CN117077347A - 一种从图到图的卫星红外成像仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种从图到图的卫星红外成像仿真方法，包括以下步骤：步骤1、根据不同波长，经纬度以及日期等参数获取不同目标的综合平均发射率；步骤2、根据发射率、探测器等相关参数，确定目标反射背景红外辐射和自身发射红外辐射，然后将二者传输到探测器入瞳处能量叠加，计算出探测器入瞳能量；步骤3、构建遥感器的信号模型、噪声模型，以及利用探测器入瞳能量构建传感器的调制传递函数模型从而对输入图像进行仿真。本发明利用从图到图的方式对卫星图像进行仿真，具有更高的效率，同时本发明可以对多种典型地物目标进行仿真，具有更高效的优点。
Description
技术领域
本发明涉及场景仿真中的红外图像成像仿真领域，特别是一种从图到图卫星红外成像仿真方法。
背景技术
红外成像仿真技术是指在计算机上借助于三维引擎进行虚拟场景构建、辐射能量计算、成像过程模拟来生成符合物理规律的红外图像的技术。红外成像在火灾监测，农作物估产等领域应用广泛，但其成像质量受场景中辐射波段、气象环境和传感器的硬件参数等因素的影响，要完成在不同因素下的测试成像质量将会消耗不小的人力物力资源，利用对获取到的卫星图像进行成像仿真可以有效的节约人力物力成本。
近些年，关于红外成像仿真多以研究如何更好的建模场景为主要目的。这种方法需要对目标的几何信息有更为细致的建模过程，并且需要考虑不同部位的材料的特性，从而会大幅增加仿真所需要的时间复杂度。对于一些特定领域的卫星场景建模过程会大大降低实际应用中的实时性要求。
发明内容
为了解决现有红外仿真所存在的问题，针对卫星任务要求、载荷特性及整星工作模式，本发明开展目标特性、成像质量仿真分析和几何定标算法研究，支撑整星设计、指标确认工作。针对卫星应用，进行探测性能提升方法研究工作。本发明提出了一种从图到图的卫星红外成像仿真方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种从图到图的卫星红外成像仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、根据卫星图像的相关参数计算不同目标的综合发射率；
步骤2、根据获取到的发射率以及给定的探测器参数，计算探测器入瞳能量；
步骤3、构建探测器的信号模型、噪声模型以及调制传递函数模型，对卫星图像进行仿真。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明基于采集到的红外图像直接进行仿真，具有更高效的优点，可以满足实际应用中的实时性要求。同时，由于计算的是综合平均发射率，无需进行复杂的几何建模即可仿真绝大多数常见目标，因此本发明在各个领域具有更为广泛的应用。
附图说明
图1为本发明设计流程图。
图2为本发明算法流程图。
图3为入瞳辐亮度仿真流程图。
图4为MTF模型仿真流程图。
图5为卫星红外图像仿真实施例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明一种从图到图的卫星红外成像仿真方法，结合图1、图2，首先，对红外图像中的各个目标的红外特性进行研究，通过获取的经纬度与日期信息计算相应的角度信息；然后根据查找到的常见地物发射率计算输入分割后的红外图像每个像素单元的综合平均发射率。其次，利用有效描述目标表面反射特性的双向反射分布函数计算探测器的红外入瞳能量，该能量包括两个部分：目标反射背景红外辐射和自身发射红外辐射。然后，将平台与遥感器一体化问题研究，该部分包括对探测器电路的信号模型、噪声模型以及调制传递函数的构建。通过构建这些模型获取原始数字图像的空间频谱，利用此频谱与同频域物理量的调制传递函数相乘，通过逆傅立叶变换得到最终的退化图像。最后通过调制传递函数法与信号噪声比来评估仿真后的红外图像效果。
步骤1、计算不同目标的综合发射率：
对地观测的目的就是要了解掌握地面物体的情况，而不同的物体都有其吸收、反射光谱的特性，有时这种区别的差异会很大(如土地和水体等)。本发明目的是希望根据卫星的静地特性，分析当前像幅内的地物。输入是光学系统量化参数，输出是基于景物或地形的光信息。
