RU2686445C1 - Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой - Google Patents

Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой Download PDF

Info

Publication number
RU2686445C1
RU2686445C1 RU2016100934A RU2016100934A RU2686445C1 RU 2686445 C1 RU2686445 C1 RU 2686445C1 RU 2016100934 A RU2016100934 A RU 2016100934A RU 2016100934 A RU2016100934 A RU 2016100934A RU 2686445 C1 RU2686445 C1 RU 2686445C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
spatial
image
filtering
function
long
Prior art date
Application number
RU2016100934A
Other languages
English (en)
Inventor
Константин Николаевич Свиридов
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 RU2016100934A priority Critical patent/RU2686445C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2686445C1 publication Critical patent/RU2686445C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/64—Systems for coupling or separating cosmonautic vehicles or parts thereof, e.g. docking arrangements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/46—Systems using spatial filters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области оптического приборостроения. Способ получения и обработки изображений, искаженных турбулентной атмосферой, включает регистрацию усредненного по атмосферным искажениям длинно-экспозиционного изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, преобразование его по Фурье в область пространственного спектра, пространственную фильтрацию спектра, и восстановление улучшенного фильтрацией резкого изображения объекта при обратном Фурье преобразовании отфильтрованного пространственного спектра. При этом регистрируют на борту космического аппарата дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) длинно-экспозиционное изображение зондируемого участка земной поверхности и осуществляют его адаптивную пространственную фильтрацию, для чего формируют фильтрующую функцию инверсного пространственного фильтра в виде
Figure 00000118
(
Figure 00000119
) =
Figure 00000120
, где
Figure 00000121
– средняя длина волны солнечного излучения подсвета [мкм], F – фокусное расстояние телескопа ДЗЗ, формирующего изображение [м],
Figure 00000119
=
Figure 00000122
1–
Figure 00000123
2
Figure 00000124
F – пространственно-частотный вектор в плоскости
Figure 00000123
апертуры телескопа [цикл/мм] или [пар. лин/мм],
Figure 00000125
(
Figure 00000126
, H) – адаптивно изменяемым в процессе фильтрации пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения на высоте H [км] космического аппарата ДЗЗ [м], К – номер итерации адаптивного поиска глобального максимума функции резкости
Figure 00000127
фильтруемого изображения, и итерационно изменяют в ней величину пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения –
Figure 00000128
(
Figure 00000126
, H), начиная с его максимального значения, определяемого по эмпирической формуле
Figure 00000129
≈
Figure 00000130
где L – высота турбулентного слоя атмосферы над земной поверхностью [м],
Figure 00000131
– величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций на границе турбулентного слоя [м]. При этом фильтруют пространственный спектр длинно-экспозиционного изображения первой итерацией фильтрующей функции
Figure 00000132
1(
Figure 00000119
) и при обратном Фурье преобразовании восстанавливают первую итерацию адаптивно фильтруемого длинно-экспозиционного изображения. Для организации последующих шагов итерационного процесса адаптивной фильтрации, формируют функцию резкости изображения в виде SK=
Figure 00000133
2
Figure 00000134
d
Figure 00000135
2d
Figure 00000119
, где
Figure 00000136
– область изображения,
Figure 00000137
– область пространственного спектра,
Figure 00000138
– оценка пространственного спектра для оценки адаптивно отфильтрованного изображения
Figure 00000139
. Максимизируют функцию путём уменьшения величины параметра
Figure 00000140
в выражении для фильтрующей функции
Figure 00000132
K(
Figure 00000119
) и последующего повторения итерационных шагов адаптивной фильтрации, завершая процесс адаптивной фильтрации при достижении функцией резкости SK глобального максимума. Технический результат заключается в обеспечении пространственной фильтрации ДЗЗ. 5 ил.

Description

Заявляемое изобретение относится к области оптического приборостроения и предназначено для достижения качественных (высокого разрешения) резких изображений зондируемых участков земной поверхности, получаемых из Космоса через турбулентную атмосферу.
Рассмотрим особенности получения и обработки изображений, искаженных турбулентной атмосферой.
