2004, 15 (5): 564-571
国的静止气象卫星至今已成功发射FY-2A和FY-2B两颗，两颗卫星携带了同样的探测仪器即多通道扫描辐射计，获取了良好的三通道图像，但是两颗卫星的可见光、红外、水汽图像均存在不同程度的杂散信号。杂散信号叠加在云图上，不仅影响了图像的视觉效果，而且影响了定量化的气象应用。
国外静止气象卫星主要有日本的GMS、美国的GOES、欧洲的Meteosat、印度的INSAT和俄罗斯的GOMS。目前第二代静止气象卫星中除中国之外只有Meteosat采用自旋稳定方式的卫星平台，其他均为三轴稳定方式。自旋稳定方式控制简单，但主要问题是卫星扫描地球的效率只有5 %，其他时间均扫到了太空。为了提高光通量，确保必要的探测灵敏度，除了增大入射口径外，国内外几乎均采用了波长分光和视场分离相结合的方案。这类光学结构导致了杂散光信号的引入，都遇到了类似的杂散光问题，而且为此各国都采取了各种抗杂散信号的措施[1]。
图 1(彩图) 为日本GMS 5卫星云图，其中 (a)(b)(c) 是经过日本地面应用系统处理之后的红外、水汽、可见光展宽图像，(d)(e)(f) 是卫星直接下发的未做任何处理的红外、水汽、可见光原始图像 (GRAW)。分析比较图中处理前后的三个通道数据，可以明显看出两者的不同。原始图像的红外、水汽通道与“展宽”后的图像中太空部分有一个灰级的差别，分布情况相同，但可见光图像中地球本身数据未做改变，太空中的杂散信号却在展宽数据中被处理掉了，为零值。这充分说明GMS 5除卫星上采取了相应的抗杂散信号措施之外，地面应用系统也进行了相应的处理。
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| 图 1. GMSS卫星原始云图和展宽云图的比较 | |
1 伪彩色增强显示图像杂散信号
由于FY-2A卫星观测可见光图像中存在较明显的杂散光，FY-2B星研制中进行了试验分析并采取了一些技术措施试图减少杂散光。
为了直观定量地分析图像中特定的杂散光分布情况，针对不同通道图像杂散信号分布的特点制定特殊的伪彩色查找表，目的是区分和突出显示杂散信号的每一等级。如图 2(彩图) 所示的针对可见光图像的查找表，即采用将分布在低端的杂散信号的不同灰级赋予不同的颜色，高端仍采用线性的查表不变。
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| 图 2. 可见光图像伪彩色查找表 | |
1.1 可见光图像杂散光
如图 3(彩图) 所示，从FY-2A图像 (a) 和FY-2B图像 (b) 中可以看出二者均有不同程度的杂散信号，但FY-2A图像中呈现片状、FY-2B则为不规则的环状。
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| 图 3. FY-2A、FY-2B红外图像的杂散信号 | |
白天可见光图像的杂散信号同夜间的杂散信号不同，如图 4(彩图) 所示，(a) 是FY-2B白天可见光图像，(b) 是夜间可见光图像。其中白天可见光图像杂散光呈较明显的不规则环状分布。随辐射计观测的地球圆盘受太阳光照射范围大小和位置变化，杂散光强度和分布特征发生改变。卫星星下点地方时中午前后达到最强，其中图像西北角冷空间较强 (7月中旬图像中最高计数值达到8~10)，分布范围也最大，在22 :30(地方时) 左右强度最弱，分布范围也最小 (只出现在西北角冷空间局部，7月中旬图像中计数值为1~2)。
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| 图 4. FY-2B白天、夜间可见光图像的杂散信号 | |
根据杂散光分布的连续性和图像分析，可以判断在白天可见光图像中，杂散光不只出现在图像冷空间区域，同样不同程度影响到地球圆盘内部图像的量化值。由于太阳赤纬变化慢、此类杂散光强度和分布特征在逐日同时刻图像中变化不显著。
夜间可见光图像杂散光分布特征较复杂，在图像中表现为成片弥散状和形状不规则的亮斑。这类杂散光只出现在从23 :00到04 :00的图像中，其强度和分布明显随太阳位置和入射方向而变化。随太阳赤纬减小 (太阳照射辐射计的入射角减小)，这类杂散光逐日增强，最高计数值从7月中旬大约10到星蚀前后达到饱和状态 (亮斑部分)。因为此类杂散光只出现在夜间可见光图像中，除开对夜间可见光定标像计数值有一定影响外，对白天可见光云图的应用没有影响。
1.2 红外图像的杂散信号采用伪彩色增强 (反向查找表) 显示方法显示，FY-2A红外图像彩图 5(a)和FY-2B红外图像彩图 5(b)均有明显的杂散信号，图像中除地球圆盘东边空间小范围没有外，其他冷空间部位均可见。
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| 图 5. FY-2A、FY-2B红外图像杂散信号 | |
杂散信号呈不规则环状分布。图像西北空间部位杂散信号最强，最低计数值达到235到230(对应反向前最高计数值20到25)。此类杂散信号24小时的日变化不显著。
这类红外图像中的杂散信号在FY-2A卫星图像图 5(a)中只出现在圆盘图北端冷空间的不大范围内、计数值大约为255到234。因此同FY-2A卫星相比较，FY-2B卫星红外图像图 5(b)受杂散信号影响的范围明显加大，且强度略有增加。考虑到杂散信号在图像帧中分布的连续性，这种杂散信号将对红外图像的量化值有一定影响，只不过因地球图像本身的掩盖，在地球圆盘图像内无法目视观察到。
1.3 水汽图像的杂散信号由图 6(彩图) 中FY-2A水汽图像 (a) 和FY-2B卫星水汽图像 (b) 可以看出，FY-2A水汽图像中几乎没有杂散信号，但FY-2B卫星水汽图像有明显的杂散信号，图像中除地球圆盘东边空间小范围没有外，其他冷空间部位均可见。