相机成像中地物通过其光谱特性辐射能量，本发明主要针对中远红外波段地物目标。根据输入的参数(经纬度及日期)计算相应的角度信息；根据查找到的常见地物发射率计算输入分割图像每个像素单元的综合平均发射率。
红外成像仿真中地物根据其光谱特性结合不同温度带来不同的电磁波能量变化，针对中远红外波段(3-14μm)展开研究。
目标发射的电磁波的能力并不仅仅是由温度决定的，同时还由目标的发射率决定，一个目标的发射率受到材料本身、表面状态、反射率以及不透明度影响。发射率是指在某一特定温度下物体发射出的电磁波与理论上在没有损失时的完全值的比例，即一个物体实际发射的电磁波与其理论值的比例。这一值介于0 和1之间。发射率如果能够达到理论上没有损失的完全值，则称之为黑体。黑体是一个完美的发射器，理论上可以发射100％电磁波，所以它的发射率值为1.0。而一个物体如果发射出60％的电磁波，则称其发射率值为0.6。
通常情况下，红外能表现为三种形式，即发射、穿透和吸收。
反射率+穿透率+吸收率＝100％ (1)
如果目标不是透明的，则其穿透率为0，公式(1)则变为：
反射率+吸收率＝100％ (2)
如果目标吸收红外能，它的温度会上升。当物体处于等温状态时，它发射出的能量和吸收的能量是相同的。因此，吸收率＝发射率。以上公式可以表示为：
发射率＝100％-反射率 (3)
因此对于不透明的物体，发射率是反射率的倒数。然而，大多数材料的发射率值是不固定的。被测材料本身是表面发射率的最重要因素，并不是唯一因素，例如表面纹理、氧化度、微观结构、表面污染物以及镀层等因素。
步骤2、计算探测器入瞳能量
该模块通过Modtran模型来计算“入瞳辐出度”，其中输入参数包括控制运行参数(采用何种辐射传输模式、是否进行多次散射计算等)、观测几何参数(太阳天顶角、太阳方位角、卫星天顶角、卫星方位角和日期)、大气参数、气溶胶参数、地表参数、遥感器参数(如遥感器的波段参数、观测的波长范围)。该模型在模拟这些输入的条件下，辐射在太阳-地物-遥感器之间的传输过程，即首先模拟了地面物体产生的辐射来物体自身、大气漫射和环境辐射，然后模拟了遥感器接收的来自大气折射、背景辐射和来自地物像元的发射的辐射，最终得到一个输出文本文件，其中包括表面发射率、表面辐出度、气体总透射率总散射透过率、大气半球反照率和大气反射率。根据该模型的输出数据计算入瞳辐射。入瞳辐射仿真流程图如图3所示。
步骤3、构建探测器的信号模型、噪声模型以及调制传递函数模型：
对光学遥感系统进行建模仿真，模拟光学感器成像过程：到达遥感器的光学系统的光能量经过探测器的光电成像模型，获取遥感数据并输出退化图像。该模块是用来计算大气MTF，并用其结果计算光学MTF，接着计算信号转换采样，采样完后计算暗电流噪声，进而计算探测器MTF和像移MTF，然后计算读出、散粒、模式噪声。计算完后再计算电路MTF和放大器噪声，最后量化结果并量化噪声。
信号传递模型
(a)能量衰减
由于透镜、滤光片等光学元件及镀膜的存在，入射光的能量被反射或吸收，不能完全透过光学系统，总存在一定的能量损失。光学系统对入射能量的衰减用光学系统光谱透过率τoptics(λ)来描述。τoptics(λ)在[λ1，λ2]光谱响应范围内是一条随λ变化的曲线。
(b)中心遮拦
对于有中心遮拦的光学系统，其中心遮挡光阑会部分遮挡辐射到传感器像面的光线，从而影响传感器像面的照度分布。设光学系统的遮拦面积比为K，对于圆形孔径及圆形遮拦的光学系统，K＝d2/D2，其中d为遮拦直径(通光内径)， D为通光孔径(通光外径)。对于无中心遮拦的光学系统，K＝0。
(c)cosNθ阴影效应
cosNθ阴影效应是一个几何现象，由于透镜有一定的厚度，像平面上各象素点接收到的辐射量不可能完全相同，造成图像中央区域较亮，而边缘区域渐暗。根据理论计算，在物面亮度均匀一致的情况下，由于光学系统的会聚和发散作用，光学系统轴外像点的照度随像方视场角的增加而按cos4θ的规律降低。
(d)渐晕效应
渐晕是指轴外点发出的充满入瞳的光束中，部分光线被其他光阑遮挡的现象，也就是说使轴外光束的孔径减小。物点离光轴越远，渐晕越大。在红外光学系统中，渐晕会使像面上边缘点的照度减小。渐晕现象严重的程度通常用渐晕系数来表示。面渐晕系数H＝轴外点光束在入瞳上的截面积/入瞳面积。对于存在渐晕的光学系统，理论上轴外像点某处的照度EM’＝H·EO‘·cos4θ，H为该处的面渐晕系数。
