CN114387299A - 一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于空中运动目标光谱信息获取方法，为解决目前大孔径静态干涉光谱成像仪的使用模式，均只能连续获取几百帧连续图像，无法较好的获取运动目标的视频和光谱信息的问题，提供一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，定位空中运动目标，控制卫星平台反向侧摆对运动目标进行运动补偿推扫成像，获取运动目标的LASIS干涉图像序列；在运动目标的LASIS干涉图像序列中对运动目标进行跟踪；提取经步骤S2跟踪运动目标的运动信息，并通过所述运动目标的运动信息提取运动目标的干涉信息；计算地面背景的干涉图信息；通过步骤S3得到的运动目标干涉信息和步骤S4得到的地面背景的干涉图信息，采用干涉光谱复原法，复原出运动目标和地面背景的光谱。

Description

一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法

技术领域

本发明属于空中运动目标光谱信息获取方法，具体涉及一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法。

背景技术

大孔径静态干涉光谱成像仪(简称LASIS)是一种成熟的星载高光谱成像信息获取设备，其通过横向剪切干涉仪的分光以及傅氏镜的成像，能够从连续的干涉图像帧中反演地物的光谱信息，这一仪器已被应用于航天对地遥感卫星上。

为了获取目标的完整光谱，在成像过程中要求目标图像完整跨越探测器的干涉维方向，从带有图像的LASIS图(形式如图1所示)中提取地物的干涉图(形式如图2所示)，并进一步反演出光谱曲线(形式如图3所示)。根据其成像原理，LASIS在推扫过程中连续获取的是地面场景的图像序列(叠加有干涉条纹)，根据分辨率和速高比的要求，其获取的原始图像序列帧频通常高于数百帧每秒，甚至能够达到上千帧。因此，当场景中有运动目标存在的时候，其具备获取目标高速运动信息的能力。

在现有的使用模式下，LASIS无论对于静止还是低速(空中目标相对于卫星速度来说为低速)目标，均只能连续获取几百帧连续图像，无法较好的获取运动目标的视频和光谱信息。

发明内容

本发明为解决目前大孔径静态干涉光谱成像仪的使用模式，均只能连续获取几百帧连续图像，无法较好的获取运动目标的视频和光谱信息的技术问题，提供一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，定位空中运动目标，控制卫星平台反向侧摆对运动目标进行运动补偿推扫成像，获取运动目标的LASIS干涉图像序列；

S2，在运动目标的LASIS干涉图像序列中对运动目标进行跟踪；

S3，提取经步骤S2跟踪运动目标的运动信息，并通过所述运动目标的运动信息提取运动目标的干涉信息；

S4，计算地面背景的干涉图信息；

S5，通过步骤S3得到的运动目标干涉信息和步骤S4得到的地面背景的干涉图信息，采用干涉光谱复原法，复原出运动目标和地面背景的光谱。

进一步地，步骤S1中，所述定位空中运动目标具体为：

通过预报空中运动目标出现的具体经纬度，定位空中运动目标；

或者，利用空中运动目标和地面背景不同的相对运动速度，从连续的LASIS图像中通过帧差法定位空中运动目标.

进一步地，步骤S1中，所述运动补偿推扫成像为8倍补偿方式。

进一步地，步骤S2具体为：

S2.1，在运动目标的LASIS干涉图像序列中取两帧LASIS图像，分别记做I₁和I₂；

S2.2，根据I₁和I₂的帧间隔，平移I₂，使I₂与I₁对齐，平移后的I₂记做

S2.3，分别取I₁和

中位于100行之后的图像，进行帧差计算；

S2.4，对经步骤S2.3进行帧差计算后的图像中大于150行的所有列做统计直方图，统计每个整数值范围内的像素点个数，去掉图像中像素值最大的前1％像素点，并将剩余像素点中像素值的最大值作为阈值T；

S2.5，将经步骤S2.3进行帧差计算后的图像中像素值大于T的部分置为1，像素值小于T的部分置为0，并用连通区域标记方法对运动目标进行检测，标记出运动目标；

S2.6，重复执行步骤S2.1至S2.5，连续在每一帧中标记运动目标，实现对运动目标的跟踪。

进一步地，步骤S3具体为：

S3.1，获取运动目标每一帧的外接矩形框，结合LASIS探测器参数，估算运动目标的运动速度；

S3.2，从步骤S2对运动目标的跟踪结果中取间隔100行以上两帧运动目标的位置，通过该两帧运动目标位置的行号差异和帧号差异计算运动目标过采样率；

S3.3，根据运动目标过采样率，得到运动目标的干涉信息。

进一步地，步骤S3.3中，所述通过该两帧目标位置的行号差异和帧号差异计算目标过采样率，具体为：该两帧目标位置的行号差异除以帧号差异，得到目标过采样率。

进一步地，步骤S3.3中，所述根据运动目标过采样率，得到运动目标的干涉信息具体为：根据运动目标过采样率，对LASIS图每隔运动目标过采样率帧数取一帧，将运动目标所在像素每个像素的DN值连成一条光谱曲线，得到运动目标点的干涉信息。

