1 引言

多角度偏振成像仪(DPC)是一种大视场画幅式低畸变成像的偏振传感器,能够获取多角度遥感图像信息,探测精度是重要的技术指标^[1]。光学系统的杂散光是指探测器接收到的非成像光线。非成像光线到达探测器表面形成杂散辐射,会降低图像的对比度、清晰度,严重时目标图像会被杂散辐射噪声湮没,导致光学仪器无法正常工作^[2-3]。对于多角度偏振成像仪来说,杂散光会造成成像质量下降,最终降低仪器的探测精度。为了抑制杂散光到达像面,一般会采用遮光罩、挡光环等消杂光措施^[4-5]。然而,这些措施并不能完全消除杂散光,尤其是对于多角度偏振成像仪这类大视场成像仪视场内的杂散光,因此必须研究合适的杂散光校正方法。

目前杂散光校正方法主要有图像复原法和矩阵法。图像复原是从已知的降质图像恢复出原始图像,是一种反降质的过程,针对不同的降质类型和退化过程国内外学者提出了一系列算法^[6-9]。例如,国外Iwasaki 等^[6]采用Van-Cittert迭代算法对鬼像予以处理。国内原育凯等^[7]针对FY-2气象卫星的扫描辐射计杂散光问题,采用逆滤波算法实现校正。矩阵法最早由Zong等^[10-11]提出,它的基本思想是获取不同视场位置的杂散光扩散函数,从而得到成像系统的杂散光分布矩阵以实现杂散光的校正,该方法已成功应用到多个载荷^[12-15]。为了达到更优的杂光校正效果,Laherrere等^[16]针对地球反射比的偏振化和指向性(POLDER)仪器提出了一类和二类杂光的概念,运用反卷积算法校正了一类杂光,并将像面分成若干照明区域获得杂光分布矩阵校正了二类杂光。

本文结合多角度偏振成像仪的工作原理和光路结构特点,介绍了该仪器杂散光的成因,重点分析了局部杂光和全局杂光的特性,建立了仪器的杂散光模型,提出了分区域获取杂光系数矩阵的方法,并通过实验测量了仪器全视场的杂光分布。最后,通过待校图像与杂散光系数矩阵的数值运算实现了图像校正。实验结果表明,此杂散光的校正方法基本上消除了多角度偏振成像仪视场内杂散光的影响。

2 多角度偏振成像仪光学系统特点

多角度偏振成像仪^[17]采用大视场光学系统加面阵电荷耦合器件(CCD)探测器,通过滤光检偏组件转动切换光谱波段和偏振检测方向分时获取大气偏振成像信息,光学系统结构图如图1所示。光学镜头主要由大口径的负透镜前组和双胶合的正透镜后组构成。前组的主要作用是减小光束与光轴的夹角,尽量消除系统的像散和畸变,为后组的聚焦成像做准备;后组对前组的剩余像散、剩余畸变以及其他像差给予平衡并对光束进行聚焦。前组和后组配合形成反远距结构并构成像方远心光路。仪器沿轨和穿轨方向视场均为100°,探测器为帧转移型 CCD 探测器,有效成像的像元数为512×512。

图 1. 光学系统结构图

Fig. 1. Structure of optical system

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3 多角度偏振成像仪杂散光特性分析

杂散光可分为外杂光、内杂光和成像杂散光。外杂光是光学系统外部的辐射源经过内部结构件多次反射衍射到达探测器的辐射能量;内杂光是光学系统内辐射源经系统表面的反射、折射或衍射传播而进入探测器的辐射能量;成像杂散光是成像光线经非光路表面散射、或经光路表面的非正常传播而进入探测器的辐射能量^[2]。多角度偏振成像仪光学镜头共有12片透镜 (20个介质面),杂散光在外遮光罩及内消杂光机构的作用下,由透镜面、滤光片(光谱、偏振、中性衰减)、CCD之间的多次反射形成,这些杂散光主要为成像杂散光。