(e)几何扭曲效应
几何扭曲效应主要是由光学系统引起的，其不影响成像的清晰程度，而只影响像与物的几何相似性。产生畸变的原因，可以认为是由于光学系统对共轭面上不同高度的物体有不同的垂直放大率所致，可以在空域通过增加校正项来模拟。校正项描述了各点相对于其预期位置的位移。
噪声模型
(a)噪声模型
噪声包括：暗电流噪声(探测器)、散粒噪声(探测器、电路)、读出噪声(探测器)、放大器噪声(电路)、量化噪声(电路)。这五类噪声均为加性噪声，其模型如下：
S(m,n)＝Se(m,n)+N(m,n) (4)
(b)暗电流噪声
暗电流噪声与温度有关，独立于信号，服从泊松分布，其噪声标准差为暗电荷的开方，也即：
式中，AD是耗尽层的有效面积，JD为暗电流密度。tint曝光时间，q为电子电荷量，q＝1.6×10-19库伦，ndark为暗电流电子数，通常由探测器手册给出。
(c)散粒噪声
散粒噪声与入射到感光像元的光子的随机波动有关，依赖于信号，也服从泊松分布，其噪声标准差为信号电荷的开方，也即：
式中，nshot为光子数，通常信号模型给出；暗电流和散粒噪声均在CCD积分过程中产生，大小均与积分时间、探测元尺寸有关。
(d)读出噪声
读出噪声σredout在电荷转移过程中产生，独立于信号，按白噪声的模型进行分析。其值通常由探测器手册给出(读出噪声、噪声等效电子数或噪声电平noise floor)。
(e)放大器噪声
放大器噪声包括片内放大器噪声和片外放大器噪声，片内放大器的噪声主要包括1/f噪声和白噪声，片外放大器噪声与片内放大器噪声类似，这里按白噪声处理。
(f)量化噪声
量化噪声在AD转换时产生，其噪声标准差与量化位数有关，量化位数越多，其噪声标准差越低，具体公式如下所示。此类噪声按白噪声处理。
式中，Ssaturation为满阱电子数；n是量化位数。
调制传递函数模型
调制传递函数(MTF)的基础是线性滤波理论，它适于分析各种线性的空间不变和稳定的系统对信号的响应，它描述了遥感系统对于正弦波输入的振幅响应，反映了线性系统各子系统对于各频率分量对比度的传递特性，即随频率增加图像对比度要衰减。在遥感技术中被广泛地用来定量描述遥感成像过程中由于卫星姿态、大气扰动、遥感器滤波效应、位移和噪声等造成的像质下降因素。
MTF最突出的特性是可以将线性空间系统的各个单元进行级联并确定整个系统综合的空间频率响应，当整个系统幅值响应具有线性或相移不变性时，系统的总体响应可表示成一个MTF它是各个分系统MTF的乘积。
(a)大气系统MTF
光在大气中传播分别受湍流影响和气溶胶影响，而使图像质量下降，假设这两个影响是相互独立的，那么大气系统调制传递函数可写成如下形式：
MTFatm(v)＝MTFturb×MTFaero (8)
其中MTFaero是气溶胶吸收和散射引起的，MTFturb是由于大气湍流引起的。
1).大气湍流引起的MTF
long为长曝光情况，short为短曝光情况，短曝光可以定义为t＜10ms，多数成像系统工作在短曝光区域。其中：
为大气折射率结构常数，反映了大气湍流的强弱状况。
弱湍流情况下：
强湍流情况下：
表1：大气湍流MTF模型各参数定义
2).气溶胶吸收和散射引起的MTF：
其中，fc＝a/λ。
表4-2：大气气溶胶MTF模型各参数定义
| Sa | 气溶胶散射系数(km-1) |
| Aa | 气溶胶吸收系数(km-1) |
| fc | 气溶胶截止频率 |
| L | 气溶胶路径长度(m) |
| a | 气溶胶粒子的半径(m) |
(b)光学系统MTF
光学元件对入射信号的衍射、光学透镜固有的几何像差对光学系统调制传递特性有较明显的影响。通常衍射限对应的传递函数在低频下降快，在高频拖尾较长，而几何像差所对应的传递函数在低频下降慢，在高频下降快，拖尾短。
1)空间衍射MTF
红外成像系统的响应波长范围较宽，而且是接收景物的非相干辐射，因而看不到相干效应。所以，衍射限的光学系统的传递函数取决于波长及孔径的形状。
对于圆形孔径的无中心遮拦衍射限光学系统，其MTFdiff为：
其中，为角空间频率，单位为cy/mrad；foc＝D/λ为光学系统的空间截止频率，D为光学系统入瞳直径，λ为中心波长。
