CN110113545A - 一种mm-ccd的成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MM‑CCD的成像方法，包括将MM‑CCD倾斜放置，使其与卫星飞行方向的夹角为arctan(1/n)，其中n为正整数，且n小于所述MM‑CCD的像元行数；设所述MM‑CCD在未倾斜放置时，沿卫星飞行方向上MM‑CCD像元长度及采样步长均为d，则当所述MM‑CCD按照步骤A倾斜放置后，将其采样步长设置为以采样1+n2次为一个周期，则第1+n2+1次采样时，所述MM‑CCD的第a+n行像元中第m‑1列像元的成像位置与第1次采样时所述MM‑CCD的第a行像元中第m列像元成像位置相重合，其中m为正整数且m小于所述MM‑CCD像元列数；对此周期内得到的1+n2幅序列图像进行像元解混，则所得到的图像在卫星飞行方向及其垂直方向的分辨率均提升为原来的倍。本发明包含了更多的非冗余信息，能有效提高图像分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及遥感卫星图像技术领域，特别涉及卫星相机的MM-CCD的成像方法。
背景技术
电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)是20世纪70年代初发展起来的一种新型半导体器件。20世纪60年代末,美国贝尔实验室的BOYLE W S和SIMTH GS等人发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念，同时也预言了器件在信号处理、信号存储及图像传感中的应用前景。
CCD按其像元排列形式分为两大类型：线阵(liner)CCD和面阵线阵(Area)CCD。面阵CCD器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。工作时，在设定的积分时间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏单元的电荷多少，取样结束后各光敏单元电荷由转移栅转移到移位寄存器的相应单元中，移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷顺次转移到输出端，将输出信号接到示波器、图像显示器或其它信号存储、处理设备中，就可对信号再现或进行存储处理。
但是，传统的面阵CCD在遥感卫星图像的应用中存在以下缺陷：信号读出与传输带宽较窄，因此传输能力较差。另一方面，面阵CCD所采样图片的分辨率也不高，不利于后续进一步的分析利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种传输能力高，采样分辨率高的MM-CCD的成像方法。
为实现上述目的，本发明提供一种MM-CCD的成像方法，包括以下步骤：
将MM-CCD倾斜放置，使其与卫星飞行方向的夹角为arctan(1/n)，其中n为正整数，且n小于所述MM-CCD的像元行数；
设所述MM-CCD在未倾斜放置时，沿卫星飞行方向上MM-CCD像元长度及采样步长均为d，则当所述MM-CCD按照步骤A倾斜放置后，将其采样步长设置为
以采样1+n2次为一个周期，则第1+n2+1次采样时，所述MM-CCD的第a+n行像元中第m-1列像元的成像位置与第1次采样时所述MM-CCD的第a行像元中第m列像元成像位置相重合，其中m为正整数且m小于所述MM-CCD像元列数；对此周期内得到的1+n2幅序列图像进行像元解混，则所得到的图像在卫星飞行方向及其垂直方向的分辨率均提升为原来的倍。
进一步的，本发明MM-CCD的成像方法还包括如下步骤：降低采样频率，提高采样步长，使其满足以下公式：
其中，b为步长变化的倍数，k为步数，且MM-CCD的行数为b·n。
进一步的，所述成像方法的成像模型为：Im＝F(N,M,α,TN,ti)，其中Im为MM-CCD成像模式；N为CCD排数(纵向)；M为CCD单排像元数(横向)；
α为CCD旋转角度；TN为每行CCD的采样时刻；ti为积分时间。
进一步的，当N＝1时，MM-CCD实现单线阵CCD功能。
