CN103322981B - Tdi ccd相机的成像参数在轨优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TDI CCD相机的成像参数在轨优化方法，适应不同成像条件。首先，利用已有卫星图像，针对四季变化，建立全球地物反射率数据库；其次，结合相机系统的归一化响应度将太阳光谱辐亮度和积分球光谱辐亮度等效，根据辐射定标试验结果得到相机的系统输出和入瞳辐亮度的关系；最后，结合全球地物反射率数据库和太阳高度角变化，通过以上计算结果得到相机的参数设置建议。本发明在参数设置时能针对不同的地物目标、成像条件等数据实时计算出TDI积分级数和增益，提供给用户。本发明保证了在轨参数设置的准确性、实时性和可靠性，提高光学遥感器在轨成像性能和图像质量。

Description

TDI CCD相机的成像参数在轨优化方法

技术领域

本发明涉及TDICCD相机的成像参数在轨优化方法，属于航天光学遥感技术领域。 

背景技术

对于TDI CCD相机，可调整的参数很多，如积分时间、积分级数和增益等。对于积分时间，需要根据轨道高度、侧摆角度以及纬度进行相应调整。因此，TDI CCD相机的参数在轨优化主要是TDI级数、增益的合理使用问题。 

通过对遥感卫星图像质量进行统计和分析发现：同一轨卫星图像中，在相同的相机参数设置下，不同区域的卫星图像亮度差别很大。有的图像层次非常丰富，有的图像层次集中在少数灰度级上。在同一幅图像中，由于观测目标的不同，在整幅图像灰度值都偏低的情况下，部分区域仍会出现饱和现象。对于同一区域，随着季节、天气情况、地面景物反射的变化，图像差别也较大。要想满足所有成像时刻、所有区域、所有目标的图像都层次丰富，在同一相机参数的情况下是不可能实现的。 

现有的参数设置方法没有包含观测区域的反射率信息，只采用在全球范围内地物反射率高端预估法，不能适应地表景物的变化，但是同一轨图像中会包含多种地物，卫星可能分别在城市、沙漠、海洋、农田的上空成像，如果对不同的地物均采用高端预估法来确定地物反射率，则不能适应全球地物目标。因此现有技术带有一定程度的盲目性，时常出现图像过亮或过暗的情况。 

再者现有技术主要根据相机的辐射定标试验数据结合大气计算软件得出参数设置建议，这种算法要分别按照计算步骤手动算出参数组合，计算过程繁琐， 耗时长，并且可能出现由于人为计算错误造成的参数设置错误现象。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了针对不同的地物目标和成像条件的TDI CCD相机的积分级数和增益在轨优化方法。可以在相机系统论证阶段、相机开机工作前期，针对全球范围内不同的地物目标和太阳高度角，给出合适的TDI级数和增益设置建议。 

本发明的技术方案是：TDI CCD相机的成像参数在轨优化方法，步骤如下： 

1）根据当前成像区域的纬度当前成像时刻的太阳赤纬角δ和太阳时角t，计算获得太阳高度角h； 

2）根据春分、夏至、秋分、冬至四个典型节气已有的卫星图像资料，反演得到地物真实的反射率，并建立全球范围内不同典型地区、四个典型节气的地面目标反射率ρ数据库； 

3）根据步骤1）得到的太阳高度角h以及步骤2）得到的地面目标反射率ρ，计算获得太阳光下不同太阳高度角h、不同地面目标反射率ρ对应的到达相机入瞳处的光谱辐亮度L₁(λ)，再根据相机系统的归一化光谱响应，计算得到太阳辐射经过相机系统滤波后的辐亮度L₁，并建立各个谱段、不同太阳高度角h、不同地面目标反射率ρ对应的辐亮度L₁的表格L₁； 

4）由积分球辐射定标系统提供辐亮度已知且多档不同辐亮度输出级次的均匀光源，使用光谱辐射计测量获得积分球的光谱辐亮度L₂(λ)，并根据相机系统的归一化光谱响应，计算得到积分球光谱辐射经过相机系统滤波后的辐亮度L₂，并建立各个谱段、积分球不同辐亮度输出级次对应的辐亮度L₂的表格L₂； 

5）使用相机的地检设备和图像采集设备，采集相机系统在不同积分球辐亮度输出级次下的定标图像；在每个积分球辐亮度输出级次下，改变相机系统的 TDI级数和增益，得到相机系统在各个谱段、不同TDI级数和增益组合下系统的输出值，所述的输出值用图像中所有像元的灰度均值DN表示，设相机量化等级为nbit，DN∈[0,2ⁿ-1]；获得并建立各个谱段、不同积分球辐亮度输出级次所对应的辐亮度L₂下、不同TDI级数和增益组合下的DN值表格DN； 

