RU2621877C1 - Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона - Google Patents

Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона Download PDF

Info

Publication number
RU2621877C1
RU2621877C1 RU2016109800A RU2016109800A RU2621877C1 RU 2621877 C1 RU2621877 C1 RU 2621877C1 RU 2016109800 A RU2016109800 A RU 2016109800A RU 2016109800 A RU2016109800 A RU 2016109800A RU 2621877 C1 RU2621877 C1 RU 2621877C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
quote
signal
photodetector
elements
sensitive
Prior art date
Application number
RU2016109800A
Other languages
English (en)
Inventor
Юрий Михайлович Гектин
Михаил Борисович Смелянский
Александр Александрович Зайцев
Роман Викторович Андреев
Original Assignee
Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") filed Critical Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы")
Priority to RU2016109800A priority Critical patent/RU2621877C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2621877C1 publication Critical patent/RU2621877C1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области дистанционного зондирования Земли. Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприемника инфракрасного диапазона предусматривает выбор на фотоприёмнике не чувствительных к излучению от объекта съёмки элементов, сравнение сигналов от упомянутых нечувствительных элементов в разный момент времени и коррекцию изображения. Способ позволяет повысить точность принимаемого сигнала.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Одним из важнейших источников информации при дистанционном зондировании Земли является видеоинформация в тепловой области спектра. Однако, получаемые приборами ДЗЗ исходные изображения помимо полезной информации содержат шумы различной природы. Также изображения могут содержать структурные искажения из-за погрешностей в работе аппаратуры. Следовательно, для улучшения качества данных ДЗЗ необходима коррекция инфракрасных изображений с учётом специфики используемой аппаратуры.
В настоящее время создана аппаратура МСУ-ГС второго поколения для КА «Электро-Л» №2 (далее – МСУ-ГС), предназначенная для оперативного получения изображения облачности и подстилающей поверхности Земли [Андреев Р.В. Разработка программного комплекса тестирования блока обработки сигналов геостационарной сканирующей аппаратуры тепловой области спектра: дис. магистра прикладных математики и физики, М., 2014]. Для формирования изображений в инфракрасных каналах данной аппаратуры используются многоэлементные фотоприёмные устройства.
В тепловых каналах аппаратуры МСУ-ГС имеет место дрейф темновой составляющей сигнала фотоприёмников. Величина этого дрейфа зависит от многих факторов (температуры фотоприёмника, времени с момента начала сеанса, времени с момента начала кадра и других). Кроме того, на изображениях часто присутствуют протяженные импульсные помехи, которые достаточно сложно отфильтровать ввиду особенностей формирования выходного сигнала.
Особенностью оптической схемы инфракрасных каналов аппаратуры МСУ-ГС является уменьшенное (несколько меньше размеров фотоприёмника) световое поле, формируемое объективом в фокальной плоскости. Таким образом, на фотоприёмнике присутствуют элементы, на которые не попадает излучение от объекта съемки (далее – "слепые" элементы). Следовательно, может быть предложен способ обработки сигнала фотоприёмника, который одновременно позволит учесть дрейф темновой составляющей сигнала фотоприёмника и наличие в фотоприёмнике элементов, не получающих излучения от объекта съёмки и, соответственно, позволит повысить качество полученного изображения, по сравнению с известными аналогами. То есть, предложенный способ радиометрической коррекции инфракрасного изображения от многоэлементного фотоприёмника должен обеспечить решение описанной выше задачи по коррекции инфракрасных изображений с учётом особенности формирования выходного сигнала разрабатываемой аппаратурой.
Например, известен способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприёмника (патент на изобретения RU2449491, 2012, ИФП СО РАН). При осуществлении данного способа на фотоприёмнике определяют элементы чувствительные и не чувствительные к излучению от объекта съёмки, сравнивают сигналы от упомянутых чувствительных и нечувствительных элементов в различные моменты времени и корректируют полученное изображение в соответствии с зависимостью между значением скорректированного сигнала и сигнала от объекта съёмки, учитывающей изменение сигнала. Однако в RU2449491 опорный сигнал получается за счет временной замены одного оптического элемента другим, что приводит к расфокусировке оптической систем. В свою очередь, предлагаемый способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона позволит корректировать изображение без возможной потери работоспособности фотоприёмника, что обеспечит надёжную эксплуатацию многозонального сканирующего устройства в целом.
Предложенный способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона предусматривает определение на фотоприёмнике элементов чувствительных и нечувствительных к излучению от объекта съёмки и сравнение сигналов от упомянутых чувствительных и нечувствительных элементов в различные моменты времени. Изображение корректируют в соответствии с зависимостью между значением скорректированного сигнала и сигнала от объекта съёмки, учитывающей изменение сигнала. В отличие от указанных выше аналогов, в предложенном способе радиометрической коррекции определяют значение величины QUOTE
Figure 00000001
Figure 00000001
и выполняют указанную коррекцию изображения в соответствии с зависимостью QUOTE
Figure 00000002
Figure 00000002
[ QUOTE
Figure 00000003
Figure 00000003
]. В данных формулах использованы следующие величины: QUOTE
Figure 00000004
Figure 00000004
– значение скорректированного сигнала, не содержащего компонент, вызванных дрейфом или импульсными помехами; QUOTE
Figure 00000005
Figure 00000005
– нормализованный сигнал от объекта съёмки; QUOTE
Figure 00000006
Figure 00000006
– помеха; QUOTE
Figure 00000001
Figure 00000001
– изменение сигнала для элементов, нечувствительных к излучению от объекта съёмки, по сравнению с его значением в начале кадра; QUOTE
Figure 00000007
Figure 00000007
– коэффициент нормализации; L – номер линейного фотоприёмника; m – номер элемента фотоприёмника; QUOTE
Figure 00000008
Figure 00000008
– оператор объединения отсчётов сигналов от элементов фотоприёмника, путём суммирования нормализованных отсчётов, умноженных на коэффициенты интерполяции.
Следует отметить, что описанная выше процедура коррекции применяется к сигналу, прошедшему процедуру нормализации – устранения неоднородности чувствительности и темновой составляющей сигнала. В большинстве случаев процедуру нормализации также называют радиометрической коррекцией. В силу этого предложенная в данном изобретении процедура радиометрической коррекции является дополнительной к процедуре радиометрической коррекции, называемой в данном изобретении нормализацией.
