CN113608246A - 一种光学卫星tdiccd积分级数和增益设置方法及成像装置 - Google Patents

一种光学卫星tdiccd积分级数和增益设置方法及成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法及成像装置，包括：S1、基于成像范围内的地表反射率数据集进行场景合成反射率计算；S2、基于S1中获得的场景合成反射率，结合大气辐射传输模型模拟地气相互作用过程，采用6S大气辐射传输模型计算TDICCD光学相机入瞳辐射亮度；S3、最优积分级数和增益计算：基于S2中的TDICCD光学相机入瞳辐射亮度以及光学卫星载荷特性模型，寻找到最优的积分级数和增益。本发明的方法及装置能够随着成像场景不断变化情况自适应设置最佳积分级数和增益，能最大程度地发挥光学相机的性能，提高相机成像质量。

Description

一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法及成像装置
技术领域
本发明涉及空间遥感技术领域，特别是涉及一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法及成像装置。
背景技术
随着空间遥感技术的不断进步，定量提取遥感数据的信息已成为主要的发展方向，提高航天遥感数据的质量成为了目前研究的重点之一。航天遥感相机获得的辐射信号包括地表目标辐射信号和大气辐射信号。地球表面属性和地球大气状况是不断变化的，在遥感图像成像过程中使用固定曝光参数会导致图像过亮、过暗或者图像动态范围较小，造成图像信息的缺失，所以采用自动调光的方式来实时改变相机曝光量是提升航天相机成像质量的重要方式。普通数码相机自动调光是对同一拍摄场景多次曝光，通过图像的灰度值和直方图来估计拍摄所需的曝光量。航天相机采用信噪比和灵敏度比较高的时间延迟积分电荷耦合器件(TDICCD，Time delay integration charge coupled device)作为成像传感器，采用推扫模式进行图像捕获，与普通数码相机自动调光方式不同，航天相机的自动调光系统必须在图像拍摄之前快速、准确的调整曝光量，以获取理想的遥感图像数据，因此需要对拍摄场景进行预判，估算出航天相机最佳积分级数和增益。
为了保证航天相机输出理想的图像，《基于地-气间辐射模型的航天相机自动调光系统》(2016年，光学学报)提出了基于地气间辐射模型的航天相机自动调光方法。基于地气间辐射传输特性，分析了大气气溶胶对航天相机成像的影响，建立并改进了航天相机入瞳处辐照度模型，自动调光系统首先通过预估的辐照度以及地面目标辐照度在总辐照度中所占的比例来调节航天相机的TDI积分级数和系统增益，实现航天相机曝光量改变，然后根据大气气溶胶厚度确定自适应拉普拉斯滤波的参数，以提高遥感图像的清晰度。
《航天相机星上自适应调光的研究》(2016年，中科院长光所博士论文)针对TDICCD航天相机对于同一场景只能成像一次，无法预判目标场景信息来实现星上自适应调光的问题，设计了一种基于CMOS传感器实现目标场景的预先获取，利用CMOS图像实现目标场景的分析预判，估计航天相机TDICCD入瞳处辐照度的计算，用于计算最佳成像参数。
为了提高空间TDICCD遥感相机的成像质量，《空间遥感相机TDICCD积分级数和增益的优化设置》(光学精密工程，2011年)提出了一种相机TDICCD积分级数和增益的优化设置方法。首先，构建了通过信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)与积分级数和增益的对应关系；然后，通过信噪比(SNR)和调制传递函数(MTF)作为图像质量评价指标，对积分级数和增益设置进行了优化；最后，通过数值计算结果表明：在给定的相机参数下，当卫星俯仰角速度为0.005°/s，曝光量为饱和值的1/66时，积分级数选为44级，增益设置为1.5可获得较好的图像质量。
《星上成像均匀性及实时自动调光的研究》(2012年，中科院长光所博士论文)针对TDICCD相机的特点，提出以积分级数和增益作为调光参数，并辅助以直方图拉伸的调光方法；然后深入分析了调光参数的改变对SNR和MTF的影响，据此提出以不同积分级数下MTF的退化量作为增加积分级数时的控制条件之一；最终，以4个关键图像曝光特征统计量(图像是否存在大量饱和区域，图像是否过亮，图像是否过暗和图像灰度范围是否过窄)进行曝光判断，给出了详细的自动调光算法。