6）建立关系DN=kL₂+b，根据步骤5）得出的表格DN中图像均值DN与辐亮度L₂的数值，计算得出各个谱段、不同TDI级数和增益组合下的k和b；设相机量化等级为nbit，则相机饱和输出时的DN值为2ⁿ-1，将DN=2ⁿ-1代入DN=kL₂′+b中计算获得相机各个谱段、不同TDI级数和增益组合下饱和输出时对应的辐亮度L₂′的表格L₂′； 

7）根据步骤6）获得的表格L₂′，在步骤3）的表格L₁中查找并获得与辐亮度L₂′相等的辐亮度L₁所对应的太阳高度角h和地面目标反射率ρ，建立相机各个谱段、不同TDI级数和增益组合下对应的太阳高度角h和地面目标反射率ρ的表格L₂′L₁； 

8）根据步骤2）得到的地面目标反射率ρ数据库，对应ρ∈[0.0,1.0]中的每一个值，查找步骤7）获得的表格L₂′L₁，获得各个谱段对应h∈[10°,80°]变化范围内的TDI级数和增益组合表格L₁L₂′； 

9）结合步骤1）得到的太阳高度角h和步骤2）得到的地面目标反射率ρ数据库，查找步骤8）得出的表格L₁L₂′，分别对应四个季节，针对不同的成像区域，建立适应该区域对应的地物反射率的TDI级数和增益组合表格，得到全球范围内的能适应四季太阳高度角变化、地物反射率变化的TDI级数和增益组合表格。 

步骤1）所述的太阳高度角h的具体计算公式为： 

其中太阳赤纬角δ的具体计算公式为： 

δ=arcsin(0.398sin(S_L))； 

S_L=4.87+0.0175d+0.033sin(0.0175d)； 

d=30(m-1)+m_d； 

式中d为日序，m为月份，m_d为第m月的日期； 

其中太阳时角t以当地时间12时为0°，前后每隔1小时加15°。 

步骤3）光谱辐亮度L₁(λ)的具体计算公式为： 

L₁(λ)=L_λτ_v； 

其中τ_v为上行大气透过率，L_λ为地球表面的入射辐亮度；所述地球表面的入射辐亮度其中ρ为地物反射率；H为地球表面的辐照度。 

经过相机系统滤波后的辐亮度L₁的具体计算公式为： 

$L_1=\frac{\∫L_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}};$

其中R(λ)为相机系统的归一化光谱响应。 

步骤4）中经过相机系统滤波后的辐亮度L₂的具体计算公式为： 

$L_2=\frac{\∫L_2\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}};$

其中R(λ)为相机系统的归一化光谱响应。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

（1）本发明增加了地物反射率对成像参数的影响，并将反演的地物反射率扩大到全球范围内，按照四个季节分别汇总成全球地物反射率数据库，在参数设置时充分考虑了地物反射率的因素； 

（2）本发明的在轨参数设置方法准确度高，避免了人为计算错误造成的参数设置错误现象； 

（3）本发明的参数设置速度满足在轨测试需求，具备在轨测试阶段的实时 性调整功能； 

（4）本发明采用的TDICCD相机的成像参数在轨优化方法，软件实现方便，易于采用Mat lab或C实现。 

附图说明

图1为TDICCD相机的在轨成像参数设置流程图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明的实现过程为： 