具有中心遮挡的衍射限圆形孔径光学系统的MTFdiff2为：
其中，d是遮挡直径，D为光学系统入瞳直径。假设
则变量A,B,C分别为：
当d＝0时，方程即变形为无中心遮拦衍射限形式。
2)残余几何像差MTF
由于光的衍射和光学系统像差的存在，一个点目标经过光学系统所成的像是一个比较复杂的图像，而不是一个点像，目标上各个点经过光学系统所成的像的综合就构成了整个目标的图像。对于衍射限光学系统，MTF将取决于特定的像差。
对于卫星的光学系统，只需保证近轴点有很好的像质，即只要最大波像差(理想球面与实际球面之间的光程差)不大于λ/4，符合瑞利极限的要求便可。这样的残余像差主要影响艾里斑内的能量分布，基本上不影响艾里斑中央亮斑的大小，即可以看作为小像差系统。对于小像差系统通常用波像差来进行像质评价。这里用均方波像差Wrms来近似描述像差效应。
其中，Wrms为均方波像差，一般认为在波像差比较平滑的情况下，均方波像差与波像差P-V值的比值为1:3.5，即根据瑞利极限，当均方波像差不大于λ/14时，光学系统有良好的像质。当波像差不是很平滑的时候，这个比值的分母会变大，一般假设4或5，此时的均方波像差瑞利极限为λ/20。A取经验值0.18。
对于非衍射限光学系统，其调制传递函数为MTFo＝MTFdiffMTFaberration。
3)离焦MTF
离焦引起的调制传递函数如下式所示：
式中，J1是一阶贝赛尔函数；κ表示离焦量；fN为奈奎斯特频率。经过精确调焦后，离焦MTF可以认为是1。
4)其它MTF
装调和加工也会引起MTF的退化，装调和加工引起的调制传递函数退化满足高斯函数：
式中，a为装调加工因子。
(c)探测器MTF
1).探测器的时间滤波
探测器对入射辐射的响应不是瞬时的，达到稳定值要有一个过程，其时间滤波效应相当于一个低通滤波器，其调制传递函数为：
其中f0为探测器时间响应对应3dB时的频率：f0＝1/2πτd。τd为探测器的时间常数，单位为τd。
2).低通滤波和高通滤波
从空间频率特性分析来看，热成像系统低频特性较好，频率越高，响应特性越差。热成像系统中放大器的作用是放大信号，消除大的背景基准电平。前置放大器、后置放大器等电子滤波器可用低通滤波器来模拟。低通滤波器在时间频率域的传递特性如下，
其中f为时间频率，单位为Hz，f为低通滤波的3dB频率，n为滤波阶数。
时间频率ft与空间频率fs(cy/mrad)的转换关系由下式决定：
ft＝wfs (25)
其中w为扫描角速度(mrads)。对于不同的成像方式，ω是不同的。
对于实际系统，可以通过测试其频率特性来得到fl0，但在系统设计和分析时，需预先确定fl0。由于低通滤波器要传递图像信号，若电子线路的带宽较窄，则图像信息损失较大，反之若带宽很宽，虽然图像信息不失真通过，但相应的将伴有大量噪声通过，使输出信噪比下降，因此滤波器的带宽应根据最大信噪比的要求设定。根据信息处理的分析结果，当带宽Δf·τint＝0.5时，可以保证脉冲信号的基频通过。故成像系统中可取Δf＝1/(2τint)为系统的3dB带宽。由于电子线路的高频滤波3dB频率fh0很低，可以看作0，故fl0＝Δf。
在电路中完成类似微分处理的环节是高通滤波器，其传递特性如下
3).高频提举
当噪声水平相对于信号很可观时，有时常用提举电路或孔径校正来平滑系统的频率响应，设最大提举频率点为fmax，fmax处提举幅度为K(≥1)，滤波阶数为n，则高频提举电路传递特性如下：
4).CCD转移
当信号电荷通过CCD传输时，由于CCD转移效率的影响，信号将有所衰减。
CCD转移的传递函数
其中，N为从探测器转移到输出放大器的电荷总数；η为CCD电荷转移效率，fts为转移时钟空间频率。
综上所示，探测器总的调制传递函数(MTF)为:
MTFsys＝MTFoptics·MTFdetector·MTFelectronics (29)
MTFoptics＝MTFdiffraction·MTFaberration·q(1-ζ) (30)
MTFdetector＝MTFdt·MTFds (31)
MTFelectronics＝MTFlow·MTFhigh·MTFboost·MTFtrans (32)
利用MTF对红外图像的仿真流程图如图4所示。
步骤4、评估仿真图像质量：
