大视场空间目标搜索相机鬼像抑制及试验验证

胡雄超，宋卿争，马英超，郑循江，杨宵

（1.上海航天控制技术研究所，上海 201109；2. 上海空间智能控制技术重点实验室，上海 201109）

1 引言

空间技术的快速发展使得空间目标数量急剧上升，包括卫星、空间站和空间碎片等[1]。这些空间目标对空间飞行器的在轨安全运行带来了极大的风险[2,3]，因此，须对空间目标进行探测与实时处理。天基空间目标监视设备较之于地基设备，不受地理位置和云、雨、雾等气象条件约束，不存在大气扰动和天光背景影响，可全天时全天候工作[4]。现阶段天基空间目标监视设备主要包括雷达、天基望远镜和空间相机等。雷达抗干扰能力强，但受测量距离限制；天基望远镜观测距离远、精度高，但视场小、机动能力差、目标重访周期长；空间相机成为空间目标监测的重要测量敏感器[5-7]。国内外现有空间相机大多为小视场[8]，为加大搜索范围、缩短目标重访时间、提高空间目标探测的实时性，大视场空间目标搜索相机的设计十分重要。

杂散光是光学系统中非正常传输光的总称，在轨的杂散光主要由太阳光、月亮光及地气光产生。鬼像是杂散光的一种表现，是透射光学系统中少数反射光再成像造成的[9,10]，若不进行有效的抑制，将干扰目标的正常成像[11]。 大视场光学系统由多镜片组合而成，更易产生鬼像[12,13]。现阶段空间光学相机对鬼像的抑制主要是控制光学系统表面质量、表面清洁度，在初始光学设计时对鬼像进行快速初步分析，通过不断调整光学系统构型及内部光学元件参数，尽可能在保证系统成像质量前提下，对鬼像进行消除[14]。同时对鬼像进行建模并拟合校正[15-17]，减小曝光时间以及图像处理[18]也是常用的鬼像消除方法。这些方法均未能从鬼像产生的杂散光光谱源头去分析并加以抑制。

本文针对大视场搜索相机月光进入视场时在像平面上产生鬼像的现象，结合实际产品光学系统的组成结构，使用软件ZEMAX仿真确定了产生鬼像的原因：月光经探测器表面及第6 镜片二次反射后在探测器上成的像。进一步分析了不同波长的光在探测器表面的反射率和探测器自身的敏感光谱范围，提出来一种在探测器玻璃保护盖上增加光学截止膜的方法来抑制鬼像的方法。经试验验证，增加光学截止膜后不仅减弱了鬼像能量，还减小了鬼像区域背景的灰度梯度，避免杂点被误提取。

2 鬼像现象及影响分析

2.1 搜索相机鬼像现象

本文的空间目标搜索相机进行外场观星时，发现当月亮进入到视场内时，出现了正常星图以外非正常成像（鬼像），如图1所示。

图1 月光入视场时相机成像图Fig. 1 Camera image when moonlight enters the field of view

探测器大小为2048×2048pix，像元大小为6.5μm×6.5μm，光学系统焦距为23.5mm。月亮中心位置（1654，1228），鬼像中心位置（360，852），鬼像同月亮图像基本沿光学系统光轴对称。

2.2 鬼像对恒星提取的影响

截取鬼像区域X:197～521，Y:676～1052进行分析，结合采集的质心坐标数据和恒星星表数据，得到鬼像区域探测恒星点统计表如表1所示。

表1 鬼像区域探测星点统计Table 1 Ghost image region detection star points statistics

根据背景阈值分割质心提取算法，调整图像背景灰度阈值为78（鬼像区域背景灰度均值），并在鬼像处标出探测恒星点，包括4颗恒星和1颗误提取点。

由表1序号1～4探测星点可知鬼像区域内星点可被提取，其中还有1颗6.75Mv星。如图2所示，序号5探测星点未在星库内（比对该产品其它图像及质心数据，未在该位置提取出质心坐标，排除图像噪点可能），判定序号5探测星点为误识别点。

图2 鬼像区域内质心位置图Fig. 2 Location map of centroid in ghost image area

连续采集质心数据包数据1491 帧（149s），画出鬼像区域探测目标点轨迹图如图3所示。

图3 鬼像区域内质心轨迹图Fig. 3 Centroid locus in ghost image area

在采集探测质心数据过程中，鬼像区域新增一颗6.85Mv，星表ID47779，谱段k0，探测概率为3.35%。其余探测概率统计见表1。除误提取点以外探测概率均在98%以上。

鬼像区域目标能被稳定提取（98%以上探测概率），同时存在被误提取的目标（探测概率0.5%）。鬼像对星点的误提取存在影响，因此需要对鬼像进行抑制。

3 鬼像成因仿真分析

鬼像也即二次成像，是指光学系统中任意两个表面反射后最终经过系统所成的像。如果鬼像在像平面上发散得很大，那么它可以视为无害的或可忽略不计。如果它会聚在像平面附近的话，即使光学零件镀了减反射膜，它的剩余反射依然会对成像带来较大影响，轻者降低系统灵敏度，重者产生虚假信号，不利于观察。

从理论上来说，光线在光学系统任一折射面都会发生多次的反射和折射，两个面之间每发生一次往返的反射即可形成一次鬼像，这样就有非常多的鬼像。但是，通常光学系统都是要镀减反膜的，以可见光为例，镀膜后单面反射率约为0.01，经过两次反射，反射光线的能量约为原能量的1／10000。因此在光学设计阶段，一般只考虑二次反射引起的鬼像影响，对于有k个折射面的光学系统，其任意两面间各一次反射造成的鬼像的数目为式（1）：