可选的，当I1＝I2＝……＝IN时，MM-CCD实现面阵CCD功能。
可选的，当α＝0时，通过延时积分，MM-CCD实现数字TDI功能。
进一步的，所述成像方法还包括如下步骤：对采样得到的单排CCD形成畸变图像进行像元错位矫正，以生成若干序列图像。
可选的，所述成像方法还包括如下步骤：对采样得到的每排CCD进行定时像元抽取，形成类似于面阵CCD序列，生成瞬时现场图像。
本发明具有如下有益效果：
1)为超分辨率处理提供有效的数据支撑
本发明MM-CCD利用特定的采样模式可获得在卫星方位向及距离向增加同等程度采样密度的高密度影像，与传统的CCD相比，包含了更多的非冗余信息，每个像元之间存在的相对运动位移精确已知，为序列图像超分辨率算法提供了精确的配准框架，可根据序列图像包含信息有效提高图像分辨率。
2)可为实现信噪比提升提供数据基础
根据本发明MM-CCD成像方法，MM-CCD每完成一次完整的高密度采样，后排的CCD将实现重复性周期采样，可对同一区域实现相同的采样成像，利用信号相关性的特点，对周期信号进行配准积分，可实现对随机噪声信号的滤波，进而提高信噪比，实现数字TDI功能。与传统的通过减小CCD面积提高分辨率相比，相应信噪比表现更为优良。该方法可提高辐射分辨率，增强暗弱信号，且通过自适应处理方法，杜绝了曝光不足或曝光过度的现象。
3)可为动目标检测提供新手段
利用本发明MM-CCD的多排CCD对同一目标多次、差时成像的特点，为运动目标检测提供了新的技术途径。
附图说明
图1为本发明MM-CCD采样模式设计图。
图2为本发明MM-CCD高频采样像元位置重合示意图。
图3为本发明MM-CCD多模态采样图像预处理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在介绍本发明的成像方法之前，先对本发明的所涉及的MM-CCD进行解释说明。多模态CCD(Multi-Modality CCD)简称MM-CCD，其硬件结构像元排布与现有的面阵CCD相同，但是，二者的工作机理有所区别。面阵CCD中，每行CCD通道是相关连通的，而在MM-CCD中，每行CCD通道相互独立，设计者可通过控制电路对每行成像单元成像时间和电荷转移时间进行单独控制、单独输出。因此，与传统面阵CCD相比，MM-CCD可增大信号读出与传输带宽，提高信号传输能力，兼备单排CCD可高频采样的优势与面阵CCD整齐排列的结构，进而达到拓展CCD应用模式的目标。
继续参见图1及图2，基于前述MM-CCD的优点，本发明公开一种MM-CCD的成像方法包括以下步骤：
A.将MM-CCD倾斜放置，使其与卫星飞行方向的夹角为arctan(1/n)，其中n为正整数，且n小于所述MM-CCD的像元行数；
B.设所述MM-CCD在未倾斜放置时，沿卫星飞行方向上MM-CCD像元长度及采样步长均为d，则当所述MM-CCD按照步骤A倾斜放置后，将其采样步长设置为
C.以采样1+n2次为一个周期，则第1+n2+1次采样时，所述MM-CCD的第a+n行像元中第m-1列像元的成像位置与第1次采样时所述MM-CCD的第a行像元中第m列像元成像位置相重合，其中m为正整数且m小于所述MM-CCD像元列数；对此周期内得到的1+n2幅序列图像进行像元解混，则所得到的图像在卫星飞行方向及其垂直方向的分辨率均提升为原来的倍。
进一步的，为了获得高密度采样点，上述方法中的采样频率高于传统采样方法，导致积分能量变弱，信噪比降低。为此，需研究具有普适性的采样方法，研究最佳采样频率。为此，提出采样设计准则：
(1)采样存在像元错位，且错位均匀；
(2)采样存在周期性，双向分辨率提高稳定；
(3)在采样周期内，采样硬件行数未脱离采样区域。
由于采样周期直接关系到采样分辨率的提高因子，因此，我们想到要求满足在采样次数在到达1+n2次前未进入周期循环，若传统的采样步长为d，那么方法一的采样步长为若要降低其采样频率，需提高采样步长，设想将其采样步长提高K倍，经分析，满足以下公式
其中，b为步长变化的倍数，k为步数，且MM-CCD行数为bn。经1+n2次采样后，可达到与高频采样法相同的效果，即所得到的图像序列在卫星飞行方向及其垂直方向的采样密度提升为原来的倍，采样次数到达1+n2后，若CCD列数多于bn，则开始重复前面的采样过程。单排CCD与MM-CCD比较如下表所示。