通过上述对多角度偏振成像仪光学系统特点和实际杂光成因分析,将杂散光分为局部杂光和全局杂光两种,以便分类测量校正^[16]。

3.1 局部杂光

空间成像光学遥感器的目的是获取高质量的清晰图像,而由于光学系统镜面镀膜的非理想性,成像光线会在平板光学元件表面和CCD光敏面之间形成反射,最终照射到CCD上造成图像的降质或降晰。在成像模型中,点扩散函数描述了一个理想的脉冲信号经过成像系统后所成的图像,把在像面局部区域内由于点扩散引起干扰其他像元的辐射量称为局部杂光,其形成机理如图2所示,这里示意了CCD与临近平板表面之间反射形成的杂光。实际系统获得的图像可以用真实图像与点扩散函数的卷积来表示,因此可以通过测量或评估不同视场的点扩散函数运用反卷积的方法来实现局部杂光的校正^[18]。

图 2. 局部杂光形成原理图

Fig. 2. Schematic of local stray light origin

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图 3. 局部杂光模拟结果。(a)照度图;(b)对数图

Fig. 3. Local stray light simulation results. (a) Illuminance diagram; (b) logarithmic diagram

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为了评估多角度偏振成像仪局部杂光的量级大小,使用LightTools模拟分析了CCD与最近的4个表面反射形成的杂光。以865 nm为例,根据实测结果设置各表面的参数,CCD 阵列反射率为18.8%,反射面1反射率为1%,反射面2反射率为2.7%,反射面3和反射面4反射率均为2%。图3是模拟的结果,图3(a)展示了二维空间的单像元照度分布;图3(b)是对数图,可明显地看出目标光源附近较强的扩散半径是r=20像元,在信号值是10⁷量级时,ϕ40像元内扩散的单像元杂光的量级是10,即点扩散的单像元杂光是信号值的10^-6。根据CCD的满阱比计算仪器的饱和DN值是9600 DN,假设目标光响应为9000 DN,点扩散杂光只有0.009 DN。而多角度偏振成像仪单次成像的噪声是14 DN,采集100幅图像平均后噪声降低到1.4 DN。即使100倍饱和照明的条件下,点扩散杂光只有0.9 DN,只是仪器的噪声水平。经过上述分析发现,局部杂光较小,量级难以测量,所以无需单独测试,其微弱的残留效应当成全局杂光处理即可。

3.2 全局杂光

全局杂光包含了镜筒的散射和反射、多个镜片和滤光片及CCD之间的多次反射及像面聚焦和未聚焦的鬼像,是一种全像面的空间低频杂光。这是大视场多镜片成像系统特有的现象,而且其杂光强度是全局的累加效应,随光源面积的增加而增强。实验室用黑带法测试了全像面照明下的杂光系数,测试结果约为5%。假设一个像元被照亮8000 DN时,探测器其他像元接收的能量是0.0015 DN,而100×100个像元区域被照明时,杂散光将会增加到15 DN。

对于全局杂光的特点,本研究用实验中采集到的图像来说明。当仪器被积分球光源照明一个小的圆形区域,其他没有被照明的地方应该是全黑的,然而实际情况是有三种不同类型的额外响应,如图4所示。第一种是一圈一圈的亮环,它是透镜边缘的散射造成的;第二种是鬼像^[18],是镜头介质表面偶次反射聚焦成像形成的;第三种是遍布整个CCD像面的连续低频部分。其杂光分布随着目标源成像在CCD的不同位置而不同,如图4所示,当光源照亮在CCD 中心时,其鬼像与目标光重合;当光源在其他视场时,鬼像表现得更为明显。另外,多角度偏振成像仪的辐射测量精度为5%,此量级的杂光影响仪器的辐射测量精度,所以必须对其进行校正。

图 4. 多角度偏振成像仪全局杂光表现。(a)中心视场;(b) 15°视场

Fig. 4. Global stray lights performance of directional polarization camera. (a) Center field of view; (b) 15° field of view