1）根据当前成像区域的纬度当前成像时刻的太阳赤纬角δ和太阳时角t，计算太阳高度角h，具体计算公式为： 

其中太阳赤纬角δ的具体计算公式为： 

δ=arcsin(0.398sin(S_L))； 

S_L=4.87+0.0175d+0.033sin(0.0175d)； 

d=30(m-1)+m_d； 

式中d为日序，m为月份，m_d为该月的日期。 

其中太阳时角t以当地时间12时为0°，前后每隔1小时+15°。 

根据上述方法，可以计算出地球上任一点（经度、纬度）在任一时刻（年、月、日、时、分、秒）的太阳高度角和太阳天顶角。 

2）统计四个典型节气（春分、夏至、秋分、冬至）已有卫星图像资料，将图像中的大气干扰去除，反演地物真实的反射率。 

21）将大气参数（如大气组份参数、气溶胶组份参数等）、卫星传感器获取的辐射和地面反射率之间的关系通过查找的形式获得； 

22）采用暗目标法，计算得到图像中暗目标的气溶胶光学厚度值，再通过 空间插值，计算出图像中所有像元的气溶胶光学厚度值； 

23）根据步骤21）、步骤22）获得的计算结果，算出图像中的地物反射率值。 

反演流程在参考文献（赵春江等，基于6S模型的遥感影像逐像元大气纠正算法，《光学技术》，2007）中已有详细论述。 

根据反演的全球范围内的地物反射率ρ，针对高中低纬度典型成像区域，按照四个季节分别汇总，建立全球地物反射率数据库。 

3）根据步骤1）得到的太阳高度角h以及步骤2）得到的地面目标反射率ρ，计算不同h、ρ对应的太阳光下到达相机入瞳处的光谱辐亮度L₁(λ)，具体计算公式为： 

L₁(λ)=L_λτ_v； 

其中τ_v为上行大气透过率，L_λ为地球表面的入射辐亮度；所述地球表面的入射辐亮度其中ρ为地物反射率；H为地球表面的辐照度。 

加入相机系统的归一化光谱响应，计算得到太阳辐射经过相机系统滤波后的辐亮度L₁，具体计算公式为： 

$L_1=\frac{\∫L_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}};$

R(λ)为相机系统的归一化光谱响应。 

建立各个谱段不同h、ρ对应的L₁表格L₁，以相机某一谱段为例，如表1所示； 

表1 

4）由积分球辐射定标系统提供辐亮度已知且多档不同辐亮度输出级次的均匀光源，使用光谱辐射计测量获得积分球的光谱辐亮度L₂(λ)； 

加入相机系统的归一化光谱响应，计算得到积分球光谱辐射经过相机系统滤波后的辐亮度L₂，具体计算公式为： 

$L_2=\frac{\∫L_2\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}};$

R(λ)为相机系统的归一化光谱响应。 

建立各个谱段积分球不同辐亮度输出级次对应的L₂表格L₂，以相机某一谱段为例，如表2所示； 

表2 

5）使用相机的地检设备和图像采集设备，采集相机系统在不同积分球辐亮度输出级次下的定标图像；在每个积分球辐亮度输出级次下，改变相机系统的 TDI级数和增益，得到相机系统在各个谱段、不同TDI级数和增益组合下系统的输出值，所述的输出值用图像中所有像元的灰度均值DN表示，设相机量化等级为nbit，DN∈[0,2ⁿ-1]；获得并建立各个谱段、不同积分球辐亮度输出级次所对应的辐亮度L₂下、不同TDI级数和增益组合下的DN值表格DN，参数组合用“TDI级数-增益”的形式表示。以相机某一谱段为例，“TDI级数-增益”表示为N-G，如表3所示； 

表3 

6）建立关系DN=kL₂+b，根据步骤5）得出的表格中图像均值DN与辐亮度L₂的数值，计算得出各个谱段、不同TDI级数和增益组合下的k和b；设相机量化等级为nbit，则相机饱和输出时的DN值为2ⁿ-1，将DN=2ⁿ-1代入DN=kL₂′+b中计算获得相机各个谱段、不同TDI级数和增益组合下饱和输出时对应的辐亮度L₂′的表格L₂′，以相机某一谱段为例，如表4所示； 

表4 

7）以步骤6）获得的表格为参照，在步骤3）的表格中查找并获得与辐亮度L₂′相等的辐亮度L₁所对应的太阳高度角h和地面目标反射率ρ，建立相机各个谱段、不同TDI级数和增益组合下对应的太阳高度角h和地面目标反射率ρ的表格L₂′L₁，以相机某一谱段为例，如表5所示； 

表5 

8）以步骤2）得到的地面目标反射率ρ数据库为参照，对应ρ∈[0.0,1.0]中的每一个值，查找步骤7）获得的表格L₂′L₁，获得各个谱段对应h∈[10°,80°]变化范围内的TDI级数和增益组合表格L₁L₂′，以ρ=0.5下相机某一谱段为例，如表6所示； 

h	相机某一谱段TDI级数-增益

 

10°-20°	Na-Gb
		20°-30°	Nc-Gd
30°-40°	Ne-Gf
		40°-50°	Ng-Gh
50°-60°	Ni-Gj
		60°-80°	Nk-Gl

表6 

9）结合步骤1）得到的h和步骤2）得到的ρ，查找步骤8）得出的表格，分别对应四个季节，针对不同的成像区域，建立适应该区域对应的地物反射率的TDI级数和增益组合表格，形成全球范围内的能适应四季太阳高度角变化、地物反射率变化的TDI级数和增益组合表格，以ρ=0.5下相机某一谱段为例，如表7所示。 

表7 

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领于技术人员的公知技术。 

Claims (1)