上述现有技术均是从传感器自身指标参数出发，通过响应的指标参数来完成最佳积分级数和增益设置，未考虑成像场景内的地物反射特性。然而，航天遥感相机获得的辐射信号包括地表目标辐射信号和大气辐射信号，地球表面和地球大气状况是不断变化的。因此，相机最佳成像参数也应该是随着成像场景不断变化的，需要形成基于地表反射特性的成像参数设置方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法及成像装置，使其能够在随着成像场景不断变化情况自适应设置最佳积分级数和增益，最大程度地发挥光学相机的性能，提高相机成像质量。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，包括：
S1、基于成像范围内的地表反射率数据集进行场景合成反射率计算；
S2、基于S1中获得的场景合成反射率，结合大气辐射传输模型模拟地气相互作用过程，采用6S大气辐射传输模型计算TDICCD光学相机入瞳辐射亮度；
S3、最优积分级数和增益计算：
基于S2中的TDICCD光学相机入瞳辐射亮度以及光学卫星载荷特性模型，寻找到最优的积分级数和增益。
作为本发明进一步地改进，所述S1中，基于成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρi}m，场景合成反射率ρλ的计算方法包括三种可选方法：
A、反射率均值合成法
Figure BDA0003190273410000031
其中，ρi是第i个网格的反射率值，m为地表反射率数据集Ω中网格个数；
B、反射率最大最小值合成法
ρλ＝(ρmax+ρmin)/2
其中，ρmax为地表反射率数据集Ω中的最大反射率值，ρmin为地表反射率数据集Ω中的最小反射率值；
C、反射率中值合成法
ρλ＝med({ρi}m)
其中，函数med()为取中值。
进一步地，所述S2中，TDICCD光学相机入瞳辐射亮度Lλ的计算公式为：
Lλ＝Kλ[τλ(∫NλsinθρλdΩ+Wλελ)+bλ]
其中，
Kλ是传感器光谱相应系数；
τλ为大气光谱透过率；
Nλ是太阳入射光谱能量；
θ为太阳高度角；
ρλ为场景合成反射率；
Ω为球面角；
Wλ是地面温度时黑体光谱辐射通量密度；
ελ为地物光谱发射率；
bλ为大气散射和辐射能量。
进一步地，所述S3中，最优积分级数N和增益G的计算公式为：
Figure BDA0003190273410000041
其中，f(n,g,Lλ)为光学卫星载荷特性模型，是在规定的积分级数n和增益g档位条件下，TDICCD光学相机入瞳辐射亮度Lλ对应产生的灰度值(DN)。
进一步地，所述光学卫星载荷特性模型的计算公式为：
Figure BDA0003190273410000051
其中：
t为一次积分过程中的曝光时间；
Figure BDA0003190273410000052
为光学系统的相对孔径；
β为相机的面遮拦系数；
Te为光学系统的等效光谱透过率；
Lλ为TDICCD光学相机入瞳辐射亮度；
ηAD为AD转换系数。
本发明还提供了一种光学卫星TDICCD成像装置，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法。
通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
(1)本发明构建了一种基于地表反射特性的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，能够根据成像范围内的地物反射特性，基于大气辐射传输模型和光学卫星载荷特性模型进行自适应寻找最佳的积分级数和增益，其考虑了成像场景内的地物反射特性和大气影响，该设置方法能够在成像范围内地物目标和大气状况不断变化时，准确的设置最佳积分级数和增益。
(2)针对成像范围内场景反射率合成的方法，本发明提出了可选的三种反射率合成方法，能够根据不同需求进行选择，更加有效地设置相机积分级数和增益，增加了该方法的灵活性。
(3)本发明提出了一种全新的TDICCD光学相机入瞳辐射亮度计算方法，结合大气辐射传输模型模拟地气相互作用过程，采用大气辐射传输模型计算TDICCD入瞳辐射亮度。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明实施例中一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法流程图。
具体实施方式
