CN115855107B - 基于图像的线阵航天遥感载荷辐射定标方法 - Google Patents

Abstract

基于图像的线阵航天遥感载荷辐射定标方法，涉及航天光学遥感成像技术领域，解决现有技术采用绝对辐射定标的方法确定相机响应函数工作量较大、精确度较差的问题。本发明基于线阵相机线性响应函数模型先验，求取相机的逆响应函数，利用对数变换将响应函数求解问题转化为超定方程优化问题，通过添加约束项，引入奇异值分解(SVD)的方法对优化问题数进行求解，获取精确的相机响应函数。本发明对提高航天遥感载荷的定标精度，提升载荷在轨光学信息获取效能具有一定工程实践意义。

Description

基于图像的线阵航天遥感载荷辐射定标方法

技术领域

本发明涉及航天光学遥感成像技术领域，具体涉及一种基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法。

背景技术

航天遥感载荷成像系统响应函数通常通过辐射定标实验来确定，响应函数能够定量描述入瞳辐射照度与输出信号的数值关系，快速、精确地确定响应函数模型对相机成像参数选取、工作状态调整具有重要意义。目前国内科研院所广泛采用的是绝对辐射定标的方式，即采用积分球作为均匀光源，在同一已知辐射照度下调整成像参数拍摄多组图像数据，通过曲线拟合的方式得到输出信号强度与入瞳辐射照度的对应关系，然后在探测器动态范围内调整积分球亮度进行多组实验。绝对辐射定标通常工作量较大，同时由于成像系统电子学器件的非线性，拟合的曲线两端存在较大误差。

因此，为解决上述问题，亟需研发一种针对线阵航天遥感载荷的辐射定标方法。

发明内容

本发明为解决现有技术采用绝对辐射定标的方法确定相机响应函数工作量较大、精确度较差的问题，提供一种基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法。

基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法，其步骤如下：

步骤一、获取图像；

对同一真实场景进行拍摄，获取多帧不同积分级数下的图像；基于线阵相机线性响应函数先验计算逆响应函数方程；

步骤二、将步骤一获得的所述逆响应函数方程进行对数变换；

步骤三、定义平滑项和约束项，建立超定方程组；

步骤四、利用SVD进行求解优化问题，获得最优的相机线性响应函数，实现辐射定标。

本发明的有益效果：

本发明提出了一种基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法，以快速、精确地确定相机的响应函数。该方法充分考虑线阵航天遥感载荷成像系统在动态范围极值处的非线性问题，通过建立超定方程组、定义平滑项与约束项、引入奇异值分解(SVD)来实现响应函数曲线的最优拟合。相较于传统的辐射定标方法，本发明基于获取的真实场景图像，不需要利用积分球，能够有效降低成本、提高效率、提升精度。

本发明所述的辐射定标方法适用于线阵航天遥感载荷，也可以推广到面阵航天遥感载荷或其他类型的相机。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法的原理框图。

具体实施方式

结合图1说明本实施方式，基于图像的线阵航天遥感载荷辐射定标方法，该方法中包括图像获取1、逆响应函数求取2、对数变换3、定义平滑项与约束项4、超定方程组建立5以及SVD求取最优解6等步骤；本实施方式的具体过程如下：

S1、首先对同一真实场景进行拍摄，获取多帧不同积分级数下的图像，形成所需的数据集。

S2、对于线阵航天遥感载荷，其响应函数先验定义为：

Intensity＝G(I+δ)＝G[f(EMΔt)+δ] (1)

式中，Intensity表示系统输出的像素灰度，I表示未经增益放大的像素灰度，G表示增益，E为入瞳辐射照度，M为积分级数，Δt为积分时间，δ为探测器噪声造成的偏置项，f为响应函数。由于线阵载荷积分时间由像移速度决定，通常为常量，(1)化简为：

I＝f(EM) (2)

由f单调递增性质，有：

f^-1(I)＝EM (3)

对(2)进行对数变换：

lnf^-1(I)＝lnE+lnM (4)

令g＝lnf^-1，公式(4)的响应函数表示为：

g(I)＝lnE+lnM (5)

将获取的第j幅图像中的第i个像素点代入(5)，得到：

g(I_i，j)＝lnE_i+lnM_j (6)

