CN107843341A - 一种天基空间目标高分辨多光谱成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种天基空间目标成像领域，具体涉及一种天基空间目标高分辨多光谱成像方法及系统。主要采用了全色高分辨成像与多光谱低分辨成像结合的办法，使用一个二路分光棱镜(能量只衰减1/2)，使用小像元全色谱段成像光学传感器获取目标高分辨空间纹理信息，使用大像元多光谱段成像传感器获取单色谱段信息，然后通过差值算法补充每个单色谱段缺失的像元数据，最后将高分辨全色谱段图像与较低分辨多光谱段图像进行融合，从而获得高分辨的多光谱目标图像；解决通过现有方法不易获得目标的高质量的高分辨多光谱图像的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种天基空间目标成像领域，具体涉及一种天基空间目标高分辨多光谱成像方法及系统。
背景技术
空间目标具体包含空间飞行器、太空垃圾等，而对空间目标的高分辨成像有助于对空间目标的特性分析。空间目标往往体积比较小，如果从地面对其进行成像，目标太远(400km以上)视场角会非常小，同时由于大气湍流的影响，成像效果不会太好。而对于天基成像系统来说，则可以选择相机平台轨道与目标轨道接近(10km～100km)时进行成像，同时不用考虑大气的影响，因此可以获得较好的高分辨目标图像。
对于一般的天基对地遥感成像系统，卫星与地面之间的相对速度及相对距离基本不变，往往使用基于线阵传感器的相机以推扫方式对地成像。在这种情况下，可以将多光谱成像光学传感器与全色谱段成像光学传感器集成在一个芯片上，传感器之间的相对位置精确确定，多光谱成像的像元尺寸往往为全色谱段成像像元的4倍，待全色及多光谱图像数据都下传到地面后，通过对全色谱段图像数据及多光谱段图像数据进行处理，就可以获得高分辨(全色谱段分辨率)的多光谱图像。
但是，对于天基空间目标的高分辨成像过程，成像系统与成像目标都处于运动状态，两者之间的相对运动速度及相对距离始终在变化，不适合使用扫描方式成像，因此使用基于面阵传感器的相机进行短暂曝光凝视成像是个比较合适的选择。使用全色谱段成像光学传感器可以获得高分辨率全色目标图像，在这种情况下，要想获得目标的多光谱数据，如果使用某种色彩编码(如拜耳模式，Bayer pattern)对传感器像元镀膜，原则上可以获得目标的彩色图像，但是这存在着以下缺点：
1)、彩色编码往往只有红、绿、蓝三种颜色，因此无法获得目标的其他谱段(如近红外)信息；
2)、空间目标尤其是人造空间目标都有外包覆，这些外包覆对光的反射接特性接近镜面，因此在某些角度能够接收到的能量有限，同时，人造空间目标的太阳帆板反射率也比较低。
在这些情况下，传感器上的像元再经过滤光膜后，接收的能量往往小于全色同样大小的全色像元接收到的能量，势必影响图像的信噪比。这也是对地遥感多光谱图像传感器像元尺寸为全色谱段成像光学传感器像元尺寸4倍的原因，即通过增大像元尺寸提高获取光能量；
综上所述，直接在天基空间目标成像系统中使用现有的彩色传感器，要想获得目标的高质量的高分辨多光谱图像是比较困难的。
还有一种方法就是在传感器之前放置一个滤光轮，转动滤光轮，在每种滤光片有效时进行一次成像，这样就能够获得几个谱段图像数据。考虑到不同谱段之间成像时刻不同，因此不同谱段成像时的目标距离、方位角度都有一定差异，这样就给最终图像融合配准带来较大的困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种天基空间目标高分辨多光谱成像方法及系统，解决通过现有方法不易获得目标的高质量的高分辨多光谱图像的问题。主要采用了全色高分辨成像与多光谱低分辨成像结合的办法，使用一个二路分光棱镜(能量只衰减1/2)，使用小像元全色谱段成像光学传感器获取目标高分辨空间纹理信息，使用大像元多光谱段成像传感器获取单色谱段信息，然后通过差值算法补充每个单色谱段缺失的像元数据，最后将高分辨全色谱段图像与较低分辨多光谱段图像进行融合，从而获得高分辨的多光谱目标图像。
本发明的技术解决方案是提供一种天基空间目标高分辨多光谱成像方法，包括以下步骤：
