CN104065892B - 一种凝视卫星面阵ccd相机的相对辐射校正方法 - Google Patents

Abstract

一种凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法。首先建立面阵CCD相机探元的辐射响应模型；其次利用凝视卫星面阵CCD在没有月光的深夜对远离陆地的大面积深海进行实时、定点观测，通过多次获得的遥感图像确立噪声大小，去噪后得到无噪声的遥感图像数据；然后在晨昏时，利用凝视卫星面阵CCD相机在微弱均匀散射的天空光下对远离陆地的大面积的深海进行连续成像，通过多次获得的去除噪声的遥感图像计算相对辐射定标系数；最终得到凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正图像。本发明解决了凝视卫星面阵CCD相机在轨运行无相对辐射校正方法的技术问题。

Description

一种凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法

技术领域

本发明涉及凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法，特别涉及一种地球同步静止轨道卫星面阵相机的相对辐射校正方法。

背景技术

凝视卫星指星载光学遥感器观测地面目标时其光轴“盯住”地球上的某一点不动，利用星上充满整个视场的面阵CCD二维阵列探测器，不用任何机械运动的扫描机构，按照焦平面上的探测器单元和物空间的景物分辨单元一一对应的关系，可实时、定点的对视场内发生的现象进行连续的观测，也可根据用户需求直接定制连续的观测，其灵活连续的观测方式获得比传统对地观测卫星更多的关于“感兴趣目标地区”的动态信息。

随着凝视卫星面阵CCD相机的灵敏度和分辨率提高，其获得的连续高精度的地物空间信息、辐射信息和光谱信息将具有极广的应用领域；但是由于凝视卫星面阵CCD相机的光电接收阵列受空间和探元耦合影响很大，不仅各探元中的暗电流噪声、散粒噪声、读出噪声、量化噪声等不一致，而且由于各探元的量子效应和材质结构等局部差异的存在造成各探元的响应度也不一致，使得相机对完全相同的地物成像时面阵CCD相机输出的数字DN值不同即获得的遥感图像数据存在失真；为了克服这种现象需要对凝视卫星面阵CCD相机获得的原始遥感图像数据进行归一化相对辐射校正，将面阵CCD相机的各探元输出值调整到同一基准使得各探元对完全相同的地物具有相同的数字DN输出值。目前，针对在轨运行的太阳同步卫星线阵CCD相机的相对辐射校正方法已经有较为成熟的方法，但对于凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法，到目前为止尚未见可查阅的文献资料中有关这方面的校正方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法，解决了背景技术中凝视卫星面阵CCD相机在轨运行无相对辐射校正方法的技术问题。

本发明的技术方案是：一种凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法，步骤如下：

1)建立面阵CCD相机探元的辐射响应模型：

DN(i,j)＝{f[L(i,j)]+N_DC(i,j)+N_S(i,j)+N_R(i,j)}×G+N_Q(i,j)；

式中，i，j为面阵CCD相机的探元位置(i∈[1,K]，j∈[1,L])；K为面阵CCD相机的行探元总数，L为面阵CCD相机的列探元总数；DN(i,j)为探元(i,j)的数字DN值；f[L(i,j)]为探元(i,j)接收的辐射亮度L(i,j)函数；N_DC(i,j)为探元(i,j)的暗电流噪声；N_S(i,j)为探元(i,j)的散粒噪声；N_R(i,j)为探元(i,j)的读出噪声；G为电路输出的综合增益；N_Q(i,j)为探元(i,j)的量化噪声；

将面阵CCD相机探元的辐射响应模型整理简化得到：

DN(i,j)＝f_G[L(i,j)]+N(i,j)；

式中，f_G[L(i,j)]＝f[L(i,j)]×G；N(i,j)＝[N_DC(i,j)+N_S(i,j)+N_R(i,j)]×G+N_Q(i,j)；

2)利用凝视卫星面阵CCD在没有月光的深夜对远离陆地的大面积深海进行实时、定点观测，通过N次获得的遥感图像确立噪声大小；

式中，DN_n(i,j)为第n景深夜成像数据中探元(i,j)的数字DN值(n∈[1,N])；

3)将步骤2)中得到的噪声大小，在凝视卫星面阵CCD相机获得的遥感图像数字DN值中去除，即得到无噪声的遥感图像数据

4)在晨昏时，利用凝视卫星面阵CCD相机在微弱均匀散射的天空光下对远离陆地的大面积的深海进行连续成像，通过M次获得的去除噪声的遥感图像计算相对辐射定标系数；

41)求取M景去除噪声的所有探元数字DN值样本均值μ_DN：

式中， 为第m景中探元(i,j)去除噪声的数字DN值，(m∈[1,M])；

42)将M次获得的去除噪声的所有探元数字DN值样本均值μ_DN作为凝视卫星面阵CCD相机探元的输入能量期望值f_G[L(i,j)]＝μ_DN，则第m景中探元(i,j)的相对辐射定标系数为：

