CN103868526B - 空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光检测方法 - Google Patents

空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光检测方法 Download PDF

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Abstract

空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光检测方法，属于航天光学遥感技术领域。本发明方法采用积分球模拟光源，利用平移及转动积分球模拟光学遥感器视场内外的光源变化，在不同光源影响下利用空间光学遥感器进行成像。通过测试光学遥感器的响应输出情况，确定视场外光源的影响范围，从而检验杂散光抑制措施的有效性及正确性，确保空间光学遥感器在轨成像质量。

Description

空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光检测方法
技术领域
本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种空间光学系统视场外杂散光的检测方法。
背景技术
目前，部分空间光学遥感相机配置了非球面三反同轴偏视场式光学系统。光学系统中，反射镜采用光学拼接形式，在轨道上运行工作时，其任务是探测地面目标，使目标均匀成像。
杂散光是指到达光学系统像面的非成像光束，它对光学系统的直接影响表现在降低像面的对比度，降低图像的信噪比，使得成像质量下降。作为标定光学成像质量的重要参数之一，视场外杂散光的检测极为重要。
三反同轴光学系统一般在以下位置设计杂散光抑制结构：
1、设置外遮光罩，遮挡大角度入射的光线；
2、设置次镜遮光罩，遮挡小角度入射的不经过主、次镜反射而经由中心孔到达后续系统的光线；
3、设置主镜消光锥，遮挡经由次镜遮光罩边缘，以一定张角入射的不经过主、次镜反射而经由中心孔到达后续系统的光线；
4、设置第三镜及中心折转镜光阑。
杂散光抑制结构的设计会增大视场内光线的遮拦，遮拦比的增大会引起成像质量下降，因此杂散光抑制结构的设计余量通常很小；同时，在光学系统实际的装调过程中，由于加工误差、安装误差等原因，使得杂散光抑制结构无法与理论设计保持完全一致；另外杂散光抑制结构间的不匹配也会引入视场外光线，从而影响成像质量。目前，对光学系统设置的外遮光罩、次镜遮光罩和主镜消光锥的组合杂散光抑制效果，通常是通过仿真分析，计算获得杂光系数来说明的，并没有标准的检测方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间相机光学系统视场外杂散光的检测方法，可以实现三反同轴光学系统视场外杂散光的定性检测，消除空间相机在轨飞行时杂散光影响成像质量的隐患。
本发明的技术解决方案是：空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光检测方法，步骤如下：
（1）确定空间光学遥感器的有效视场；所述的有效视场是一个直径为H的圆形，H=空间光学遥感器遮光罩口径+L*tan(θ/2)，其中L为积分球与空间光学遥感器遮光罩的距离，θ为空间光学遥感器的视场角；
（2）固定空间光学遥感器，将积分球置于空间光学遥感器的中心视场内并使得积分球成像在光学遥感器的CCD线阵中心位置；调整积分球的亮度使得空间光学遥感器像面的DN值饱和并记录，由此确定空间光学遥感器的成像参数；
（3）确定空间光学遥感器的外视场；所述的外视场是一个位于有效视场之外并紧邻有效视场的圆环形区域，所述圆环形区域的内外边界与空间光学遥感器光轴的夹角分别为α和β，α=θ/2，β=arctan(D/2L1)，其中L1为空间光学遥感器同轴三反光学系统的主镜与遮光罩的距离，D为空间光学遥感器同轴三反光学系统的主镜直径；
（4）将积分球移动至空间光学遥感器的外视场，在保证空间光学遥感器成像参数不变的前提下，在空间光学遥感器的外视场范围内移动或者转动积分球并记录积分球在对应位置处空间光学遥感器像面的DN值，如果在积分球的某个固定位置处记录的像面DN值相对于步骤（2）中记录的像面DN值有提升，则判定空间光学遥感器的同轴三反光学系统受到了视场外杂光的影响。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法通过确定光学遥感器的有效视场、外视场实现了对进入光学系统的视场外杂散光的位置确定；通过在外视场移动景物模拟器并进行成像，实现了对视场外杂散光的成像模拟；通过在统一成像参数下，与中心视场的像面DN值对比，实现了对光学系统是否受到了视场外杂光影响的判定；从而实现了对视场外杂散光的定性测试，克服了以往只进行定性分析、成像性能测试的不完全、不充分性的弊端。本发明方法工程实施性强，便于操作，数据便于分析判读，可靠性高。
附图说明
图1为线阵平面外遮光罩和次镜遮光罩尺寸匹配最优状态示意图；
图2为抑制偏场方向一次杂散光的临界条件图；
图3为本发明方法的原理图；
图4为本发明光学遥感器外视场计算示意图。
具体实施方式