步骤一：将目标像投射入光学传感器的入射光线分成两路，一路光线进入全色谱段成像光学传感器，另一路光线进入多光谱成像光学传感器；
步骤二：拼接成像全色谱段成像光学传感器与多光谱成像光学传感器，使得每一次成像全色谱段成像光学传感器和多光谱成像光学传感器对应于同一个目标；
步骤三：全色谱段成像光学传感器实现全色谱段的成像，获得全色谱段图像；多光谱成像光学传感器完成四个单色谱段的光谱成像；
步骤四：成像完毕后，多光谱成像光学传感器获得原始每一组“田”字形相邻的四个像元都包含有一个多光谱段灰度数据，使用差值的算法(例：二次样条差值)将多光谱成像光学传感器获得的每一个单色谱段缺失的像元灰度进行填充，获得四个具有全部像元灰度的多光谱段图像；
步骤五：通过图像融合的方法将全色谱段图像与步骤四获得的具有全部像元灰度的多光谱段图像进行融合，最终获得与全色谱段成像分辨率一致的高分辨多光谱目标图像。
优选地，上述步骤二具体为，调整成像全色谱段成像光学传感器与多光谱成像光学传感器的位置，使得全色谱段成像光学传感器左上角成像严格对应于多光谱成像光学传感器左上角成像，全色谱段成像光学传感器左下角成像严格对应于多光谱成像光学传感器左下角成像，全色谱段成像光学传感器右上角成像严格对应于多光谱成像光学传感器右上角成像，全色谱段成像光学传感器右下角成像严格对应于多光谱成像光学传感器右下角成像。
优选地，上述全色谱段成像光学传感器表面具有镀膜，上述镀膜为可见光、近红外全透膜，波长范围为450nm～900nm。
优选地，上述多光谱成像光学传感器的单个像元尺寸为全色谱段成像光学传感器像元尺寸的2倍或4倍，如果一般分辨率成像(例如全色成像像元分辨率大于0.3m)，多光谱成像光学传感器的像元尺寸可以设置为全色谱段成像光学传感器像元尺寸的2倍，如果对于极高分辨率成像或者目标反射率较低，多光谱成像光学传感器像元尺寸设置为全色谱段成像光学传感器像元尺寸的4倍；多光谱成像光学传感器中每四个“田”字形相邻的四个像元为一组，四个像元分别镀有四种不同的镀膜，能够分别通过不同的谱段。可以依据需求对多光谱段成像传感器每一组像元按照需求镀膜即可。
优选地，上述谱段包括红色谱段、绿色谱段、蓝色谱段及近红外谱段。
本发明还提供一种能够实现上述天基空间目标高分辨多光谱成像方法的成像系统，其特殊之处在于：包括设置于光学系统1之后的分光棱镜2、分别设置于分光棱镜2两个出射光路中的多光谱成像光学传感器3及全色谱段成像光学传感器4；还包括后端成像电路5；
上述分光棱镜2用于将光学系统1的出射光等分成两路，分别投射于多光谱成像光学传感器3及全色谱段成像光学传感器4；
上述全色谱段成像光学传感器4实现对目标的全色谱段高分辨成像，获取目标的高分辨纹理信息；
上述多光谱成像光学传感器3实现对目标的多光谱成像，获取目标的较低分辨的4个单色谱段信息；
上述后端成像电路5用以处理全色谱段成像光学传感器4与多光谱成像光学传感器3的输出信号。
优选地，上述多光谱成像光学传感器3的像元尺寸为全色谱段成像光学传感器4像元尺寸的2倍或4倍。
优选地，上述全色谱段成像光学传感器4表面具有镀膜，上述镀膜为可见光、近红外全透膜，波长范围为450nm～900nm；上述多光谱成像光学传感器3的单个像元尺寸为全色谱段成像光学传感器4像元尺寸的2倍或4倍，每四个“田”字形相邻的四个像元为一组，四个像元分别镀有四种不同的镀膜，能够分别通过不同的谱段。可以依据需求对多光谱段成像传感器每一组像元按照需求镀膜即可。
优选地，上述谱段包括红色谱段、绿色谱段、蓝色谱段及近红外谱段。
优选地，上述多光谱成像光学传感器3与全色谱段成像光学传感器4均为面阵模式成像的CCD传感器，或面阵模式成像的CMOS传感器；上述全色谱段成像光学传感器4与多光谱成像光学传感器3有效成像靶面积相同。
本发明的有益效果是：
1、本发明只使用了一个简单的二路分光棱镜及两个传感器就实现了4个单色谱段的空间目标高分辨多光谱成像，且该系统原理简单、工艺实施难度低、成本低、通用性强；