本任务中光学系统由8 片透镜组成，光学反射面为16，考虑探测器表面反射，即k=17，则二次反射鬼像数目n=136个。

用ZEMAX软件对光学系统所有的二次成像进行全面光线追迹分析，设月亮（亮目标）入射角与视轴夹角为0°和15°时，光路追迹图及鬼像形状如图4、图5所示。

图4 月亮0°入射时仿真图Fig. 4 Simulation diagram of the moon at 0° incidence

图5 月亮15°入射时仿真图Fig. 5 Simulation diagram of the moon at 15° incidence

由图4和图5可知，鬼像同月亮图像沿光学系统光轴对称，鬼像在月亮0 度入射时月亮和鬼像重合，鬼像在月亮15°入射时，鬼像形状与实际观星拍摄图片一致。

满月时月亮的亮度约为-12.7Mv，假设搜索相机探测器的极限灵敏恒星星等为7.5Mv 等星，那么月亮的亮度相对搜索相机探测能力来讲大约相差为20 星等，按照5 个星等相差100倍的计算方法，满月时，月亮的亮度约为搜索相机极限探测能力的108 倍。此时，假如鬼像能量大于10-8，那么其将会被探测器所识别，这也是由于相机本身具有较强的极限探测星等造成的。如图5 可知，由光路追迹图看出当月亮以与光轴成一定角度入射时，鬼像是月光经探测器表面反射，在第6 镜片处反射后在探测器上成的像。

4 搜索相机鬼像抑制

由第3 节的鬼像能量和光学仿真分析可知搜索相机在月光进视场时是由探测器反射月光并在第6 片镜出二次反射形成。将光谱范围200～850nm 的光以不同入射角入射探测器表面，结果表明200～450nm 和750～850nm 光谱范围的反射率大于10%，存在产生鬼像的风险。

参考所使用探测器手册，得到光谱响应曲线，如图6 所示。该款探测器灵敏光谱范围为400～750nm，结合探测器表面反射率试验数据，可在探测器保护玻璃片上增加光学截止膜，截止波长小于450nm 的光波，从而减弱鬼像能量，达到鬼像抑制的目的。

图6 探测器光谱响应曲线Fig. 6 Detector spectral response curve

5 试验验证及结果分析

5.1 探测灵敏度试验验证

在光学暗室对搜索相机产品进行增加光学截止膜前、后的探测灵敏度对比测试。调整恒星模拟光源电压，输出模拟星等分别为5.0Mv 和6.0Mv，拍摄视场内不同位置点的星点图像，测试结果如图7。

图7 有、无光学截止模星点能量分布对比图Fig. 7 Comparison of energy distribution of star points with and without cut-off film

比较增加光学截止膜前、后的星点成像能量，如表2 所示，增加光学截止膜前、后探测灵敏度无明显区别，不会影响暗弱目标的提取。

表2 有、无光学截止模星点能量结果对比统计Table 2 Comparison and statistics of star point energy results with and without cut-off film

5.2 观星试验验证

（1）第一次观星试验

2022年11月6日（农历10月13日），对搜索相机产品（有光学截止膜）进行第一次观星试验验证，验证鬼像抑制效果。月光进视场时拍摄图像如图8所示。

图8 增加光学截止膜后月光进视场图Fig. 8 Moonlight field of view after adding optical cut-off film

对截取鬼像区域图并在上面标注星点质心坐标位置，如图9所示。

图9 鬼像区域内质心位置图Fig. 9 Location map of centroid in ghost image area

增加光学截止膜后鬼像区域探测恒星点统计表如表3所示。

表3 鬼像区域探测星点统计Table 3 Ghost image region detection star points statistics

由表3及图9可知，鬼像区域提取的探测星点都在星表内，无误提取的质心坐标。

比较产品增加光学截止膜前后观星数据，如表4所示

表4 有、无光学截止膜比较统计表Table 4 Statistical table for comparison of with and without optical cut-off films

（2）第二次观星试验

2023年6月30日（农历5月13日），对搜索相机产品（有光学截止膜）进行第二次观星试验验证，观星图像如图10所示。

图10 第二次观星图像Fig. 10 Second stargazing image

统计分析第二次观星数据，与无截止膜数据比较，结果如表5所示

表5 有、无光学截止膜比较统计表(第二次观星)Table 5 Statistical table for comparison of with and without optical cut-off films（Second stargazing）

结合表4、表5数据可知，经两次地面观星试验验证，增加光学截止膜后搜索相机鬼像区域平均灰度均值由78（@8bit）降低到64，能量下降了17.95%；鬼像边缘与中心灰度差由22 降低到13，通过搜索相机质心提取算法和默认阈值偏移量（默认阈值偏移量15，灰度差小于15的像素不会被作为目标像素提取），可有效避免鬼像区域杂点被误提取。

6 结论

本文针对搜索相机杂散光进入视场时在像平面上产生鬼像的现象，分析了鬼像对目标提取的影响。对鬼像产生的原因进行光学仿真分析，提出了一种在探测器玻璃保护盖上增加光学截止膜的方法来抑制鬼像。经地面观星试验验证，结果表明：增加光学截止膜后，不仅减弱了鬼像能量，还减小了鬼像区域背景的灰度梯度，避免杂点被误提取。后续，还可改进现有质心提取算法，对鬼像进一步进行抑制。