其中DN_m(i,j)为第m景晨昏成像数据中探元(i,j)的数字DN值(m∈[1,M])；

43)对探元(i,j)获得的M个相对辐射定标系数进行平均，最终得到凝视卫星面阵CCD相机各探元的相对辐射定标系数为：

5)对凝视卫星面阵CCD相机获得的遥感图像数据，利用步骤2)中得到的噪声大小和步骤4)中得到的相对辐射校正系数，得到凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正图像

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用凝视卫星面阵CCD相机的“凝视”成像特点，提出了采用深夜海域成像和晨昏微光成像原理，实现了凝视卫星面阵CCD相机目前无相对辐射校正的技术问题。

(2)本发明采用多天多次的深夜海域成像和晨昏微光成像数据进行噪声去除和相对辐射校正系数计算，有效地控制了遥感图像序列在时间域的差异，提高了相对辐射校正的精度，确保了该方法更具有很强普适性。

(3)本发明为凝视卫星面阵CCD相机相对辐射校正提出的方法，兼顾了凝视卫星面阵CCD成像特点与可实行性，对凝视卫星面阵CCD相机及其它地球同步轨道卫星CCD相机的图像校正具有很强的工程应用意义。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

(1)探元辐射响应模型确立：依据凝视卫星面阵CCD相机的成像原理，充分考虑成像链路的噪声来源，建立面阵CCD相机探元的辐射响应模型；

DN(i,j)＝{f[L(i,j)]+N_DC(i,j)+N_S(i,j)+N_R(i,j)}×G+N_Q(i,j) ①

式中：i，j为面阵CCD相机的探元位置(i∈[1,K]，j∈[1,L])；

DN(i,j)为探元(i,j)的数字DN值；

f[L(i,j)]为探元(i,j)接收的辐射亮度L(i,j)函数；

N_DC(i,j)为探元(i,j)的暗电流噪声；

N_S(i,j)为探元(i,j)的散粒噪声；

N_R(i,j)为探元(i,j)的读出噪声；

G为电路输出的综合增益；

N_Q(i,j)为探元(i,j)的量化噪声。

将①进行整理简化为②：

DN(i,j)＝f_G[L(i,j)]+N(i,j) ②

式中：f_G[L(i,j)]＝f[L(i,j)]×G

N(i,j)＝[N_DC(i,j)+N_S(i,j)+N_R(i,j)]×G+N_Q(i,j)

(2)噪声估计：利用凝视卫星面阵CCD相机可实时、定点的连续的观测能力，在没有月光的深夜对远离陆地的大面积的深海进行连续成像，通过多次获得的遥感图像确立噪声大小；

(2.1)深夜成像的数字DN值

在没有月光的深夜对远离陆地的大面积的深海成像，可认为凝视卫星CCD相机没有接收外界的能量即f_G[L(i,j)]＝0，遥感图像上记录的数字DN值完全由面阵CCD相机的噪声引起，据公式②知每个探元的数字DN值：

DN_n(i,j)＝N_n(i,j) ③

式中：DN_n(i,j)为第n景中探元(i,j)的数字DN值(n∈[1,N])；

N_n(i,j)为第n景中探元(i,j)的噪声和。

(2.2)噪声计算

多次获得的N景遥感图像的样本均值μ_DN(i,j)即为凝视卫星面阵CCD相机每个探元的噪声大小：

④

(3)噪声去除：将步骤(2)中得到的噪声大小，在凝视卫星面阵CCD相机获得的遥感图像数字DN值中去除，即得到无噪声的遥感图像数据

(4)相对辐射定标系数计算：在晨昏时，凝视卫星面阵CCD相机在微弱均匀散射的天空光下对远离陆地的大面积的深海进行连续成像，通过多次获得的去除噪声的遥感图像计算相对辐射定标系数；