本发明发现现有技术对于TDICCD光学相机积分级数和增益设置时，采用的设置策略和方法相对单一，未考虑成像场景内的地物反射特性问题；基于上述发现，为了能最大程度地发挥光学相机的性能，提高相机成像质量，本发明提出了一种新的研究方向，其综合考虑地物目标光谱反射特性、光照条件以及大气状况等外界条件，结合卫星平台运动和载荷成像特性来完成积分级数和增益设置。
如图1所示，本实施例构建一种基于地表反射特性的光学卫星TDICCD积分技术和增益设置方法，能够根据成像范围内的地物反射特性，基于大气辐射传输模型和光学卫星载荷特性模型寻找最佳的积分级数和增益。具体方法如下：
S1、基于成像范围内的地表反射率数据集进行场景合成反射率计算。
基于成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρi}m，采用不同的成像方法来计算成像场景合成反射率。具体如下：
A.反射率均值合成法
地表反射率数据集Ω中包含多个网格的反射率数据，即由1，2，…，m个网格组成。均值合成法就是将地表反射率数据集Ω内每个网格的反射率值相加再除以网格数量，得到合成反射率ρ。具体计算方法如下：
Figure BDA0003190273410000061
其中，ρi是第i个网格的反射率值，m为地表反射率数据集Ω中网格个数。
B.反射率最大最小值合成法
从地表反射率数据集Ω取出最大反射率值ρmax和最小反射率值ρmin，并计算两者的均值，作为场景合成反射率值。具体计算方法如下：
ρλ＝(ρmax+ρmin)/2 (2)
C.反射率中值合成法
取地表反射率数据集Ω的中值作为场景计算所需的合成反射率值。具体计算方法如下：
ρλ＝med({ρi}m) (3)
其中，函数med()为取中值。
上述针对成像范围内的三种反射率合成方法，可根据不同需求进行灵活选择，能够更加有效地设置相机积分级数和增益，增加了该方法的灵活性。
S2、TDICCD光学相机入瞳幅亮度计算；
为了提高卫星成像参数精确设置方法，需要精确计算TDICCD光学相机入瞳辐射亮度。TDICCD光学相机入瞳辐射能量与地物目标光谱反射特性、大气状况、光照条件等有关。因此，可以基于上一步获得的场景合成反射率，结合大气辐射传输模型模拟地气相互作用过程，采用6S大气辐射传输模型计算TDICCD入瞳辐射量。其中，6S大气辐射传输模型可以模拟不同大气条件下的大气与层对可见光的反射、折射、散射等特性，这些特性在可见光从太阳直射到地物上、经地物反射进入成像相机的过程中都会对其产生影响。
TDICCD光学相机入瞳辐射亮度Lλ的计算公式(4)：
Lλ＝Kλ[τλ(∫NλsinθρλdΩ+Wλελ)+bλ] (4)
其中，
Kλ是传感器光谱相应系数；
τλ为大气光谱透过率；
Nλ是太阳入射光谱能量；
θ为太阳高度角；
ρλ为场景合成反射率；
Ω为球面角；
Wλ是地面温度时黑体光谱辐射通量密度；
ελ为地物光谱发射率；
bλ为大气散射和辐射能量。
S3、最优积分级数和增益计算：
最优积分级数和增益计算过程是：基于TDICCD光学相机入瞳辐射亮度，寻找到最优的积分级数和增益。采用某一组积分级数和增益档位时，相机输出的DN值最接近512，则各组积分级数和增益为最优积分级数和增益。则最优积分级数N和增益G的计算问题转化为最优化问题，如下公式：
Figure BDA0003190273410000081
其中，f(n,g,Lλ)为光学卫星载荷特性模型，是在规定的积分级数n和增益g档位条件下，相机入瞳幅亮度Lλ对应产生的灰度值(DN)。该模型所需参数不仅包括卫星平台本身的轨道运动参数和偏航角、俯仰角、滚动角等姿态参数，还有相机CCD部件的光电转换灵敏度、像元尺寸、视场角、谱段范围、透镜直径、焦距等载荷参数。该模型具体计算公式如下：
Figure BDA0003190273410000082
其中，
t为一次积分过程中的曝光时间，例如，t＝140μs；
Figure BDA0003190273410000083
为光学系统的相对孔径，例如，
Figure BDA0003190273410000084
β为相机的面遮拦系数，例如，
Figure BDA0003190273410000091
Te为光学系统的等效光谱透过率，例如，Te＝0.7；
Lλ为TDICCD光学相机入瞳辐射亮度；
ηAD为AD转换系数，例如，ηAD＝1024/2V-1。