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4 多角度偏振成像仪杂散光校正模型构建

对于多角度偏振成像仪来说,118°大视场成像,不同视场光线照明下目标光对其他像元的影响未知,同一视场不同方位角也可能不是旋转对称的,所以需要全像面分区域测量不同区域照明下的杂光分布。这样分区域直接测量的优点是,在保证测试精度的情况下,其参数较为完整,模型较为精确。为了获得杂光比较强的影响,需要拍摄两幅图像,一幅在仪器的动态范围内,另一幅是过饱和曝光,因为多角度偏振成像仪的线性很好,对同一稳定光源成像可以通过计算短积分时间的图像获得过饱和积分的能量。在全像面均匀响应8000 DN条件下,分成N×N区域时每一块的杂光信号约为400/N²。N的值太小,则单个区域视场较大,采样稀疏,不能全面反映各个分视场下的杂光分布情况;N的值太大,则杂光信号太小,不易测量且测试误差大。经过分析,N 的值在9~13之间为宜,在综合考虑数据的可靠性、有效性及时间成本的前提下,N最终选取为11。分区11×11时每一块的杂光信号约为400/11²=3.3 DN,10倍饱和曝光下杂光信号为33 DN。多角度偏振成像仪采集100幅图像平均后噪声降低到1.4 DN,预估杂光测试误差约为1.4/33≈5%,即理论上可消除95%的杂光。

根据上述分析,本研究最终采用杂散光系数矩阵来描述多角度偏振成像仪的全局杂散光模型。在某一块区域D被有效光照亮时,理想情况下只有该区域有响应,但由于存在杂散光,该光源对全像面其他像元也有影响,称之为杂散光分布D_i,j。获得多角度偏振成像仪全像面上 11×11 个区域的响应分布后即可构建杂散光系数矩阵。

如图5所示,以面阵CCD左上角为坐标原点,将512×512像元划分为11×11个区域,每个区域由46×46个像元组成。光源以某个视场角入射到多角度偏振成像仪中,会成像于像面特定的位置,如图5中标红位置所示,则该区域平均响应值为 Y̅m,n(m=1,2,…,11; n=1,2,…,11),而其他像元的响应值为y_i,j(i=1,2,…,512;j=1,2,…,512),则每一个像元的杂散光系数为

di,j=yi,jY̅m,n。(1)

图 5. CCD分区图

Fig. 5. Partition diagram of CCD

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在该区域照明条件下杂散光系数矩阵为

Dm,n=d1,1d1,2…d1,j…d1,512d2,1d2,2…d2,j…d2,512︙︙︙︙︙︙di,1di,2…di,j…di,512︙︙︙︙︙︙d512,1d512,2…d512,j…d512,512,(2)

式中D_m,n代表某一块区域照明下的杂散光系数矩阵,D_m,n总共有11×11个;d_i,j代表每一个像元的杂散光系数,照明区域内的系数设置为零。

根据上述理论,同样把待校图片也划分为11×11区域,且各个区域求均值,可表示为

Ameans=a1,1a1,2...a1,11a2,1a2,2...a2,11︙︙︙︙a11,1a11,2...a11,11,(3)

式中A_means代表图像区域均值矩阵;a_1,1,a_1,2,…,a_11,11为各个区域平均灰度值。

仪器像面的辐射响应可表示为

Y=YIB+a1,1·D1,1+a1,2·D1,2+…+a11,11·D11,11=YIB+∑m=1,n=111,11am,n·Dm,n,(4)

式中Y为仪器像面所有像元的辐射量实际测量值,Y_IB是仪器像面所有像元的辐射量的理想值,D_1,1,D_1,2,…,D_11,11为不同区域照明的杂散光系数矩阵,当仪器结构不变的情况下,D_m,n为常量。可通过上式求得Y_IB,实现多角度偏振成像仪的杂散光的校正。

5 多角度偏振成像仪杂散光系数矩阵测量

基于上述理论,要实现杂散光的校正,彻底的解决办法是测量本仪器11×11区域的的杂散光系数矩阵。通过分区域照明来表征照明区与其产生的杂光的数学关系,测量系统原理图如图6所示。

图 6. 多角度偏振成像仪杂光系数矩阵测量系统图

Fig. 6. Stray light coefficient matrix measurement system of directional polarization camera