(4.1)晨昏微光成像的数字DN值

在晨昏时利用微弱均匀散射的天空光成像，可认为凝视卫星CCD相机各探元接收外界的能量相同即f_G[L(i,j)]≡C(常数)，那么去除噪声后遥感图像上记录的数字DN值即应也为常数，但由于面阵CCD相机各探元响应的不一致性致使每个探元的数字DN值不一致将其记为(为第m景中探元(i,j)去除噪声的数字DN值，(m∈[1,M])。

(4.2)样本统计量计算

第m景中去除噪声的所有探元数字DN值样本均值为：

⑤

多次获得的M景去除噪声的所有探元数字DN值样本均值μ_DN为：

⑥

(4.3)相对辐射定标系数计算

将多次获得的去除噪声的所有探元数字DN值样本均值μ_DN作为凝视卫星面阵CCD相机探元的输入能量期望值，即有：

f_G[L(i,j)]＝μ_DN ⑦

那么第m景中探元(i,j)的相对辐射定标系数为：

⑧

对获得的M个探元(i,j)相对辐射定标系数进行平均，最终得到凝视卫星面阵CCD相机各探元的相对辐射定标系数为：

⑨

(5)相对辐射校正：对凝视卫星面阵CCD相机获得的遥感图像数据，利用步骤(2)中得到的噪声大小和步骤(4)中得到的相对辐射校正系数，通过方程⑩式即可完成凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正图像DN_R(i,j)。

⑩

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (1)

1.一种凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正方法，其特征在于步骤如下：

1)建立面阵CCD相机探元的辐射响应模型：

DN(i,j)＝{f[L(i,j)]+N_DC(i,j)+N_S(i,j)+N_R(i,j)}×G+N_Q(i,j)；

式中，i、j为面阵CCD相机的探元位置，其中i∈[1,K]，j∈[1,L]；K为面阵CCD相机的行探元总数，L为面阵CCD相机的列探元总数；DN(i,j)为探元(i,j)的数字DN值；f[L(i,j)]为探元(i,j)接收的辐射亮度L(i,j)函数；N_DC(i,j)为探元(i,j)的暗电流噪声；N_S(i,j)为探元(i,j)的散粒噪声；N_R(i,j)为探元(i,j)的读出噪声；G为电路输出的综合增益；N_Q(i,j)为探元(i,j)的量化噪声；

将面阵CCD相机探元的辐射响应模型整理简化得到：

DN(i,j)＝f_G[L(i,j)]+N(i,j)；

式中，f_G[L(i,j)]＝f[L(i,j)]×G；N(i,j)＝[N_DC(i,j)+N_S(i,j)+N_R(i,j)]×G+N_Q(i,j)；

2)利用凝视卫星面阵CCD在没有月光的深夜对远离陆地的大面积深海进行实时、定点观测，通过N次获得的遥感图像确立噪声大小；

$N(i,j)=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DN}}_n(i,j)}{N};$

式中，DN_n(i,j)为第n景深夜成像数据中探元(i,j)的数字DN值，n∈[1,N]；

3)将步骤2)中得到的噪声大小，在凝视卫星面阵CCD相机获得的遥感图像数字DN值中去除，即得到无噪声的遥感图像数据

4)在晨昏时，利用凝视卫星面阵CCD相机在微弱均匀散射的天空光下对远离陆地的大面积的深海进行连续成像，通过M次获得的去除噪声的遥感图像计算相对辐射定标系数；

41)求取M景去除噪声的所有探元数字DN值样本均值μ_DN：

${\mathrm{\μ}}_{DN}=\frac{\underset{j=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{DN}}_m}}{M};$

式中， 为第m景中探元(i,j)去除噪声的数字DN值，m∈[1,M]；

42)将M次获得的去除噪声的所有探元数字DN值样本均值μ_DN作为凝视卫星面阵CCD相机探元的输入能量期望值f_G[L(i,j)]＝μ_DN，则第m景中探元(i,j)的相对辐射定标系数为：

$R_m(i,j)=\frac{{\mathrm{DN}}_m(i,j)}{{\mathrm{\μ}}_{DN}};$

其中DN_m(i,j)为第m景晨昏成像数据中探元(i,j)的数字DN值，m∈[1,M]；

43)对探元(i,j)获得的M个相对辐射定标系数进行平均，最终得到凝视卫星面阵CCD相机各探元的相对辐射定标系数为：

$R(i,j)=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_m(i,j)}{M};$

5)对凝视卫星面阵CCD相机获得的遥感图像数据，利用步骤2)中得到的噪声大小和步骤4)中得到的相对辐射校正系数，得到凝视卫星面阵CCD相机的相对辐射校正图像