Наличие турбулентной атмосферы Земли между зондируемым участком земной поверхности и космическим аппаратом дистанционного зондирования земли (ДЗЗ) существенно ограничивает информационные возможности систем ДЗЗ. Возникают две проблемы: проблема «видения» через турбулентную атмосферу и проблема «изопланатичности» зондируемого участка земной поверхности.
Суть этих проблем состоит в том, что проблема «видения» накладывает ограничения на минимальный размер деталей, разрешаемых системой атмосфера–телескоп на зондируемом участке земной поверхности, а проблема «изопланатичности» ограничивает максимальный размер зондируемого участка земной поверхности, который ещё является пространственно–инвариантным к атмосферным искажениям, то есть эта проблема ограничивает поле зрения системы ДЗЗ.
Эти проблемы существенно зависят от условий получения, и, в частности, от условий регистрации изображений ДЗЗ. Так, если время регистрации (экспозиции) τЭ превышает интервал временной корреляции атмосферных флуктуаций τA (так называемого времени «замороженности» турбулентностей атмосферы, τA ≈ 1 мсек) говорят о длинно–экспозиционной регистрации, а, если время регистрации τЭ меньше τA, то говорят о коротко-экспозиционной регистрации. Эти два крайних случая отличаются характером атмосферных искажений. Так, если длинно-экспозиционное изображение, усредненное по атмосферным искажениям за время τЭ > τA, обладает худшим разрешением (резкостью), чем мгновенное коротко–экспозиционное изображение, регистрируемое за время τЭ < τA, то оно является пространственно–инвариантным к атмосферным искажениям во всём поле зрения системы атмосфера–телескоп ДЗЗ, в отличии от коротко–экспозиционного изображения, состоящего в этом поле из ряда мгновенных областей изопланатичности, пространственно-неинвариантных к атмосферным искажениям (Свиридов К.Н. «Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения», изд. «Знание», 2005 [1]).
В связи с отмеченными особенностями атмосферных искажений, желание работать в широком поле зрения стимулировало получение длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ, как в отечественных космических аппаратах ДЗЗ: «Ресурс-ДК1» (Петри Г. Российский спутник «Ресурс-ДК1»: альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения. Геоматика, № 4, с. 38-42. 2010) [2] и «Ресурс-П» (Кирилин А.Н. и др. Космический аппарат «Ресурс-П». Геоматика, № 4, с. 23-26. 2010) [3], так и в американских космических аппаратах ДЗЗ: «QuickBird», «WorldView» и «GeoEye» (Лавров В.В. Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения. Геоинформационный портал ГИС Ассоциации, № 2, 2010) [4].
Эти публикации [2, 3, 4] могут быть рассмотрены, как аналоги предлагаемого здесь способа в части получения изображений. Используемая в них при детектировании технология ВЗН (временной задержки и накопления) приводит к регистрации длинно–экспозиционного изображения ДЗЗ, усредненного по атмосферным искажениям.
Недостатком существующих технологий [2, 3, 4] дистанционного зондирования Земли, рассматриваемых нами в качестве аналогов получения изображений, является отсутствие в них обработки, осуществляющей коррекцию атмосферных искажений зарегистрированного длинно-экспозиционного изображения.
