弱目标成像遥感相机杂光改进设计概述

马龙 王伟刚 任海培

摘 要 针对某弱目标探测遥感相机的杂光问题进行了定位分析，并用杂光分析软件模拟杂光形成路径。通过杂光路径分析，明确了引起杂光的原因为遮光罩内壁挡光环设计不合理导致。利用计算机作图方式初步设计出新的遮光罩，并进行了杂光仿真。同时改进了遮光罩的表面涂层，采用吸收率更高的SCB-1涂层。仿真结果显示，相机的抑制能力提高了4个数量级。有效地解决了图像杂光污染问题。

关键词 遥感相机;弱目标探测;杂光;遮光罩

引言

杂散光，是指光学系统中除了目标光线外，扩散于探测器表面上的其他非目标光线，以及通过非正常光路到达探测器的目标光线[1-3]。对于常规成像光学系统，杂散光会使目标的信噪比降低，引起图像对比度的下降，从而干扰目标的识别;严重时可能会在探测器上出现的杂散光汇聚点，使被探测的目标信号完全湮没在杂散光背景中，从而导致整个系统失效[4-6]。大多数的空间遥感仪器在实际应用中，都会受到杂散光的影响。例如，GOES-I/M和Meteosat-5/7成像仪，因为受到太阳直射所产生的杂散光的干扰，从而影响仪器的正常工作[7]。法国的POLDER偏振成像仪，其杂散光是50倍的噪声水平[8]，严重影响了其仪器的测量精度。

1光机介绍

光学系统设计工作谱段0.45μm～1.0μm，视场角2ω=30°×4.1°。根据光学设计结果，镜头结构设计如图1，除窗口玻璃组件的结构件和挡光环采用铝合金材料外，其他结构材料采用TC4钛合金材料。根据光学设计特点，在后组镜筒内都增加了消光环，用于增加镜头杂光抑制效果。

2弱目标成像杂光问题

相机在成像工作时，在某时刻出现的杂光现象如图2所示。从图中显示，相机在对暗目标成像时，当相机一侧亮目标逐渐接近相机视场，直到出现在相机视场过程中，在图像左侧出现杂光。从图像上可以初步推测，是亮目标通过结构散射在探测器形成亮条纹。

3杂光路径分析

根据光学设计和三维结构模型建立杂光模型，相机遮光罩表面为铝合金黑色阳极化实测BRDF，安装透镜的机械结构表面为钛合金发黑实测BRDF，透镜透过率为99%，入射光源波长400～1000nm，计算相机微光通道的PST曲线，PST计算结果如图3所示。可以看到原相机视场外的抑制能力约为E-4量级。

当相机的入射光为21.2°时，此时的入射光为相机的视场外最小太阳入射角。主要的杂光路径和像面杂光能量分布如图4和图5所示。可以看出，像面主要的杂光是通过遮光罩侧壁散射进入光路到达探测器。这个杂光光路是结构一次散射（遮光罩挡光環未起到阻止一次散射杂光），太阳光（或强光）入射时散射到探测器能量大，探测器坐标-Y方向最边缘视场形成强的散射光。

4改进设计

根据相机杂光计算结果，需修改遮光罩。采用三维软件手绘方式设计，外形根据相机视场更改成锥形，主要修改挡光环，挡光环由图5（a）起初15个优化到8个，高度为20mm，间隔为20mm，厚度为0.5mm，做成等间隔设计后（利于加工），内表面喷涂SCB-1高吸收率黑漆，设计结果如图8所示。加工可采用复合材料成型工艺，遮光罩沿图5（b）剖面切开两半各自成型，然后内壁喷漆，最后两半胶接成为一体。

更改后相机的杂光抑制能力如图6所示。可以看出，宽视场和窄视场基本达到7E-8量级。可以看出相机杂光抑制能力都有4个数量级的提升。

5结束语

利用模拟计算出原相机杂光抑制PST曲线，相机视场外抑制能力为E-4量级。根据仿真结果，确定了主要的杂光路径为遮光罩挡光环设计不合理引起。通过作图方式设计并优化新的遮光罩，更改内表面涂层为SCB-1。结果显示视场外抑制能力达到7E-8，提高了约4个数量级，且探测器杂光无能量集中现象。

参考文献

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[4] 王美钦，王忠厚，白加光.高光谱成像仪的杂散光分析[J].红外与激光工程，2012，41（6）：1532-1537.

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