另一方面，本实施例还提供了一种光学卫星TDICCD成像装置，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法。由于上述装置的硬件部分的设计为本领域的惯用技术手段，在此不再展开描述。
综上所述，本发明构建了一种基于地表反射特性的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，能够根据成像范围内的地物反射特性，基于大气辐射传输模型和光学卫星载荷特性模型寻找最佳的积分级数和增益，准确性高；本发明还提出了一种成像范围内场景合成反射率计算方法，能够根据成像范围内的地表反射率数据集，采用不同的成像方法来计算成像场景合成反射率，灵活性高；本发明还提出了一种TDICCD光学相机入瞳幅亮度计算方法，结合大气辐射传输模型模拟地气相互作用过程，采用大气辐射传输模型计算TDICCD入瞳辐射量，适应性强；本发明还提出了一种最优积分级数和增益计算方法，能够基于TDICCD光学相机入瞳幅亮度，寻找到最优的积分级数和增益，能最大程度地发挥光学相机的性能，提高相机成像质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，其特征在于，包括：
S1、基于成像范围内的地表反射率数据集进行场景合成反射率计算；
S2、基于S1中获得的场景合成反射率，结合大气辐射传输模型模拟地气相互作用过程，采用6S大气辐射传输模型计算TDICCD光学相机入瞳辐射亮度；
S3、最优积分级数和增益计算：
基于S2中的TDICCD光学相机入瞳辐射亮度以及光学卫星载荷特性模型，寻找到最优的积分级数和增益。
2.根据权利要求1所述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，其特征在于，所述S1中，基于成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρi}m，场景合成反射率ρλ的计算方法包括三种可选方法：
A、反射率均值合成法
Figure FDA0003190273400000011
其中，ρi是第i个网格的反射率值，m为地表反射率数据集Ω中网格个数；
B、反射率最大最小值合成法
ρλ＝(ρmax+ρmin)/2
其中，ρmax为地表反射率数据集Ω中的最大反射率值，ρmin为地表反射率数据集Ω中的最小反射率值；
C、反射率中值合成法
ρλ＝med({ρi}m)
其中，函数med()为取中值。
3.根据权利要求1所述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，其特征在于，所述S2中，TDICCD光学相机入瞳辐射亮度Lλ的计算公式为：
Lλ＝Kλ[τλ(∫NλsinθρλdΩ+Wλελ)+bλ]
其中，
Kλ是传感器光谱相应系数；
τλ为大气光谱透过率；
Nλ是太阳入射光谱能量；
θ为太阳高度角；
ρλ为场景合成反射率；
Ω为球面角；
Wλ是地面温度时黑体光谱辐射通量密度；
ελ为地物光谱发射率；
bλ为大气散射和辐射能量。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，其特征在于，所述S3中，最优积分级数N和增益G的计算公式为：
Figure FDA0003190273400000021
其中，f(n,g,Lλ)为光学卫星载荷特性模型，是在规定的积分级数n和增益g档位条件下，TDICCD光学相机入瞳辐射亮度Lλ对应产生的灰度值(DN)。
5.根据权利要求4所述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法，其特征在于，所述光学卫星载荷特性模型的计算公式为：
Figure FDA0003190273400000022
其中：
t为一次积分过程中的曝光时间；
Figure FDA0003190273400000031
为光学系统的相对孔径；
β为相机的面遮拦系数；
Te为光学系统的等效光谱透过率；
Lλ为TDICCD光学相机入瞳辐射亮度；
ηAD为AD转换系数。
6.一种光学卫星TDICCD成像装置，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序，
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至5任意一项所述的光学卫星TDICCD积分级数和增益设置方法。
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