Характеристикой этого изображения является средняя длинно-экспозиционная оптическая передаточная функция, определяемая соотношением (FriedD.L. «Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures», JOSA, v.56, № 10, p. 1372-1379, 1966) [5]
<ф д-э (
Figure 00000001
)>= <ф(
Figure 00000001
)> = ф0(
Figure 00000001
) exp{-3,44[(
Figure 00000002
F
Figure 00000003
0 (
Figure 00000002
, H)]5/3}		 (1)
Здесь
Figure 00000001
Figure 00000001
=
Figure 00000004
Figure 00000004
1–р2/
Figure 00000002
Figure 00000002
F – пространственно-частотный вектор в апертуре
Figure 00000004
Figure 00000004
телескопа ДЗЗ,
Figure 00000005
Figure 00000005
длина волны солнечного излучения подсвета земной поверхности, преимущественно
Figure 00000002
Figure 00000002
= 0,5 мкм, F – фокусное расстояние телескопа ДЗЗ, ф0(
Figure 00000006
Figure 00000006
) – оптическая передаточная функция телескопа ДЗЗ, определяемая для круглой апертуры диаметра D соотношением
τ0(
Figure 00000006
Figure 00000006
) = 
Figure 00000007
Figure 00000007
,		 (2)
а r0(
Figure 00000008
Figure 00000008
H) – пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения на высоте H [км] космического аппарата ДЗЗ, определяемый соотношением (Fried D.L. «Limiting Resolution Looking DownThrough the Atmosphere», J. Opt. Soc. Am., v.56, №10, p.1380, 1966) [6]
r0(H) = 5,95·10-6 H{I(H/L)}-3/5 [м] (3)
где I(H/L) = Г(7/3; H/L)/Г(7/3), Г (а, в) =
Figure 00000009
Figure 00000009
a-1e-x– неполная гамма функция, а L – высота турбулентного слоя атмосферы, преимущественно L ≈ 10 км.
Отсюда, (1) ÷ (3), видно, что функция средней обратного преобразования Фурье (ОПФ) (1) является аналитически известной и может быть использована для фильтрации регистрируемых длинно-экспозиционных изображений.
Регистрируемое искаженное атмосферой изображение можно представить интегралом свёртки вида
Iи(
Figure 00000010
Figure 00000010
) =
Figure 00000011
Figure 00000011
] +
Figure 00000012
Figure 00000012
(
Figure 00000010
Figure 00000010
),		 (4)
где
Figure 00000013
Figure 00000013
– истинное распределение интенсивности объекта,
Figure 00000014
Figure 00000014
– импульсный отклик пространственно-инвариантной системы атмосфера-телескоп (функция рассеяния точки (ФРТ), является Фурье преобразованием от ОПФ) и
Figure 00000015
Figure 00000015
(
Figure 00000010
Figure 00000010
) – некоторый аддитивный шум в детектируемом изображении.
Пространственная фильтрация изображений вида (4), впервые предложенная и исследованная в 50-х годах 20 века Аббе, Портером, Цернике и Марешалем, описанная в работе (TsujinchiJ. «Correction of optical images by compensation of aberrations and by spatial frequency filtering» in «Progress in Optics». /ed. E. Wolf, North-Holland, Amsterdam, v.2, p.130, 1963) [7],требует выполнения традиционной последовательности операций, представленной на Фиг. 1., а именно, преобразования зарегистрированного изображения по Фурье в область пространственного спектра, пространственной фильтрации спектра умножением его на фильтрующую функцию и восстановления улучшенного фильтрацией изображения при обратном Фурье преобразовании от фильтрованного пространственного спектра.
В зависимости от вида фильтрующей функции различают: инверсную, винеровскую, гомоморфную и некоторые другие виды пространственной фильтрации (Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. «Цифровая обработка сигналов», изд. «Связь», М., 1979) [8].
Для сравнения возможностей использования этих фильтрующих функций применительно к проблеме атмосферного видения был проведен эксперимент по машинному моделированию искаженного атмосферой и аддитивным шумом изображения участка лунной поверхности и его последующей пространственной фильтрации (BreedloveJ.R., Jr. «Digital Image Processing of Simulated Turbulence and Photon Noise Degraded Images of Extended Objects» in Proc. of the SPIE «Imaging through the Atmosphere», v.75, p.155, 1976) [9].