Радиометрическая коррекция согласно предложенному способу может быть произведена на борту космического аппарата либо при наземной обработке сигнала. Бортовая коррекция значительно проще наземной, так как выходной сигнал в этом случае корректируется уже на этапе нормализации, но требует значительного усложнения алгоритма работы блока обработки сигнала. В связи с этим для аппаратуры МСУ-ГС выбран второй способ – радиометрическая коррекция при наземной обработке. Более подробно процедура коррекции изображений может быть рассмотрена следующим образом.
В видеоинформации тепловых каналов аппаратуры МСУ-ГС передается сигнал QUOTE
Figure 00000009
Figure 00000009
– сигнал от фотоприёмника, прошедший процедуру нормализации. Обозначим сигнал от элемента фотоприемника как QUOTE
Figure 00000010
Figure 00000010
, где L – номер линейного фотоприёмника (ЛФПУ), m – номер элемента. Тогда QUOTE
Figure 00000011
Figure 00000011
, где QUOTE
Figure 00000012
Figure 00000012
– сигнал от объекта съемки, а QUOTE
Figure 00000013
Figure 00000013
– помеха. Каждый отсчёт проходит процедуру нормализации: QUOTE
Figure 00000014
Figure 00000014
, где QUOTE
Figure 00000015
Figure 00000015
– нормализованный сигнал, QUOTE
Figure 00000016
Figure 00000016
– сигнал от холодного источника излучения (космос), QUOTE
Figure 00000017
Figure 00000017
– сигнал от горячего источника излучения (бортового имитатора абсолютно черного тела), A – масштабный коэффициент, С – уровень "холодного" в нормализованном выходном сигнале, QUOTE
Figure 00000018
Figure 00000018
– коэффициент нормализации. Константы A и C рассчитываются исходя из параметров модели съемки и требований, предъявляемых к аппаратуре, и уточняются в процессе наземной калибровки [Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений – М.: Техносфера, 2010 – 560 с.]. Таким образом: QUOTE
Figure 00000019
Figure 00000019
, QUOTE
Figure 00000020
Figure 00000020
– величина сигнала от источника излучения не содержащая помехи. Затем, нормализованные отсчеты от восьми линейных фотоприёмников объединяются между собой в блоке обработки сигналов. Обозначим процедуру объединения отсчётов оператором QUOTE
Figure 00000021
Figure 00000021
. На выходе данной процедуры информация будет представлена в виде отсчетов от одного виртуального линейного фотоприёмника QUOTE
Figure 00000022
Figure 00000022
. Процедура объединения отсчётов представляет собой суммирование нормализованных отсчётов, умноженных на заранее известные коэффициенты интерполяции – константы, определяемые из геометрических соотношений, учитывающих топологию фотоприёмника и особенности сканирования, хранящиеся в памяти блока обработки сигналов [Гектин Ю.М., Еремеев В.В., Егошкин Н.А., Зенин В.А., Москатиньев И.В. Нормализация изображений от геостационарной космической системы наблюдения земли. // Цифровая обработка сигналов №3. 2011 – С. 28-31]. Следовательно, оператор QUOTE
Figure 00000021
Figure 00000021
является линейным и выходной сигнал можно представить в виде: QUOTE
Figure 00000023
Figure 00000023
.
В случае появления импульсной помехи или дрейфа величина помехи QUOTE
Figure 00000024
Figure 00000024
зависит только от номера ЛФПУ и не зависит от номера элемента ( QUOTE
Figure 00000025
Figure 00000025
). Поскольку "слепые" элементы не чувствительны к входному излучению, то изменение значения сигнала от этих элементов может быть вызвано только помехами или дрейфом. Обозначим изменение сигнала для "слепых" элементов по сравнению с его значением в начале кадра как QUOTE
Figure 00000026
Figure 00000026
. Если считать, что величина QUOTE
Figure 00000013
Figure 00000013
включает в себя только дрейф и импульсные помехи, то QUOTE
Figure 00000027
Figure 00000027
и процедура коррекции выходного сигнала выглядит следующим образом: QUOTE
Figure 00000028
Figure 00000028
,
где QUOTE
Figure 00000029
Figure 00000029
– значение скорректированного сигнала. В результате скорректированный сигнал не содержит в себе компонент, вызванных дрейфом или импульсными помехами. Кроме того, в предложенном способе используют опорный сигнал, полученный от элементов, находящиеся в фокальной плоскости оптической системы, но вне поля зрения объектива, в то время как в RU2449491 опорный сигнал получается за счет временной замены одного оптического элемента другим, что приводит к расфокусировке оптической системы.
Рассмотрим практическую реализацию предложенного способа коррекции на пример аппаратуры МСУ-ГС. Для наземной радиометрической коррекции необходимо передавать величины поправок QUOTE
Figure 00000026
Figure 00000026
. Так как эти величины зависят только от номера ЛФПУ и от времени, то для каждой строки выходного сигнала необходимо передать восемь соответствующих величин поправок. Поскольку выходной сигнал имеет разрядность десять бит, а величина дрейфа и помехи может быть как положительной, так и отрицательной, то величины поправок вычисляются следующим образом: QUOTE
Figure 00000030
Figure 00000030
, где QUOTE
Figure 00000031
Figure 00000031
есть сумма по всем номерам m элементов ЛФПУ, которые считаются "слепыми", QUOTE
Figure 00000032
Figure 00000032
– колличество "слепых" элементов в выбранном ЛФПУ, а t – номер строки выходного сигнала (всего 3400 строк в одном скане). Всего получают восемь значений поправок QUOTE
Figure 00000026
Figure 00000026
для каждой строки видеоинформации. В аппаратуре МСУ-ГС эти поправки записываются в первые и последние четыре отсчёта строки для каждого инфракрасного канала. В свою очередь, процедура наземной обработки для выделенного пикселя видеоинформации выглядит следующим образом: QUOTE
Figure 00000033
Figure 00000033
, где QUOTE
Figure 00000034
Figure 00000034
– коэффициент нормализации, рассчитываемый из передаваемых в телеметрии значений от горячего и холодного источника излучения.
Таким образом, предложен способ радиометрической коррекции изображений, получаемых при помощи многоэлементных фотоприёмников, основанный на использовании сигналов от элементов фотоприёмника, находящихся вне поля зрения объектива, позволяющий без существенной потери качества компенсировать возможный дрейф темновой составляющей сигнала фотоприемника и устранить помехи, возникающие при формировании изображения. Предложенный способ коррекции изображений будет использован для улучшения качества инфракрасных изображений аппаратуры МСУ-ГС. Кроме того, предлагаемый способ коррекции может быть использован для любой другой аппаратуры, формирующей изображения при помощи многоэлементных приемников излучения, при условии наличия в фотоприемнике элементов, находящихся вне светового поля, формируемого объективом в фокальной плоскости.