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为满足仪器光谱波段及辐射亮度的要求,实验光源选用大口径的卤灯积分球和发光二极管(LED)积分球^[19],为了实现过饱和照明,443,490 nm杂光测试选用LED积分球,565,670,763,765,865,910 nm杂光测试选用卤灯积分球。为了降低环境和一次反射光对测量的影响,整个实验的测量都是在两级暗室条件下进行。通过ZEMAX软件仿真,发现了多角度偏振成像仪入瞳形状和入瞳直径与视场有关,为了实现像面矩形区域照明,逆向追迹得到不同视场下光阑的形状和尺寸。像面划分为121个区域,每一个区域由46×46个像元组成,电控二维转台带动多角度偏振成像仪转动,实现分视场测试。对于每一个区域,用积分球照明,通过更换光阑,得到一个覆盖此区域的图像。

对上述实验采集到的图像,分别采用暗电流校正和帧转移效应校正^[20]。根据预处理后的121幅图像构建杂散光系数矩阵。提取未饱和图像的信号值来替换过饱和的信号值,替换过后全像面响应归一化处理,每个像元得到一个杂光影响因子,目标光对本区域的影响因子设置为零,得到最终的杂散光系数矩阵。图7是某一区域照明下杂散光系数矩阵的测量结果,每一个通道,结果都是121个杂散光系数矩阵,每一个矩阵都是512×512个元素。

图 7. 某一区域的杂光系数矩阵测量结果

Fig. 7. Measurement result of stray light coefficient matrix in a certain region

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6 多角度偏振成像仪杂散光校正实验验证

图 8. 多角度偏振成像仪杂光校正效果。(a)校正前;(b)校正后

Fig. 8. Effect of stray light correction of directional polarization camera. (a) Before correction; (b) after correction

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多角度偏振成像仪在暗背景下采集了积分球照亮像面某一块区域的图像,在进行暗电流校正和帧转移校正后,对待校图像进行分块,使用实测得到的121个杂散光系数矩阵依次对图像进行了校正。图8展示了校正前和校正后的对比效果,为了更好地显示效果,对比度被拉伸,光源响应值为3800 DN,黑色区域为0 DN,白色区域大于10 DN。可以看出大部分杂光(包含亮环、全像面连续的低频杂光)已被校正,但光斑边缘有残留,这是由两方面原因引起,一方面是算法本身是对图像分块内的均匀校正,没有考虑成像形状,存在一定的误差;另一方面是实验采集的照明区域比理论设计的照明区域偏小且位置有偏差,在构建杂散光系数矩阵时,手动扩展了目标光区域,从而导致与目标光区域相邻的区域边缘处杂光未校正。图8(b)中红色框标示的边缘平均残留是25 DN,与目标光3800 DN相比,残留量为目标光的0.7%,在可接受的范围内。因此,该方法的关键是精确地获取杂散光系数矩阵,并严格控制实验过程中的测量误差。另外,校正后图像残留的横条纹是图案噪声^[21],这是由于CCD本身特性的不均匀性引起的,后续还将研究相关算法进一步消除该噪声。

选取了图8中红框所示的4块区域来表征杂光校正定量化的结果,分别计算此区域校正前和校正后的平均值,结果如表1所示。由表1 结果可以看出,所有区域杂散光的影响都衰减了90%以上,与实验前构建模型时理论分析结果基本一致,消除了至少90%的杂光,这说明杂散光校正效果良好。另外校正后的单像元杂光信号值均小于10,这也可以更好地说明此校正方法将杂光信号校正到了仪器的噪声水平。

7 结论

介绍了多角度偏振探测仪杂散光的成因和表现特点,重点分析了局部和全局杂散光的特性,建立了仪器杂散光模型,提出了分视场测量杂光分布的方法,并设计相关实验获取了全视场的杂光系数矩阵。最后通过对暗背景积分球图像的校正,发现此校正方法至少可以消除多角度偏振成像仪视场内90%的杂光。

杂散光是影响光学遥感仪器测量精度的重要因素之一,解决杂散光问题的最重要的环节之一就是对其校正。所提出的杂散光校正方法对其他常规广角透射式成像遥感器同样具有一定的适用性。