接区成像杂光进行研究，为进一步提高拼接区图像品质，后续可继续开展拼接区非成像杂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

孙欣，女，1983年生，2009年获得北京科技大学机械装备及控制硕士学位，工程师。研究方向为空间光学遥感器光机总体设计。E-mail：sunxin_508@sohu.com。

（编辑：夏淑密）

2015-12-09

国家重大科技专项工程