进一步地，步骤S4具体为：

S4.1，从LASIS图的地面背景中取间隔大于100行的两帧特征点位置，计算其地面背景过采样率；

S4.2，根据所述地面背景过采样率，对LASIS图每隔地面背景过采样率帧数取一帧，提取得到地面背景干涉图；

S4.3，根据步骤S3得到的运动目标跟踪结果，在所述地面背景干涉图中标记被运动目标遮挡的像素，通过前后帧中未被遮挡的相同地物信息，插值出当前帧的信息，得到地面背景的干涉图信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，能够通过大孔径静态干涉仪同时获取运动目标的视频运动信息和高光谱信息，还可以对地物信息进行反演，为空中运动目标特性分析提供了技术基础。

2.本发明使用补偿扫描的方式进行LASIS成像，能够实现对运动目标较长时间的连续成，一般可达500-1000帧以上。

3.本发明是干涉高光谱成像仪使用模式的创新，更加充分发挥了LASIS体制的时空谱信息联合获取优势。

4.本发明在实际中可以用于对空中运动目标，例如小团云、飞机、飞艇等运动速度、运动方向、光谱特性进行同步获取，在多种领域均能够发挥重要作用。

附图说明

图1为大孔径静态干涉光谱成像仪的LASIS图(箭头表示推扫方向)；

图2为从图1中提取的地物干涉图；

图3为从图2反演处的光谱曲线图；

图4为本发明实施例中提取的两帧LASIS图像；

图5为本发明图4中I₂平移后得到的图像；

图6为本发明图5和图4中I₂进行帧差计算的图像。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

在LASIS的常规使用模式下，要求推扫速度与帧频匹配，每一帧景物在探测器上移动一行，对于静止和低速目标来说，以探测器在飞行方向为256行为例，最多只能连续成像256帧。为了实现运动目标视频和光谱信息同时获取，本发明提出了基于补偿扫描的LASIS成像模式，同时，还提出了在此成像模式下的数据处理算法。

本发明利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法具体步骤如下：

步骤1，通过补偿推扫方式获取干涉光谱成像信息

步骤1.1，定位运动目标进行观测，主要有两种实现方式：一种是通过其他手段预报空中运动目标出现的具体经纬度；另一种是利用空中目标和地面背景不同的相对运动速度，从连续的LASIS图像中进行判断。

步骤1.2，定位了目标后，可控制卫星平台反向侧摆对运动目标进行运动补偿推扫成像，从而获取较长时间内运动目标的图像序列，可通过在仪器上增加反射摆镜或者利用卫星姿态实现补偿回扫，以实现对运动目标的较长时间连续成像，一般能够获取500-1000帧以上的运动信息。运动补偿推扫成像通常可采用8倍补偿方式，若探测器干涉维为256行，不补偿时，从运动目标进入视场到离开视场采集256帧，8倍补偿下则采集2048帧。干涉高光谱成像探测器帧频(可见光近红外波段)通常在1000-1500帧/秒，在8倍补偿情况下能够获取目标超过1秒的运动信息。

步骤2，在LASIS干涉图像序列中进行运动目标检测和跟踪

步骤2.1，取两帧LASIS图像进行目标检测。由于帧频较高，在采用8倍补偿推扫时可以取较长间隔(8的整数倍)的两帧图像进行运动目标检测，将两帧图像分别记为I₁和I₂；

步骤2.2，根据步骤2.1中的帧间隔，将I₂平移以和I₁对齐。正常推扫中相邻两帧图像中地物移动一行，由于是8倍补偿推扫，因此，移动的行数是帧间隔除以8(幅宽方向不平移)，将I₂平移后图像记为

步骤2.3，取对应大光程差区域的图像进行帧差计算，一般取100行以后的图像，这部分图像中干涉条纹较弱，进行运动目标检测时不易受条纹影响。即取下半部分干涉条纹较弱的图像，计算