1.TDI CCD相机的成像参数在轨优化方法，其特征在于步骤如下：

1)根据当前成像区域的纬度当前成像时刻的太阳赤纬角δ和太阳时角t，计算获得太阳高度角h；所述的太阳高度角h的具体计算公式为：

其中太阳赤纬角δ的具体计算公式为：

δ＝arcsin(0.398sin(S_L))；

S_L＝4.87+0.0175d+0.033sin(0.0175d)；

d＝30(m-1)+m_d；

式中d为日序，m为月份，m_d为第m月的日期；

其中太阳时角t以当地时间12时为0°，前后每隔1小时加15°；

2)根据春分、夏至、秋分、冬至四个典型节气已有的卫星图像资料，反演得到地物真实的反射率，并建立全球范围内不同典型地区、四个典型节气的地面目标反射率ρ数据库；所述反演得到地物真实的反射率的具体方法为：

21)将大气参数、卫星传感器获取的辐射和地面反射率之间的关系通过查找的形式获得；

22)采用暗目标法，计算得到图像中暗目标的气溶胶光学厚度值，再通过空间插值，计算出图像中所有像元的气溶胶光学厚度值；

23)根据步骤21)、步骤22)获得的计算结果，计算获得图像中的地物反射率值；

3)根据步骤1)得到的太阳高度角h以及步骤2)得到的地面目标反射率ρ，计算获得太阳光下不同太阳高度角h、不同地面目标反射率ρ对应的到达相机入瞳处的光谱辐亮度L₁(λ)，再根据相机系统的归一化光谱响应，计算得到太阳辐射经过相机系统滤波后的辐亮度L₁，并建立各个谱段、不同太阳高度角h、不同地面目标反射率ρ对应的辐亮度L₁的表格L₁；所述光谱辐亮度L₁(λ)的具体计算公式为：

L₁(λ)＝L_λτ_v；

其中τ_v为上行大气透过率，L_λ为地球表面的入射辐亮度；所述地球表面的入射辐亮度其中ρ为地面目标反射率；H为地球表面的辐照度；

所述经过相机系统滤波后的辐亮度L₁的具体计算公式为：

$L_1=\frac{\∫L_1\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}};$

其中R(λ)为相机系统的归一化光谱响应；

4)由积分球辐射定标系统提供辐亮度已知且多档不同辐亮度输出级次的均匀光源，使用光谱辐射计测量获得积分球的光谱辐亮度L₂(λ)，并根据相机系统的归一化光谱响应，计算得到积分球光谱辐射经过相机系统滤波后的辐亮度L₂，并建立各个谱段、积分球不同辐亮度输出级次对应的辐亮度L₂的表格L₂；经过相机系统滤波后的辐亮度L₂的具体计算公式为：

$L_2=\frac{\∫L_2\left(\mathrm{\λ}\right)\·R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}{\∫R\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}};$

其中R(λ)为相机系统的归一化光谱响应；

5)使用相机的地检设备和图像采集设备，采集相机系统在不同积分球辐亮度输出级次下的定标图像；在每个积分球辐亮度输出级次下，改变相机系统的TDI级数和增益，得到相机系统在各个谱段、不同TDI级数和增益组合下系统的输出值，所述的相机系统在各个谱段、不同TDI级数和增益组合下系统的输出值用图像中所有像元的灰度均值DN表示，设相机量化等级为n bit，DN∈[0,2ⁿ-1]；获得并建立各个谱段、不同积分球辐亮度输出级次所对应的辐亮度L₂下、不同TDI级数和增益组合下的DN值表格DN；

6)建立关系DN＝kL₂+b，根据步骤4)得出的表格DN中图像均值DN与辐亮度L₂的数值，计算得出各个谱段、不同TDI级数和增益组合下的k和b；相机饱和输出时的DN值为2ⁿ-1，将DN＝2ⁿ-1代入DN＝kL₂′+b中计算获得相机各个谱段、不同TDI级数和增益组合下饱和输出时对应的辐亮度L₂′的表格L₂′；

7)根据步骤6)获得的表格L₂′，在步骤3)的表格L₁中查找并获得与辐亮度L₂′相等的辐亮度L₁所对应的太阳高度角h和地面目标反射率ρ，建立相机各个谱段、不同TDI级数和增益组合下对应的太阳高度角h和地面目标反射率ρ的表格L₂′L₁；

8)根据步骤2)得到的地面目标反射率ρ数据库，对应ρ∈[0.0,1.0]中的每一个值，查找步骤7)获得的表格L₂′L₁，获得各个谱段对应h∈[10°,80°]变化范围内的TDI级数和增益组合表格L₁L₂′；

9)结合步骤1)得到的太阳高度角h和步骤2)得到的地面目标反射率ρ数据库，查找步骤8)得出的表格L₁L₂′，分别对应四个季节，针对不同的成像区域，建立适应该区域对应的地物反射率的TDI级数和增益组合表格，得到全球范围内的能适应四季太阳高度角变化、地物反射率变化的TDI级数和增益组合表格。