基于MTF的图像质量评价
调制传递函数(Moduiation Transfer Function)，是光学成像系统性能评价的重要指标之一。对于在轨遥感器MTF测量，必须获取具有线光源特性或者阶跃脉冲特性的地物的图像。根据地物来源的不同，可以将这类地物分为两类：第一类是人工布设的地面靶标；第二类是地面标志物，如以桥梁、机场等作为特征物。人工布设靶标的像的质量一般较高，有利于较精确地测量在轨遥感器MTF，但是该方法需要投入较大的人力、物力。因此直接从遥感图像上。选取地面标志物，来测量在轨遥感器的MTF成为一种经济的可替代的选择。
刀刃法MTF测量的主要思路就是：从含有边缘响应的图像中，提取边缘扩展函数，进而计算线扩展函数，从而最终测量出系统的MTF。其详细步骤如下：
(1)根据边缘成像的灰度分布提取亚像素边缘位置。
(2)依据亚像素边缘位置提取采样数据，拟合边缘扩展函数曲线。
(3)对边缘扩展函数曲线一次求导，得出线扩展函数曲线。
(4)对线扩展函数曲线做傅里叶变换得到MTF曲线。
基于SNR的图像质量评价
图像客观质量评价方法是先计算出被评价图像的某些统计特性和物理参量，最常用的是图像相似度的测量。图像相似度的测量通常是用处理后的图像与原图像之间的统计误差来衡量处理图像的质量，若误差越小，则从统计意义上来说，被评价图像与原图像的差异越小，图像的相似度就越高，获得的高质量评价也就越高。图像信噪比(SNR)计算公式如下：
其中M和N分别是图像长度和宽度，f(i,j)和g(i,j)分别是原始图像和重建后的图像。信噪比用于比较被评价图像与原图像质量的参数，信噪比的数值越大，图像质量越好。
本发明对波长为3um的红外卫星图像在指定参数下的仿真图如图5所示，可以看出，仿真的结果对图像的退化并不大，可以用于港口环境的评估。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种从图到图的卫星红外成像仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、根据卫星图像的相关参数计算不同目标的综合发射率；
步骤2、根据获取到的发射率以及给定的探测器参数，计算探测器入瞳能量；
步骤3、构建探测器的信号模型、噪声模型以及调制传递函数模型，对卫星图像进行仿真。
2.如权利要求1所述的从图到图的卫星红外成像仿真方法，其特征在于：所述步骤1卫星图像的相关参数包括卫星图像的波长、经纬度以及拍摄日期；对中远红外波段的红外图像进行目标分割，并且根据经纬度以及日期信息计算卫星图像的角度信息；然后根据查找到的常见地物发射率计算输入分割图像每个像素单元的综合平均发射率。
3.如权利要求1所述的从图到图的卫星红外成像仿真方法，其特征在于，所述步骤2中计算探测器入瞳能量的方法为：通过目标的结构特性、表面温度、平均发射率以及探测器的技术参数，利用有效描述目标表面反射特性的双向反射分布函数计算目标反射背景红外辐射与自身发射红外辐射，然后通过将二者传输到探测器入瞳处的能量相叠加，计算得到探测器入瞳能量；该步骤利用Modtran模型来计算。
4.如权利要求1所述的从图到图的卫星红外成像仿真方法，其特征在于：所述步骤3中的信号模型包括能量衰减、中心遮拦、阴影效应、渐晕效应以及几何扭曲效应，通过构建探测器信号模型对卫星图像进行校正；探测器电路噪声模型包括暗电流噪声、散粒噪声、读出噪声、放大器噪声以及量化噪声，构建噪声模型进一步退化现有的卫星图像，使其退化到经过探测器处理之前的状态；最后构建调制传递函数模型，来定量描述遥感成像过程中由于卫星姿态、大气扰动、遥感器滤波效应、位移和噪声造成的像质下降因素；各个分系统调制传递函数包括大气系统调制传递函数、光学系统调制传递函数以及探测器调制传递函数，探测器总的调制传递函数为各个子系统调制传递函数的乘积；然后对原始数字图像进行傅里叶变换得到它的空间频谱，与同频域物理量的调制传递函数相乘，最终对乘积结果进行逆傅里叶变换，得到空间分布的退化图像。
5.如权利要求1所述的从图到图的卫星红外成像仿真方法，其特征在于：对卫星图像进行仿真后，利用调制传递函数法以及信噪比来评估卫星仿真图像的效果。
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