Claims (9)

  1. Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона, предусматривающий определение на фотоприёмнике элементов чувствительных и не чувствительных к излучению от объекта съёмки, сравнение сигналов от упомянутых чувствительных и нечувствительных элементов в различные моменты времени, коррекцию изображения в соответствии с зависимостью между значением скорректированного сигнала и сигнала от объекта съёмки, учитывающей изменение сигнала, отличающийся тем, что определяют значение величины QUOTE
    Figure 00000035
    Figure 00000035
    , соответствующей величине амплитуды дрейфа или помехи, выраженной в уровнях цифрового сигнала, и выполняют указанную коррекцию изображения в соответствии с зависимостью QUOTE
    Figure 00000036
    Figure 00000036
    , [ QUOTE
    Figure 00000037
    Figure 00000037
    ],
  2. где QUOTE
    Figure 00000038
    Figure 00000038
    – значение скорректированного сигнала, не содержащего компонент, вызванных дрейфом или импульсными помехами;
  3. QUOTE
    Figure 00000039
    Figure 00000039
    – нормализованный сигнал от объекта съёмки;
  4. QUOTE
    Figure 00000040
    Figure 00000040
    – помеха;
  5. QUOTE
    Figure 00000035
    Figure 00000035
    – изменение сигнала для элементов, не чувствительных к излучению от объекта съёмки, по сравнению с его значением в начале кадра;
  6. QUOTE
    Figure 00000041
    Figure 00000041
    – коэффициент нормализации;
  7. L – номер линейного фотоприёмника;
  8. m – номер элемента фотоприёмника;
  9. QUOTE
    Figure 00000042
    Figure 00000042
    – оператор объединения отсчётов сигналов от элементов фотоприёмника путём суммирования нормализованных отсчётов, умноженных на коэффициенты интерполяции.
RU2016109800A 2016-03-18 2016-03-18 Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона RU2621877C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109800A RU2621877C1 (ru) 2016-03-18 2016-03-18 Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016109800A RU2621877C1 (ru) 2016-03-18 2016-03-18 Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2621877C1 true RU2621877C1 (ru) 2017-06-07

