航天相机成像质量评价

    引 言

    航天相机包括航天侦察相机、航天测绘相机、航天多光谱相机及成像光谱仪。航天相机是航天遥感中最重要的遥感器。它们可以用于采矿、城市规划、土地利用、资源管理、农业调查、环境监测、新闻报道和地理信息服务等诸多领域；还可以用于情报搜集、国防监测、变化检测、精确测图和目标指引等方面，以跟踪机场跑道、导弹发射井、武器试验场和防御设施等目标的施工进展情况以及部队集结和武器部署等军事活动准备情况。因此，世界许多国家都在积极研制航天相机，进行航天遥感工作。

    本文探讨航天相机的成像质量评价及检验有关的问题，从基本原理入手，建立自己的评价标准。

    1 航天相机成像的物理过程

    图 1 为航天相机成像的示意图。太阳光以电磁波的形式传播，通过地球大气层时受到散射和吸收，把向下散射的光称为“天空光”，向上散射的光称为“霾光”。因此，地面目标是由太阳的直射光和散射的天空光照亮的。从地面物体反射的光再透过大气层时，部分被吸收和散射，部分通过大气层到达卫星窗口进到相机镜头成像，而由大气向上散射的霾光进入相机产生杂光。这样，相机所观察到的地物辐射亮度分布B（x, y,θ,λ）为

    式中θ为太阳高度角；λ为波长；E0为直射光和天空光合成的地面照度；ρ为物体的光谱反射率；τa为反射光在大气中的透过率；N 表示相机接收的霾光辐射通量，它将产生杂光；ha为大气散射引起的点扩散函数（由于卫星在大气层外几百公里处， 这时大气抖动影响很小，可以忽略）；∗表示卷积符号。

    例如，阳光明亮的野外地物照度 E0=110000lx, 设地物反射率ρ=0.3, 则进入大气层的物体亮度为200B = ( ρ /ð)E=10509cd/m。 设大气衰减系数为β，它的定义为dd0= e, 其中Bd为透过厚度 d的大气层后的物体亮度。β有近似公式β=3.91/v, 其中 v 为大气的能见度，例如大气能见度为 100km 时，β=3.91/100=0.0391km-1。因大气层 7.6km 以上散射吸收很少，故大气层厚度 d=7.6km 计算，则大气透过率aτ =0B/ Bd=-βde = e-0.0391 ×7.6=0.743，Bd= B0aτ =7808cd/m2。

    大气散射引起的点扩散函数 ha的傅里叶变换为大气散射引起的调制传递函数，记为 MTFa，用下面公式计算：

    式中*B 为霾光亮度。大气散射引起的调制传递函数 MTFa与物体亮度、霾光亮度、大气衰减系数及大气厚度有关，而与空间频率无关。经过大气层后的地物辐射亮度分布 Bd被相机镜头成像, 在镜头像面上形成的照度分布 E 为