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  • 光学反射式拼接型遥感器拼接区鬼像研究

    来源:www.shuoshisheng.net 发布时间:2019-11-08

    引言

    近50年来,各种光学遥感相机已广泛用于经济建设,科技发展,国防建设等领域,在增强国民经济实力,科技实力,国防建设方面发挥了重要作用。实力和民族凝聚力。随着空间光学遥感器的分辨率和宽度要求越来越高,遥感器焦平面所需的线阵列的长度已远远超过单个焦平面检测器(CCD)的线阵列长度。现有的大多数高分辨率宽幅面光学遥感器(以下简称相机)焦平面通常都需要由多个CCD拼接而成。

    国内外学者对CCD拼接方法进行了深入的研究,形成了丰富的研究成果。常见的缝合方法有:视野缝合,光学缝合,反射缝合和机械缝合。机械拼接方法在中国相对较少,因为它对CCD制造工艺水平有很高的要求,并且仅用于外国相机。在家庭工程中更多的应用是现场拼接,光学拼接和反射拼接。这三种拼接方法各有优缺点,可以根据相机的具体特点和相关技术的成熟度灵活选择。

    背景模型相机的CCD拼接仅涉及反射式拼接。原理是使用拼接镜将光分为反射和透射两部分:反射的光的一部分穿过镜面并到达反射区CCD,而透射的光直接到达透射区。 CCD。共焦是通过使两个部分的光路均等来实现的。透射区域和反射区域的CCD器件在焦平面中实现了首尾重叠,并且相同的光谱段在垂直于线阵列的相同视场中。拼接镜的大小和形式受拼接CCD的数量和结构状态的限制,可以制成一体或分割体,拼接原理相同。显示了反射拼接的原理(仅以4 CCD拼接为例)。

    反射式拼接相机的拼接区域图像质量的研究主要集中在拼接区域图像的非均匀性校准,拼接区域重叠像素的设计,焦平面拼接的温度控制和材料匹配等方面。杂散光较少。本文对镶嵌区域的成像杂散光(重影)进行了研究,分析了产生原因,找到了解决方案并进行了验证。

    1.鬼现象及其成因

    1.1实验现象的描述与分析

    在本文中,背景摄像机是三镜同轴光学系统。焦平面由四个CCD组成。拼接形式为反射拼接,将拼接镜拆分开,即在反射区域的相应位置安装两个拼接镜。

    在相机的地面成像测试中,两个相邻CCD马赛克区域的重叠像素使用单个线目标进行测试。实验装置如下所示。准直仪用于模拟无限远景,并且将一条直线目标放置在其焦平面上。积分球用于提供照明源。

    单线目标通过准直仪进入相机并在相机的焦平面上成像。马赛克反射和透射区域的正常图像应显示为(a)和(b)。但是在实际实验中,我们观察了快速查看图像,发现反射区域中有目标图像,在透射区域中除了目标图像之外还出现了另一个重影图像,例如(c)和(d)。经过分析,当摄像机在地面成像的轨道上时,此问题将表现为马赛克透射区域中的重影,这将严重影响图像质量。

    为了进一步研究鬼像的成像规律,调整转台角度,使相机绕X轴旋转(即调整相机的入射角),发现鬼像的成像位置(像素数)和亮度(dn值)随转台角度的变化而变化。在相机的每个光谱区域都会出现类似的现象。例如,我们记录了马赛克在某一波段的传输区域的测试数据。另见马赛克传输区域的测试数据。横坐标是转台的旋转角度。角度越大,相机的入射角就越大。(a)中位数纵坐标为图像像素数,测试相机透射区域的像素数为~。数值越大,离ccd的末端越近。(b)中值纵坐标是图像的dn值。dn值越大,图像能量越大,图像越亮。观察这两幅图像可以发现:(1)转台角度越大,相机的入射角越大,鬼像离正常图像越远;(2)转台角度越大,相机的入射角越大,相机的能量越小。传输区域,并且鬼影图像的dn值增加的越慢。

    根据以上实验,由(a)可知,鬼像与正常像点的位置和运动近似对称。初步认为拼接区存在异常反射,反射强度高。根据鬼影图像的运动规律和强度变化,推测鬼影图像是由拼接镜侧壁的倾斜和鬼影图像向焦平面的反射引起的。