Family

ID=59032175

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016109800A RU2621877C1 (ru) 2016-03-18 2016-03-18 Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2621877C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2732793C1 (ru) * 2019-11-20 2020-09-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос», Способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006065741A2 (en) * 2004-12-13 2006-06-22 Digitalglobe, Inc. Method and apparatus for enhancing a digital image
US7235773B1 (en) * 2005-04-12 2007-06-26 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Method and apparatus for image signal compensation of dark current, focal plane temperature, and electronics temperature
RU2449491C1 (ru) * 2010-11-18 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника
US20130301924A1 (en) * 2000-07-31 2013-11-14 Wei Chen Method of Out-of-Band Correction for Multispectral Remote Sensing
CN104482939A (zh) * 2014-11-06 2015-04-01 中国资源卫星应用中心 一种基于时间序列的星载相机辐射交叉定标方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130301924A1 (en) * 2000-07-31 2013-11-14 Wei Chen Method of Out-of-Band Correction for Multispectral Remote Sensing
WO2006065741A2 (en) * 2004-12-13 2006-06-22 Digitalglobe, Inc. Method and apparatus for enhancing a digital image
US7235773B1 (en) * 2005-04-12 2007-06-26 Itt Manufacturing Enterprises, Inc. Method and apparatus for image signal compensation of dark current, focal plane temperature, and electronics temperature
RU2449491C1 (ru) * 2010-11-18 2012-04-27 Учреждение Российской академии наук Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН (ИФП СО РАН) Способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприемника
CN104482939A (zh) * 2014-11-06 2015-04-01 中国资源卫星应用中心 一种基于时间序列的星载相机辐射交叉定标方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2732793C1 (ru) * 2019-11-20 2020-09-22 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос», Способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3715907B1 (en) Methods and apparatuses for compensating light reflections from a cover of a time-of-flight camera
US9876968B2 (en) Drift correction method for infrared imaging device
US20090272888A1 (en) Thermal infrared imaging system and associated methods for radiometric calibration
US7733391B2 (en) Method and system for black-level correction on digital image data
Bruegge et al. Early validation of the Multi-angle Imaging SpectroRadiometer (MISR) radiometric scale
US20180313955A1 (en) Time of flight camera
US7230741B2 (en) Optimum non-uniformity correction for imaging sensors
Schröder et al. In-flight calibration of the Dawn Framing Camera
US10070076B2 (en) Drift correction method for infrared imaging device
CN101889869B (zh) 摄像设备及其控制方法
US9552518B2 (en) Method of out-of-band correction for multispectral remote sensing
Montanaro et al. Landsat 9 thermal infrared sensor 2 (TIRS-2) stray light mitigation and assessment
Gorroño et al. Providing uncertainty estimates of the Sentinel-2 top-of-atmosphere measurements for radiometric validation activities
Klaasen et al. Inflight performance of the Viking visual imaging subsystem
RU2621877C1 (ru) Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона
Mills et al. VIIRS Day-Night Band (DNB) calibration methods for improved uniformity
Ryan Jr et al. The updated calibration pipeline for WFC3/UVIS: a reference guide to Calwf3 (version 3.3)
US6324308B1 (en) Non-uniformity correction method and apparatus for imaging systems
Clermont et al. Out-of-field stray light correction in optical instruments: the case of Metop-3MI
Zenin et al. ALGORITHMS FOR RELATIVE RADIOMETRIC CORRECTION IN EARTH OBSERVING SYSTEMS “RESOURCE-P” AND “CANOPUS-V”
JP2019213193A (ja) 赤外線撮像装置及びそれに用いられるプログラム
Hunt et al. A Radiometric Uncertainty Tool for OLCI
KR102286373B1 (ko) 디지털 이미저의 교정 방법
RU2732793C1 (ru) Способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки
Shterev Design and testing of the star trackers for the SEAM nanosatellite