S2、将响应函数求解问题转化为最小二乘问题，同时为保证曲线光滑引入一个平滑项：

式中，m表示单帧图像中选取的像素个数，n表示图像的帧数，I_max、I_min分别表示像素灰度最大值与最小值，λ表示平滑项权重，其与图像的噪声强度成正比。由于g(I)为离散函数，定义二阶导数g″(I)＝g(I+1)+g(I-1)-2g(I)。所求解为：

由于在实际成像过程中，g(I)在端点处导数较大，为了保证曲线在端点处的平滑性，避免过拟合与欠拟合，定义一个分段二次权重函数：

此时(8)转化为：

为了保证O的超定性，此处添加约束条件：

m×(n-1)≥I_max-I_min (11)

令g(I_i，j)-lnE_i＝A，lnM_j＝B将(10)右端转化为矩阵形式：

则(10)等价为：

式中，A、B、C均为中间矩阵。

S4、最后利用SVD求取超定方程(15)的最优解：

S＝C^-1B (16)

此时获取精确度最优的相机响应函数：

其中，取排序0到I_max对应的矩阵元素，以0-I_max为横坐标，对应矩阵元素值为纵坐标，在坐标系上画成曲线，就是g(I)。

本实施方式相对于当前存在的辐射定标方法，基于真实拍摄场景图像，更切合实际应用情况。同时无需利用积分球，能够有效降低成本、减小复杂度、减少工作量；通过添加平滑项、约束项解决超定方程组的最优化问题，提升辐射定标精度，能够建立更为精确的线阵航天遥感载荷响应模型。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法，其特征是：其步骤如下：

步骤一、获取图像；

对同一真实场景进行拍摄，获取多帧不同积分级数下的图像；基于线阵相机线性响应函数先验计算逆响应函数方程；

步骤二、将步骤一获得的所述逆响应函数方程进行对数变换；

步骤三、定义平滑项和约束项，建立超定方程组；

具体过程为：

将响应函数求解问题转化为最小二乘问题，同时为保证曲线光滑引入一个平滑项：用公式(7)表示为：

式中，m为单帧图像中选取的像素个数，n为图像的帧数，I_max、I_min分别为像素灰度最大值与最小值，λ为平滑项权重，其与图像的噪声强度成正比；

由g(I)为离散函数，定义g”(I)＝g(I+1)+g(I-1)-2g(I)；所求解为：

为保证曲线在端点处的平滑性，设定一个分段二次权重函数：

将公式(8)转化为：

添加约束项，采用公式(11)和公式(12)表示为：

m×(n-1)≥I_max-I_min (11)

令g(I_i,j)-lnE_i＝A，lnM_j＝B将(10)右端转化为矩阵形式，用公式(13)表示为：

则公式(10)等价为：

C为中间矩阵；

步骤四、利用SVD进行求解优化问题，获得最优的相机线性响应函数，实现辐射定标。

2.根据权利要求1所述的基于图像的线阵航天遥感载荷相对辐射定标方法，其特征在于：步骤一中，线阵相机线性响应函数先验定义为:

Intensity＝G(I+δ)＝G[f(EMΔt)+δ] (1)

式中，Intensity为系统输出的像素灰度，I为未经增益放大的像素灰度，G为增益，E为入瞳辐射照度，M为积分级数，Δt为积分时间，δ为探测器噪声造成的偏置项，f为响应函数。

3.根据权利要求2所述的基于图像的线阵航天遥感载荷辐射定标方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：

线阵载荷积分时间由像移速度决定，通常为常量，则将公式(1)化简为：

I＝f(EM) (2)

由f单调递增性质，有：

f^-1(I)＝EM (3)

对上述公式(2)进行对数变换：

lnf^-1(I)＝lnE+lnM (4)

令g＝lnf^-1，公式(4)的响应函数表示为：

g(I)＝lnE+lnM (5)

将获取的第j幅图像中的第i个像素点代入公式(5)，得到：

g(I_i,j)＝lnE_i+lnM_j (6)。

4.根据权利要求1所述的基于图像的线阵航天遥感载荷辐射定标方法，其特征在于：步骤四中，利用SVD求取公式(15)的最优解：

S＝C^-1B (16)

获取精确度最优的相机响应函数：

式中，为取排序0到I_max对应的矩阵元素。