弱目標成像遙感相機雜光改進設(shè)計概述

馬龍 王偉剛 任海培

摘 要 針對某弱目標探測遙感相機的雜光問題進行了定位分析，并用雜光分析軟件模擬雜光形成路徑。通過雜光路徑分析，明確了引起雜光的原因為遮光罩內(nèi)壁擋光環(huán)設(shè)計不合理導致。利用計算機作圖方式初步設(shè)計出新的遮光罩，并進行了雜光仿真。同時改進了遮光罩的表面涂層，采用吸收率更高的SCB-1涂層。仿真結(jié)果顯示，相機的抑制能力提高了4個數(shù)量級。有效地解決了圖像雜光污染問題。

關(guān)鍵詞 遙感相機;弱目標探測;雜光;遮光罩

引言

雜散光，是指光學系統(tǒng)中除了目標光線外，擴散于探測器表面上的其他非目標光線，以及通過非正常光路到達探測器的目標光線[1-3]。對于常規(guī)成像光學系統(tǒng)，雜散光會使目標的信噪比降低，引起圖像對比度的下降，從而干擾目標的識別;嚴重時可能會在探測器上出現(xiàn)的雜散光匯聚點，使被探測的目標信號完全湮沒在雜散光背景中，從而導致整個系統(tǒng)失效[4-6]。大多數(shù)的空間遙感儀器在實際應(yīng)用中，都會受到雜散光的影響。例如，GOES-I/M和Meteosat-5/7成像儀，因為受到太陽直射所產(chǎn)生的雜散光的干擾，從而影響儀器的正常工作[7]。法國的POLDER偏振成像儀，其雜散光是50倍的噪聲水平[8]，嚴重影響了其儀器的測量精度。

1光機介紹

光學系統(tǒng)設(shè)計工作譜段0.45μm～1.0μm，視場角2ω=30°×4.1°。根據(jù)光學設(shè)計結(jié)果，鏡頭結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1，除窗口玻璃組件的結(jié)構(gòu)件和擋光環(huán)采用鋁合金材料外，其他結(jié)構(gòu)材料采用TC4鈦合金材料。根據(jù)光學設(shè)計特點，在后組鏡筒內(nèi)都增加了消光環(huán)，用于增加鏡頭雜光抑制效果。

2弱目標成像雜光問題

相機在成像工作時，在某時刻出現(xiàn)的雜光現(xiàn)象如圖2所示。從圖中顯示，相機在對暗目標成像時，當相機一側(cè)亮目標逐漸接近相機視場，直到出現(xiàn)在相機視場過程中，在圖像左側(cè)出現(xiàn)雜光。從圖像上可以初步推測，是亮目標通過結(jié)構(gòu)散射在探測器形成亮條紋。

3雜光路徑分析

根據(jù)光學設(shè)計和三維結(jié)構(gòu)模型建立雜光模型，相機遮光罩表面為鋁合金黑色陽極化實測BRDF，安裝透鏡的機械結(jié)構(gòu)表面為鈦合金發(fā)黑實測BRDF，透鏡透過率為99%，入射光源波長400～1000nm，計算相機微光通道的PST曲線，PST計算結(jié)果如圖3所示?？梢钥吹皆鄼C視場外的抑制能力約為E-4量級。

當相機的入射光為21.2°時，此時的入射光為相機的視場外最小太陽入射角。主要的雜光路徑和像面雜光能量分布如圖4和圖5所示?？梢钥闯?，像面主要的雜光是通過遮光罩側(cè)壁散射進入光路到達探測器。這個雜光光路是結(jié)構(gòu)一次散射（遮光罩擋光環(huán)未起到阻止一次散射雜光），太陽光（或強光）入射時散射到探測器能量大，探測器坐標-Y方向最邊緣視場形成強的散射光。

4改進設(shè)計

根據(jù)相機雜光計算結(jié)果，需修改遮光罩。采用三維軟件手繪方式設(shè)計，外形根據(jù)相機視場更改成錐形，主要修改擋光環(huán)，擋光環(huán)由圖5（a）起初15個優(yōu)化到8個，高度為20mm，間隔為20mm，厚度為0.5mm，做成等間隔設(shè)計后（利于加工），內(nèi)表面噴涂SCB-1高吸收率黑漆，設(shè)計結(jié)果如圖8所示。加工可采用復合材料成型工藝，遮光罩沿圖5（b）剖面切開兩半各自成型，然后內(nèi)壁噴漆，最后兩半膠接成為一體。

更改后相機的雜光抑制能力如圖6所示?？梢钥闯?，寬視場和窄視場基本達到7E-8量級?？梢钥闯鱿鄼C雜光抑制能力都有4個數(shù)量級的提升。

5結(jié)束語

利用模擬計算出原相機雜光抑制PST曲線，相機視場外抑制能力為E-4量級。根據(jù)仿真結(jié)果，確定了主要的雜光路徑為遮光罩擋光環(huán)設(shè)計不合理引起。通過作圖方式設(shè)計并優(yōu)化新的遮光罩，更改內(nèi)表面涂層為SCB-1。結(jié)果顯示視場外抑制能力達到7E-8，提高了約4個數(shù)量級，且探測器雜光無能量集中現(xiàn)象。

參考文獻

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