    1.2放牧理论分析

    当入射光为自然光且给出界面两侧介质时,反射光和折射光的能量分布主要取决于入射角。当光线从空气进入玻璃时(从稀光介质到稀光介质),入射角i<;为45度,反射率rn近似为常数,接近垂直入射时的反射率rn 0(i=0);在i>;为45度时,反射率rn随入射角i的增大而增大,当i接近90度时,出现掠射现象,反射光能较快。随着反射率的增加,rn也迅速增加,接近1。

    当自然光从光散射到不透光的介质时,反射率Rn和界面处的入射角I的曲线如图所示(自然光从空气入射到玻璃上,并且折射率从玻璃为n=1.523)。在本文中,掠射现象具体是指边界射线及其相邻射线以大角度入射在拼接镜边缘的侧壁并反射高反射率的现象。

    从掠射理论可以知道,当入射角增加到一定程度时,反射光的能量将迅速增加,即使一小部分光被掠射,也会产生强烈的反射,并且焦平面上形成清晰的重影。图片。

    2仿真与分析

    2.1几何光学分析

    利用光学的基本定律对拼接镜侧壁的扫视现象进行了几何模拟。如图所示,将光学系统投影到子午面会产生全反射焦平面缝合关系。透射区CCD和反射区CCD关于拼接镜对称地布置,并且拼接镜将反射区光反射到反射区CCD,并且透射区光直接入射在透射区CCD上。

    要研究拼接镜的边缘和侧壁处成像光的状态,请再次投射。定义一个平面,该平面穿过透射区域CCD的线阵列并垂直于反射镜的反射镜表面,成为A侧。当拼接镜和入射光线投射到A侧时,拼接镜的边缘投射到一个点,拼接镜的侧壁投射到一条直线,透射区域的焦平面线阵列投射到一条直线上,并且入射光在投射后仍然以一定角度投射。光源,中心轴是主要光源。摄像机以0°入射,中心视场主光线正好位于拼接镜的侧面(这是光机的设计值)。此时,一半的光在透射区域中成像,并且一半的光被拼接镜反射,然后在反射区域中成像。如面部投影所示,不会产生任何重影。

    当照相机绕X轴旋转时,照相机的入射角会发生变化,这等效于入射光线的主光线沿线阵列方向移动。入射角越大,主光线离拼接镜的边缘越远。当主光线的边缘位置移动到拼接镜的反射表面()时,应会聚在透射区域中的部分光会落在拼接镜边缘的侧壁上,并在侧壁上掠射,并且透射区域中的焦平面形成重影。根据几何关系,重影图像相对于正常图像是对称的。还可以看出,重影区域的大小与镶嵌镜的厚度有关。镶嵌镜越厚,重影区域越大,重影越强。

    根据投影关系,重影的聚焦光束减小为圆锥形,并且可以在拼接镜的镜面上发现光斑:当主光线移向反射区域时,透射面积减小,重影面积逐渐增大。如图所示,反射区域的面积也逐渐增加。考虑到上述“面积”与到达焦平面的能量呈正相关,可以得出以下结论:随着照相机绕X轴旋转,随着照相机的入射角增加,透射的图像能量减少,并且幽灵能量增加。这与整个机器测试中发现的现象是一致的。

    2.2仿真分析

    对于上述特定的摄像机入射角,幻影图像出现在拼接透射区域中,并且通过杂散光分析软件LightTools模拟了拼接区域。显示了典型的仿真结果。通过仿真分析,发现在拼接镜的侧壁处确实存在掠影现象,即当摄像机的入射角偏离0°的小角度时,拼接镜在透射区域CCD中成像(重影)。

    根据第1.2节所述的入射角与反射率之间的关系,扫视时的反射率接近1,因此拼接镜侧壁的反射率为98%。通过改变摄像机的入射角,拼接镜侧壁的掠像能量也会改变。如图所示,频谱的重影图像能量和正常透射图像能量之间的关系取决于摄像机的入射角。从仿真数据可以发现,随着入射角的增加,正常透射图像的亮度减小,重影图像的亮度增加,并且重影图像与正常图像的亮度之比迅速增加。这与整机测试和几何模拟现象相吻合。