2、对于一般的凝视多光谱成像系统，往往使用多路分光以获取多个谱段的图像数据，由于每多一路分光都会造成落在传感器上的光能量的减少，从而影响最终图像的信噪比。而本发明采用了全色高分辨成像与多光谱低分辨成像结合的办法，使用一个二路分光棱镜(能量只衰减1/2)，使用小像元全色谱段成像光学传感器获取目标高分辨空间纹理信息，使用大像元多光谱段成像传感器获取单色谱段信息，然后通过差值算法补充每个单色谱段缺失的像元数据，最后将高分辨全色谱段图像与较低分辨多光谱段图像进行融合，从而获得高分辨的多光谱目标图像；
3、本发明实现的多光谱段成像可以依据需求确定波长范围，对多光谱段成像光学传感器每一组像元按照需求镀膜即可。
附图说明
图1为本发明系统原理图；
图2为多光谱成像光学传感器像元镀膜示意图。
图中附图标记为：1-光学系统，2-分光棱镜，3-多光谱成像光学传感器，4-全色谱段成像光学传感器，5-后端成像电路。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
本发明在光学像落在传感器靶面之前，放置一个二路分光棱镜。分光棱镜将光线等分为两路，两路光线分别在两个光学成像传感器的靶面上形成目标像，如图1所示。两个光学成像传感器分别为较小像元的全色谱段成像光学传感器及较大像元的多光谱成像光学传感器(多光谱成像光学传感器的像元尺寸为全色谱段成像光学传感器像元尺寸的2或4倍)，且多光谱成像光学传感器上每“田”字形相邻4个像元为一组，每个像元上镀有一种滤光膜，分别对应于4个单色光谱段，如图2所示，分别为红色谱段、绿色谱段、蓝色谱段及近红外谱段，也可以依据需求对多光谱段成像光学传感器每一组像元按照需求镀膜。这样，通过两个传感器可以分别获得目标的高分辨的全色谱段图像以及较低分辨的多光谱段图像。
由于多光谱成像光学传感器镀膜的特点，多光谱成像光学传感器获得的原始每一组“田”字形相邻的四个像元都包含有一个多光谱段灰度数据，换句话说就是每一个谱段在每一组“田”字形相邻的四个像元都缺失了三个像元的原始数据，使用数据差值的算法(如一次线性差值、二次样条差值等)将每一个谱段在每一组“田”字形相邻的四个像元中缺失的像元灰度进行填充，这样就可以获得四副四个单色谱段的包含了全部像元的灰度图像。
全色谱段成像光学传感器获得目标的高分辨空间信息，多光谱成像光学传感器获得目标的相应谱段信息，因此通过图像融合的方法将全色谱段图像及差值补充像元灰度的多光谱图像进行融合，最终就可获得与全色谱段成像分辨率一致的高分辨多光谱目标图像。
本发明同时还提供了一种天基空间目标高分辨多光谱成像系统，如图1所示，它包括在光学系统1之后的依次放置的分光棱镜2、全色谱段成像光学传感器4、多光谱段成像光学传感器3、后端成像电路5。其中，分光棱镜2放置于光学系统1之后，光学成像传感器之前，用于将光学系统1出射光分等成两路，分别投射于两个传感器；全色谱段成像光学传感器4实现全色谱段的高分辨成像，多光谱段成像光学传感器3实现4个单色谱段的较低分辨成像；后端成像电路5用来处理两个传感器输出的信号。
在该系统中多光谱段成像光学传感器3的像元尺寸为全色谱段成像光学传感器4像元尺寸的2倍(或4倍)实现对目标的多光谱成像，获取目标的较低分辨的4个单色谱段信息；该系统中的传感器可以是面阵模式成像的CCD传感器，也可以是面阵模式成像的CMOS传感器。
Claims (10)
1.一种天基空间目标高分辨多光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将目标像投射入光学传感器的入射光线分成两路，一路光线进入全色谱段成像光学传感器，另一路光线进入多光谱成像光学传感器；
步骤二：拼接成像全色谱段成像光学传感器与多光谱成像光学传感器，使得每一次成像全色谱段成像光学传感器和多光谱成像光学传感器对应于同一个目标；
步骤三：全色谱段成像光学传感器实现全色谱段的成像，获得全色谱段图像；多光谱成像光学传感器完成四个单色谱段的光谱成像；
步骤四：使用差值的算法将多光谱成像光学传感器获得的每一个单色谱段缺失的像元灰度进行填充，获得四个具有全部像元灰度的多光谱段图像；
步骤五：通过图像融合的方法将全色谱段图像与步骤四获得的具有全部像元灰度的多光谱段图像进行融合，最终获得与全色谱段成像分辨率一致的高分辨多光谱目标图像。