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| 图 6. FY-2A、FY-2B水汽图像杂散信号 | |
FY-2A、FY-2B红外图像杂散信号分布呈弥散状，并且不同图像扫描行表现出一定的不均匀性。除图像地球圆盘外东部冷空间没有外，其他冷空间均有分布，其中北部较强，计数值大约为242~245(反向前相关计数值为13~10)。这类杂散信号24小时日变化不显著。
在FY-2A卫星的水汽图像中没有此类杂散信号发现，同红外图像的杂散信号一样，考虑到杂散信号分布的连续性，这类杂散信号也将影响到水汽图像中地球圆盘内部图像的量化值。
2 直方图分析杂散图像杂散信号直方图是分析数据分布的常用手段。计算公式及结果如下:
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His (g) 为灰度为g的直方图统计结果，i，j分别为图像的长和宽，P(i，j) 为i，j处像素的灰级。
图 7中 (a)、(b)、(c)、(d) 分别是红外通道的FY-2A展宽、FY-2B展宽、GMS 5原始GRAW和GMS 5展宽图像的直方图。图 8中 (a)、(b)、(c)、(d) 分别是可见光通道的FY-2A展宽、FY-2B展宽、GMS 5原始GRAW和GMS 5展宽图像的直方图。图 9中 (a)、(b)、(c)、(d) 分别是水汽通道的FY-2A展宽、FY-2B展宽、GMS 5原始GRAW和GMS 5展宽图像的直方图。其中横轴为图像中对应的灰度值，纵轴为图像中对应该灰度值的像素个数，即代表了图像中灰度级的分布数量。灰度的范围表明了图像中各种灰阶的分布范围即所谓的动态范围，对于红外图像为8bits，即0~255的取值范围，所以动态范围越大则图像的层次越多，越清晰；反之图像的灰度等级越差。
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| 图 7. FY-2A、FY-2B、GRAW、GMS 5红外通道灰度直方图 | |
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| 图 8. FY-2A、FY-2B、GRAW、GMS 5可见光通道灰度直方图 | |
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| 图 9. FY-2A、FY-2B、GRAW、GMS 5水汽通道灰度直方图 | |
对于圆盘图像，地球目标与周边的空间目标灰度值相差很大，因此表现为两个峰值。假若外空间没有杂散信号，则直方图中表现为一条线或较窄的峰，杂散信号使该峰值部分变宽了，如图中画黑圈的部分除去其中外空间的灰级，其他即为分布在圆盘图像之外的杂散信号。
直方图分析方法与伪彩色增强方式显示杂散信号分布状况不同，这里显示的像素数量直观地反映了背景中杂散信号的总量。可以看到FY-2A、FY-2B三通道的图像中存在不同程度的杂散信号，GMS 5可见光原始图像中有少量的杂散信号，但处理之后的展宽图像中除去了冷空间图像的杂散信号。
从直方图中可以看出FY-2A、FY-2B的红外、水汽通道图像的杂散信号的数量很小，且相互间分离，因此地面系统可以非常方便地处理掉冷空间区域的杂散信号；但是可见光通道中，代表地球的像元群落与代表外空杂散信号的像元群落互相连接，表明两者相互重叠，而且因不同时次可见光图像形状不同、边界不清。因此，地面系统实时处理 (生成展宽图像) 时要完全滤掉冷空间区域的杂散信号难度较大。
3 图像中杂散光的主要来源FY-2的观察视场南北达到20°，如此大的瞬时视角加上地球这样一个300 K左右的漫反射体，尽管采取了很多的措施如遮光罩等手段，但是仍有杂散的信号进入光学系统。从杂散信号的来源看主要分为两类，一是午夜时太阳直射光学系统引起的杂散光，二是白天太阳照到地球漫反射引起的杂散光。
太阳直射杂散光只出现在夜间可见光图像中，主要来源于太阳光直接照射辐射计前端部件形成杂散光。随太阳赤纬减小 (太阳照射辐射计的入射角减小)，这类杂散光逐日增强。由于午夜时刻太阳直射光学系统的时刻较短，而且此时的可见光图像几乎为零，没有实际应用价值，故影响较小。
地球圆盘反照杂散光主要出现在白天可见光图像中，主要来源于地球圆盘对太阳光的反照，由辐射计防辐射罩和前级光学系统反射形成的图像杂散光。由于太阳赤纬变化慢、此类杂散光强度和分布特征在逐日同时刻图像中变化不显著。
4 小结杂散光是自旋卫星扫描辐射计图像中的难以彻底攻克的难题，国内外同类卫星图像中均或多或少地存在，为解决此类问题主要依靠优化辐射计光路设计，研制扫描辐射计时需采取各种措施避免两种原因引起的杂散信号的引入；地面系统在实时处理、展宽图像时采取必要的处理措施，尽可能减小图像冷空间区域的杂散信号，但是无法去掉地球圆盘图像内部的杂散信号影响。
| [1] | Coordination Group for Meteorological Satellites. India's Experience on Stray Light Contribution in CCD Payload of INSAT-2E and Technical Approach Used to Avoid It on Future Satellites. Report of the Twenty-Ninth Meeting of the Coordination Group for Meteorological Satellites, Capri, Italy. 22-25 Oct 2001. |