如图4所示，原始的LASIS干涉图是干涉条纹与单帧图像的叠加，从I₂和I₁的图中可以直接观察到目标，M处为同一地物，N处为模拟的空中目标点，将I₂平移后得到图5所示图像

图6为

后的图像。原理为利用LASIS图像下半部分干涉条纹不明显的区域进行前后帧错位相减，错位量为根据速高比计算出来的地表图像平移量。前后帧的地面背景的图像在错位平移后是对齐的，对应图像像素相减后残差很小，而目标在具有一定的飞行高度或运动速度时，在前后帧的平移量与静态地物不一致，对应图像像素相减后会有较大残差，以此，可以对目标进行检测。

步骤2.4，由于运动目标一般比背景亮度高，步骤2.3结果中正值对应目标在I₁中的位置，并对150行以后的所有列做统计直方图，即统计每个整数值范围内的像素点个数，去掉像素值最大1％的点后(为了排除噪声影响)，将剩下的最大值作为阈值T；

步骤2.5，由于运动目标亮度通常较高，其与地面背景的亮度差异通常比地面背景干涉条纹亮暗的差异高出较多，因此，在帧差计算后的图像上可以通过步骤2.4中计算的阈值T进行图像二值化，大于阈值T的置为1，其他置为0，并用连通区域标记方法对运动目标进行检测，标记出一个或多个候选目标；

步骤2.6，重复执行步骤2.1至步骤2.5的方法，连续在多个时间窗口中检测运动目标。空中目标短时间内可看作匀速直线运动，通过这一约束对每一帧中的多个候选进行筛选，具体方法可以使用RANSAC、卡尔曼滤波预测等常规手段，可以实现对运动目标的准确检测和跟踪。

检测出运动目标后，在后续的LASIS帧中利用模板匹配，卡尔曼滤波等经典的目标跟踪方法，可以对该目标的位置进行稳定跟踪，并可以从连续的图像序列中计算目标的运动速度、运动方向信息。

步骤3，提取目标的运动信息，并通过运动目标的运动信息提取运动目标的干涉信息

步骤3.1，基于步骤2的跟踪结果，可以获得运动目标每一帧的外接矩形框。结合LASIS探测器帧频r(单位：帧/秒)、空间分辨率s(单位：米)等参数，可以估算出目标的运动速度。例如，求取运动目标间隔t帧的中心位置坐标偏移量(d_i,d_j)(单位：帧)，在不考虑目标飞行高度导致空间分辨率变化的情况下，目标速度v可估算为v＝d_i·s·r/t(单位：米/秒)。通过求取矩形框内的目标亮度均值，还可以对目标状态进行初步判断。亮度均值的求取方法为对矩形框内像素求高斯加权平均，记第n帧图像I_n内求得的目标平均值为A_n。

步骤3.2，从跟踪结果中取距离相对较远(间隔100行以上)的两帧目标位置，通过其行号差异d_L和帧号差异d_F计算目标过采样率a＝d_F/d_L。由于实际采样帧频较高，目标过采样率a反映了目标在LASIS图像中移动一行所经过的帧数。

步骤3.3，提取目标的干涉图信息

(1)根据目标过采样率a，对LASIS图每隔a帧取一帧，将其中运动目标所在像素的DN值连成一条光谱曲线，其为该运动目标的干涉信息。

(2)若运动目标覆盖多个像素，则对每个像素均按照隔a帧取一帧的方式提取干涉曲线。

步骤4，计算地面背景的干涉图信息

地面背景处理时需要分别考虑过采样率以及目标的遮挡。

步骤4.1，从原始LASIS图的背景中取距离相对较远(间隔100行以上)的两帧特征点位置，通过其行号差异d_L和帧号差异d_F计算背景过采样率b＝d_F/d_L。由于实际采样帧频较高，背景过采样率b反映了背景地物在LASIS图像中移动一行所经过的帧数。

步骤4.2，根据过采样率b，对LASIS图每隔b帧取一帧以提取干涉图。

步骤4.3，根据步骤3中的目标跟踪结果，将背景中被目标遮挡的像素标记出来。通过前后帧中没有被遮挡的相同地物信息，可以插值出当前帧的信息。由于目标通常较小，背景干涉曲线中被连续遮挡的点较少(在去除过采样因素后通常不会有连续两个点被遮挡)，因此，该插值方案可行。