    2.3定性模拟测试

    通过使用内置的光路进行了拼接镜样品的定性测试模拟。目的是模拟拼接镜侧壁的掠影成像(重影)现象,并验证模拟和分析的正确性。该测试设备包括一个拼接镜样品,两个平行的光导管,一组两线目标,一个积分球,一个照相机,一个显示器,一个光栅尺,一个数字显示器等。

    两个准直仪的光轴对齐,并且组合的F数接近于实际相机,以模拟相机光学系统。将一组两线目标放置在准直仪1的焦平面上,以模拟无限远目标。将准直仪显微镜放置在准直仪2的焦平面上,并将显示器连接至模拟CCD。摄像机安装在标尺上,可以横向移动,并且可以记录移动距离以模拟沿线阵列排列的像素。拼接镜放置在相机和准直仪之间,并且刀片的边缘放置在光路的中间。拼接镜样本可以横向移动以模拟摄像机入射角的变化。考虑到已知正常图像的成像规律,仅需要用照相机观察重影图像。参见光路仿真。

    在定性模拟测试中,总共设计了3个测试:1)拼接镜样品在一个方向上偏离准直仪的中心,并改变摄像机的入射角以观察是否重影。 2)通过移动目标或遮挡目标间隙来观察重影是否具有镜像。 3)改变拼接镜块侧壁的反射特性,并观察不同表面特性对重影的影响。

    通过实验得出以下结论:1)平移镜面样本,当边缘的边缘在准直仪的边缘时,摄像机可以在透射区域接收到幻像。 2)重影出现后,继续在小范围内移动拼接镜样本使用相机观察到重影与理论正常图像相反。 3)移动遮挡目标对以观察重影图像的消失方向。重影消失方向与理论法线图像消失方向相反。 4)通过在拼接镜块的侧壁上涂上哑光黑漆,发现不同的表面特性对重影具有更大的影响,并且边缘侧壁的反射率越低,重影越弱。通过定性测试仿真,结果与测试现象相吻合,再现了重影,验证了理论分析结果的正确性,证明了扫视现象的存在。

    3解决方案

    根据上述测试和分析,在拼接镜的侧壁中确实会发生眩光现象,从而在相机图像中产生重影。解决重影问题的措施如下:1)改善拼接镜侧壁的表面特性,降低其反射率,使入射到侧壁的光无法在透射区域成像。 2)向内倾斜拼接镜的侧壁,合理避开,以免入射光射到该位置。其中,措施2)是首选解决方案。避开角度后增加拼接镜的横截面。从前面的分析中可以知道,理论上的避让角α大于光锥角的一半,即

    在实际设计中,还应考虑特定的接缝位置。以上所有分析都是针对视野中心处的接缝。在实际的光路中,在非中心视场中,光以特定角度入射(取决于接缝的视场),这要求在入射时考虑光的入射角。设计回避角度。实际的回避角应大于光的入射角与理论回避角之和。同时,还应考虑拼接镜的安装位置,镜体的厚度,相机的视场和加工技术。必要时,为了抑制非图像杂散光,必须对所有侧壁打磨并涂上无光泽的黑色涂料。

    将具有附加避让角的拼接镜重新装入整台机器进行实验。观察到缝合区域的图像。没有出现鬼影或其他异常现象,证明该解决方案是有效的。同时,在其他类似模型上也进行了相同的设计改进。改进后的拼接镜在拼接区域成像正常,证明了该方案的可靠性。

    4结论

    本文对空间光学遥感器测试中发现的重影现象进行了深入研究。通过仿真与实验相结合的方法分析了拼接镜侧壁上的掠射现象。终于找到了放牧图像的原因和解决方法。给出了避免角的确定方法。实验证明该方法是可靠有效的。本文提出的解决方案可以应用于后续光学拼接相机的焦平面设计,避免地面成像中重影引起的图像混淆。为了进一步提高镶嵌区域的图像质量,我们可以继续研究镶嵌区域非成像杂散光的分析和抑制。

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