线阵平面外遮光罩和次镜遮光罩尺寸匹配最优状态如图1所示。图中E点为相机外遮光罩边缘点，B点为次镜遮光罩上边缘点、P点为主镜消光锥上边缘点，C点为三镜下边缘点。最优消杂光状态为满足E点、B点、P点及C点四点共线。抑制偏场方向一次杂散光的临界条件如图2所示，图中B1点、B2点分别为次镜遮光罩的上边缘点和下边缘点，P1点、P2点分别为主镜消光锥的上边缘点和下边缘点，C1点和C2点分别为三镜的下边缘点和上边缘点。最优消杂光状态为满足B1点、P1点及C1三点共线，此时上半部分的杂散光不能穿过主镜中心孔到达三镜；满足B2点、P2点及C2点三点共线；此时下半部分的杂散光不能穿过主镜中心孔达到三镜。
本发明采用积分球模拟成像光源。空间光学遥感器固定，将积分球放置于遥感器视场外的不同角度，遥感器对不同视场进行成像，如图3所示。通过测试光学遥感器的响应输出情况，确定视场外光源的影响范围，具体步骤如下：
1、首先在空间光学遥感器的中心视场，即成像在CCD线阵中心位置，对积分球的亮度进行标定，最好调整积分球的亮度使得像面的DN值接近饱和，DN值在900左右（受限于积分球亮度，不接近饱和也可以，测试敏感度稍微差些），由此确定空间光学遥感器的中心视场成像参数。然后将积分球移动至光学遥感器的视场外，在保证光学遥感器成像参数不变的前提下，来判断视场外光线对成像的影响程度；
2、确定空间遥感器的有效视场，由此确定视场外的角度范围为（α～β），α、β具体计算公式如下，示意图如4所示；
H=遮光罩口径+L*tan(θ/2)为遥感器在积分球放置处的有效视场范围；
α=θ/2
β=arctan(D/2L1)
以上几式中：
L—积分球与光学遥感器遮光罩距离
θ—光学遥感器视场角
L1—主镜与遮光罩的距离
D—主镜直径
3、积分球模拟的视场外光源在光学遥感器的视场外范围内（α～β）移动（例如作上、下、左、右的方向移动），在移动过程中，对比中心视场，通过像面DN值的抬升（地面检测设备读取）来判断视场外光线对成像的影响。在像面处，只要有DN值的抬升，均视为视场外杂光影响；因为不同的光学遥感器对视场外杂散光的敏感程度不同，杂散光对成像质量的影响也不同，因此应根据光学遥感器的成像质量要求具体分析视场外杂散光的对成像质量的影响，并采取相应的解决措施。
实施例
依据本发明空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光的检测方法对某全色多光谱相机进行了杂散光测试。试验中，积分球距离遮光罩前端的距离为3m，水平旋转范围为（-13°～+13°），俯仰旋转范围为（-10°～+10°）；使积分球从相机视场外边缘起向远离相机视场的方向，作上、下、左、右的方向移动，测试杂散光对像面的影响。
表1遥感器成像参数设定值
谱段 P B1 B2 B3 B4
级数 24 24 16 4 8
增益 0 01f0 01c9 0100 0
积分球在相机两侧移动时，测试相机输出响应情况，具体测试数据如表1、表2所示。试验表明，在特定角度下，视场外光源会在像面造成局部DN值的抬升。
表2积分球不同位置时P谱段抬升的DN值
表中积分球坐标值均以光轴为原点，通过表中数据可知：在线阵方向±9.2°范围内移动时，偏场方向6.9°～8.7°范围内有DN值的提升；在偏场方向6.7°～9.2°范围内移动时，线阵方向±9.2°范围内均有DN值的提升。因此相机杂散光抑制措施未能覆盖的特定视场外角度分别为：偏场方向：6.9°～8.7°，线阵方向±9.2°，说明视场外杂散光对相机成像产生了影响。
通过试验测试数据并复核杂散光抑制结构的设计，对杂散光抑制结构的匹配情况进行设计改进，测试试验及在轨飞行数据证明，改进后的结构很好的抑制了杂散光，保证了良好的成像质量。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.空间光学遥感器三反同轴光学系统视场外杂散光检测方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定空间光学遥感器的有效视场；所述的有效视场是一个直径为H的圆形，H＝空间光学遥感器遮光罩口径+2*L*tan(θ/2)，其中L为积分球与空间光学遥感器遮光罩的距离，θ为空间光学遥感器的视场角；
(2)固定空间光学遥感器，将积分球置于空间光学遥感器的中心视场内并使得积分球成像在空间光学遥感器的CCD线阵中心位置；调整积分球的亮度使得空间光学遥感器像面的DN值饱和并记录，由此确定空间光学遥感器的成像参数；
(3)确定空间光学遥感器的外视场；所述的外视场是一个位于有效视场之外并紧邻有效视场的圆环形区域，所述圆环形区域的内外边界与空间光学遥感器光轴的夹角分别为α和β，α＝θ/2，β＝arctan(D/2L1)，其中L1为空间光学遥感器三反同轴光学系统的主镜与遮光罩的距离，D为空间光学遥感器三反同轴光学系统的主镜直径；
(4)将积分球移动至空间光学遥感器的外视场，在保证空间光学遥感器成像参数不变的前提下，在空间光学遥感器的外视场范围内移动或者转动积分球并记录积分球在对应位置处空间光学遥感器像面的DN值，如果在积分球的某个固定位置处记录的像面DN值相对于步骤(2)中记录的像面DN值有提升，则判定空间光学遥感器的三反同轴光学系统受到了视场外杂光的影响。
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