基于模板的FY-2一级杂散光模拟

　　1　引　言

　　杂散光是指在光学系统中,光线以某种非预期的成像方式到达探测器而干扰探测数据。当前国内外的许多空间遥感仪器,都不同程度地受到了杂散光的干扰[123]。我国FY22气象卫星的扫描辐射计由于光机设计的不完善,其获取的可见光和红外个别通道都存在有大范围的杂散光分布,明显地影响了定标精度,定量化应用水平受到限制[4]。

　　消除杂散光首先要对光机结构进行杂散光来源的分析,然后在恰当的位置放置遮光罩、挡光环等[5]。一些杂散光具备明确的传播路径,可以精确定位其分布和强度,因而可以按照确定性叠加过程来处理;更多的情况下,杂散光是由于光学镜面和光机筒壁表面的非理想性而不能完全吸收微弱的散射光,当这种微弱的散射积累到了一定程度,就会对信号产生可以察觉的影响,这类杂散光是一种随机噪声,通常采用信号的统计特征来处理[6]。

　　2　杂散光的形成过程

　　通过对FY22扫描辐射计光机结构的杂散光来源分析,发现对图像影响最为严重的是R2C光学系统特有的明显的一级漏光,这是因为采用视场方式的分光在提高光学效率的同时,带来了折镜处视场扩大而引入杂散光。辐射计对地球自西向东扫描成像时,领先主光轴5.3~6.2°的位置会有地球的漫射光由折镜边缘发生镜面反射进入主光路,叠加到当前信号中。

　　一级杂散光未曾经过任何表面的衰减因而非常强烈,要求优先考虑消除。这里需要对一级杂散光的进入途径进行准确建模确定其分布和强度,然后通过图像复原方法消除。假定光学系统满足线性移不变条件,且地物目标在扫描成像过程中保持不变,则其获取图像的退化过程在空间域表示为[7]:

　　其中,g(x,y)为可以获得的图像,h(x,y)为退化函数的空间描述,f(x,y)为真实图像,η(x,y)为随机噪声。等价到频域表述为:

　　式中的大写代表(1)式中各项的傅里叶变换。退化函数(称为模板)的确定,需要对光学系统的光路进行分析以得出定量化描述。

　　3　漏光模板的生成

　　由于扫描辐射计的特殊设计,其每次完成一条扫描线就会运动主镜、次镜和折镜,使光轴步进到下一条扫描线,漏光区域因而发生变化,所以需要对这一过程进行简化以利于建模。图1(a)、(b)、(c)为扫描辐射计在北极限、星下点和南极限的光路图,折镜位于卫星坐标系原点处,其步进角度为主次镜框架的一半,以保证任意时刻的折镜出射光线与后光路保持连贯。

　　在此光路中,若以主次镜框架为参照系不动,那么折镜以后的光路必然也不会变动,否则将会偏离光轴,于是折镜便成为扫描辐射计南北步进中对光路产生影响的唯一的变化因素,据此将系统光路展开成图1(d)的结构。通过这一结论可以在模板建模中简化设计。