2.根据权利要求1所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法，其特征在于：所述步骤二具体为，调整成像全色谱段成像光学传感器与多光谱成像光学传感器的位置，使得全色谱段成像光学传感器左上角成像严格对应于多光谱成像光学传感器左上角成像，全色谱段成像光学传感器左下角成像严格对应于多光谱成像光学传感器左下角成像，全色谱段成像光学传感器右上角成像严格对应于多光谱成像光学传感器右上角成像，全色谱段成像光学传感器右下角成像严格对应于多光谱成像光学传感器右下角成像。
3.根据权利要求2所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法，其特征在于：所述全色谱段成像光学传感器表面具有镀膜，所述镀膜为可见光、近红外全透膜，波长范围为450nm～900nm。
4.根据权利要求3所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法，其特征在于：所述多光谱成像光学传感器的单个像元尺寸为全色谱段成像光学传感器像元尺寸的2倍或4倍，每四个“田”字形相邻的四个像元为一组，四个像元分别镀有四种不同的镀膜，能够分别通过不同的谱段。
5.根据权利要求4所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法，其特征在于：所述谱段包括红色谱段、绿色谱段、蓝色谱段及近红外谱段。
6.一种能够实现权利要求1-5任一所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法的成像系统，其特征在于：包括设置于光学系统(1)之后的分光棱镜(2)、分别设置于分光棱镜(2)两个出射光路中的多光谱成像光学传感器(3)及全色谱段成像光学传感器(4)；还包括后端成像电路(5)；
所述分光棱镜(2)用于将光学系统(1)的出射光等分成两路，分别投射于多光谱成像光学传感器(3)及全色谱段成像光学传感器(4)；
所述全色谱段成像光学传感器(4)实现对目标的全色谱段高分辨成像，获取目标的高分辨纹理信息；
所述多光谱成像光学传感器(3)实现对目标的多光谱成像，获取目标的较低分辨的4个单色谱段信息；
所述后端成像电路(5)用以处理全色谱段成像光学传感器(4)与多光谱成像光学传感器(3)的输出信号。
7.根据权利要求6所述的能够实现权利要求1-5任一所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法的成像系统，其特征在于：所述多光谱成像光学传感器(3)的像元尺寸为全色谱段成像光学传感器(4)像元尺寸的2倍或4倍。
8.根据权利要求7所述的能够实现权利要求1-5任一所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法的成像系统，其特征在于：所述全色谱段成像光学传感器(4)表面具有镀膜，所述镀膜为可见光、近红外全透膜，波长范围为450nm～900nm；所述多光谱成像光学传感器(3)的单个像元尺寸为全色谱段成像光学传感器(4)像元尺寸的2倍或4倍，每四个“田”字形相邻的四个像元为一组，四个像元分别镀有四种不同的镀膜，能够分别通过不同的谱段。
9.根据权利要求8所述的能够实现权利要求1-5任一所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法的成像系统，其特征在于：所述谱段包括红色谱段、绿色谱段、蓝色谱段及近红外谱段。
10.根据权利要求9所述的能够实现权利要求1-5任一所述的天基空间目标高分辨多光谱成像方法的成像系统，其特征在于：所述多光谱成像光学传感器(3)与全色谱段成像光学传感器(4)均为面阵模式成像的CCD传感器，或面阵模式成像的CMOS传感器；所述全色谱段成像光学传感器(4)与多光谱成像光学传感器(3)有效成像靶面积相同。
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