基于上述成像方法，本发明MM-CCD成像模型可用如下函数表示。
Im＝F(N,M,α,TN,ti)
Im：MM-CCD成像模式；
N：CCD排数(纵向)；
M：CCD单排像元数(横向)；
α：CCD旋转角度；
TN：每行CCD的采样时刻；
ti：积分时间。
当N＝1时，MM-CCD模式可实现单线阵CCD功能。
当I1＝I2＝I3＝...＝IN时，MM-CCD模式可实现面阵CCD功能。
当α＝0时，通过软件延时积分，MM-CCD模式可实现数字TDI功能。
也就是说，MM-CCD是最通用的CCD模式，通过设置相关的参数，它可以实现单线阵CCD、TDI或面阵CCD的功能。
继续参见图3，本发明的MM-CCD可生成多排序列图像，由于MM-CCD特有的倾斜采样，每排CCD输出的信号图像存在系统畸变，需在应用前对数据进行处理。对图像的处理有两种模式，一种方法是对单排CCD形成畸变图像进行像元错位矫正，可生成N幅序列图像；另一种方法是对每排CCD进行定时像元抽取，形成类似于面阵CCD序列，生成瞬时视场图像。两种模式均可支撑图像分辨率提升、信噪比提高及运动目标检测的应用，可根据算法需求进行选择。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
将MM-CCD倾斜放置，使其与卫星飞行方向的夹角为arctan(1/n)，其中n为正整数，且n小于所述MM-CCD的像元行数；
设所述MM-CCD在未倾斜放置时，沿卫星飞行方向上MM-CCD像元长度及采样步长均为d，则当所述MM-CCD按照步骤A倾斜放置后，将其采样步长设置为
以采样1+n2次为一个周期，则第1+n2+1次采样时，所述MM-CCD的第a+n行像元中第m-1列像元的成像位置与第1次采样时所述MM-CCD的第a行像元中第m列像元成像位置相重合，其中m为正整数且m小于所述MM-CCD像元列数；对此周期内得到的1+n2幅序列图像进行像元解混，则所得到的图像在卫星飞行方向及其垂直方向的分辨率均提升为原来的倍。
2.根据权利要求1所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：还包括如下步骤
降低采样频率，提高采样步长，使其满足以下公式：
k·b/(1+n2)≠z,
其中，b为步长变化的倍数，k为步数，且MM-CCD的行数为b·n。
3.根据权利要求1所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：所述成像方法的成像模型为：Im＝F(N,M,α,TN,ti)，其中
Im为MM-CCD成像模式；N为CCD排数(纵向)；M为CCD单排像元数(横向)；
α为CCD旋转角度；TN为每行CCD的采样时刻；ti为积分时间。
4.根据权利要求3所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：当N＝1时，MM-CCD实现单线阵CCD功能。
5.根据权利要求3所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：当I1＝I2＝……＝IN时，MM-CCD实现面阵CCD功能。
6.根据权利要求3所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：当α＝0时，通过延时积分，MM-CCD实现数字TDI功能。
7.根据权利要求1所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：还包括如下步骤：对采样得到的单排CCD形成畸变图像进行像元错位矫正，以生成若干序列图像。
8.根据权利要求1所述的一种MM-CCD的成像方法，其特征在于：还包括如下步骤：对采样得到的每排CCD进行定时像元抽取，形成类似于面阵CCD序列，生成瞬时现场图像。
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