步骤5，反演运动目标和地物背景的光谱

根据步骤3和步骤4求出的干涉曲线，通过常规的干涉光谱复原方法可以复原出目标的光谱以及背景的光谱。

反演空中目标的光谱信息，将空中运动目标短时间看作匀速直线运动，LASIS设备扫过目标的过程中完整获取了其干涉信息，可以进行光谱复原。根据上述目标跟踪的结果，可以使用局部模板匹配的方法计算每一帧中目标中心的亚像元级位置，从而可以插值出等光程差间距的目标干涉图，并使用通用的干涉光谱复原方法反演其光谱。反演地面背景的光谱信息，在运动补偿推扫中，由于等效地速低于帧频要求的地速，因此，对地面背景的干涉信息是过采样获取，可以通过抽样的方式直接提取所需的干涉图，并进行光谱反演。

由于本发明使用了补偿推扫方式，因此，不能实现连续的条带推扫，但可以进行局部的运动目标图谱信息获取。

因此，本发明不仅能够获取空中运动目标的光谱信息，还能通过步骤S3.1获得运动目标的运动速度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，定位空中运动目标，控制卫星平台反向侧摆对运动目标进行运动补偿推扫成像，获取运动目标的LASIS干涉图像序列；

S2，在运动目标的LASIS干涉图像序列中对运动目标进行跟踪；

S3，提取经步骤S2跟踪运动目标的运动信息，并通过所述运动目标的运动信息提取运动目标的干涉信息；

S4，计算地面背景的干涉图信息；

S5，通过步骤S3得到的运动目标干涉信息和步骤S4得到的地面背景的干涉图信息，采用干涉光谱复原法，复原出运动目标和地面背景的光谱。

2.如权利要求1所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S1中，所述定位空中运动目标具体为：

通过预报空中运动目标出现的具体经纬度，定位空中运动目标；

或者，利用空中运动目标和地面背景不同的相对运动速度，从连续的LASIS图像中通过帧差法定位空中运动目标。

3.如权利要求1或2所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S1中，所述运动补偿推扫成像为8倍补偿方式。

4.如权利要求3所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S2具体为：

S2.1，在运动目标的LASIS干涉图像序列中取两帧LASIS图像，分别记做I₁和I₂；

S2.2，根据I₁和I₂的帧间隔，平移I₂，使I₂与I₁对齐，平移后的I₂记做

S2.3，分别取I₁和

中位于100行之后的图像，进行帧差计算；

S2.4，对经步骤S2.3进行帧差计算后的图像中大于150行的所有列做统计直方图，统计每个整数值范围内的像素点个数，去掉图像中像素值最大的前1％像素点，并将剩余像素点中像素值的最大值作为阈值T；

S2.5，将经步骤S2.3进行帧差计算后的图像中像素值大于T的部分置为1，像素值小于T的部分置为0，并用连通区域标记方法对运动目标进行检测，标记出运动目标；

S2.6，重复执行步骤S2.1至S2.5，连续在每一帧中标记运动目标，实现对运动目标的跟踪。

5.如权利要求4所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S3具体为：

S3.1，获取运动目标每一帧的外接矩形框，结合LASIS探测器参数，估算运动目标的运动速度；

S3.2，从步骤S2对运动目标的跟踪结果中取间隔100行以上两帧运动目标的位置，通过该两帧运动目标位置的行号差异和帧号差异计算运动目标过采样率；

S3.3，根据运动目标过采样率，得到运动目标的干涉信息。

6.如权利要求5所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S3.3中，所述通过该两帧目标位置的行号差异和帧号差异计算目标过采样率，具体为：该两帧目标位置的行号差异除以帧号差异，得到目标过采样率。

7.如权利要求6所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S3.3中，所述根据运动目标过采样率，得到运动目标的干涉信息具体为：根据运动目标过采样率，对LASIS图每隔运动目标过采样率帧数取一帧，将运动目标所在像素每个像素的DN值连成一条光谱曲线，得到运动目标点的干涉信息。

8.如权利要求7所述一种利用星载干涉仪获取空中运动目标光谱信息的方法，其特征在于，步骤S4具体为：

S4.1，从LASIS图的地面背景中取间隔大于100行的两帧特征点位置，计算其地面背景过采样率；

S4.2，根据所述地面背景过采样率，对LASIS图每隔地面背景过采样率帧数取一帧，提取得到地面背景干涉图；

S4.3，根据步骤S3得到的运动目标跟踪结果，在所述地面背景干涉图中标记被运动目标遮挡的像素，通过前后帧中未被遮挡的相同地物信息，插值出当前帧的信息，得到地面背景的干涉图信息。

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