В эксперименте были использованы следующие фильтрующие функции:
1. Фильтрующая функция инверсного фильтра
Figure 00000016
Figure 00000016
(
Figure 00000001
Figure 00000001
) =
Figure 00000017
Figure 00000017
 (5)
2. Фильтрующая функция гомоморфного фильтра
Figure 00000018
 (6)
3. Фильтрующая функция линейного винеровского фильтра
Figure 00000019
 (7),
где
Figure 00000020
Figure 00000020
и
Figure 00000021
Figure 00000021
- величины спектральных плотностей объекта и шума, а
Figure 00000022
Figure 00000022
величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения в пределах турбулентного слоя L у земной поверхности, определяемая соотношением [5]
r0(
Figure 00000008
Figure 00000008
L) = [0,423
Figure 00000023
Figure 00000023
2
Figure 00000024
Figure 00000024
(h)
Figure 00000025
Figure 00000025
dh]-3/5 		(8)
Результаты этого эксперимента для различных отношений сигнал/шум представлены на Фиг. 2 и Фиг. 3. Отсюда видно, что при точном знании импульсного отклика системы атмосфера-телескоп (ФРТ) и при большом отношении сигнал/шум возможно восстановление дифракционно-ограниченных изображений. При этом наблюдается малое отличие в результатах фильтрации различными фильтрующими функциями, так как при большом отношении сигнал/шум все они стремятся к инверсной фильтрации. Гомоморфный фильтр визуально дает более удовлетворительное качество изображения, чем линейный винеровский фильтр. Это можно объяснить лучшим согласованием нелинейного гомоморфного фильтра с нелинейными характеристиками зрительной системы человека.
Эту публикацию [9] можно рассматривать в качестве аналога предлагаемого нами способа в части обработки изображения. Недостатком этого аналога является то, что в нем реализуется пространственная фильтрация с априорно точно известными характеристиками турбулентных искажений ФРТ и аддитивного шума.
В идеальном случае для точного определения ОПФ системы атмосфера-телескоп необходимо иметь некоторый точечный источник в изопланатичной с объектом области. Реально при наблюдениях ДЗЗ подобная возможность практически отсутствует и возникает необходимость апостериорного определения ОПФ системы ДЗЗ, сформировавшей изображение, по самому зарегистрированному изображению. Из представленных выше выражений для фильтрующих функций (4), (5) и (6) видно, что неизвестным параметром, необходимым для их реализации, является величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций
Figure 00000026
Figure 00000026
а также величины спектральных плотностей объекта
Figure 00000020
Figure 00000020
и шума
Figure 00000027
Figure 00000027
. Заметим, что в последних нет необходимости при инверсной пространственной фильтрации, предлагаемой нами для изображений ДЗЗ.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому нами способу является способ фильтрации длинно-экспозиционного изображения астрономического объекта, описанный в работе (Дудинов В.Н., Цветкова B.C., Кришталь В.А., Хованский Н.А. «Обработка астрономических изображений методами когерентной оптики», Вестник ХГУ, № 117, стр.19, 1974) [10].
В этом способе, апостериорной пространственной фильтрации при фильтрации длинно-экспозиционного изображения астрономического объекта, планеты Сатурн, осуществляли перебор величин неизвестного параметра
Figure 00000028
Figure 00000028
в диапазоне его возможных значений. При этом пространственная фильтрация оказывается неточной. Примеры недокорректированного и перекорректированного изображений, полученных при переборе параметра
Figure 00000029
Figure 00000029
в инверсном фильтре (4), представлены соответственно на Фиг. 4 б и Фиг. 4 в .
Этот способ, описанный в [10], взят нами в качестве прототипа предлагаемого здесь способа, хотя он реализует фильтрацию длинно-экспозиционного изображения астрономического объекта, наблюдаемого с Земли, через турбулентную атмосферу.
При наблюдении через турбулентную атмосферу в обратном направлении, а именно, при дистанционном зондировании Земли из Космоса, обработка длинно-экспозиционных изображений зондируемых участков земной поверхности для коррекции атмосферных искажений не осуществлялась.
Для устранения отмеченных недостатков прототипа, обусловленных произволом выбора величины параметра
Figure 00000028
Figure 00000028
в фильтрующей функции и субъективизмом оценки качества отфильтрованного изображения оператором, а главное, для пространственной фильтрации длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ и предлагается данный способ.
Техническим результатом заявляемого способа является пространственная фильтрация длинно-экспозиционного изображения ДЗЗ и итерационное достижение его максимальной резкости в автоматическом режиме.
Технический результат достигается тем, что на борту космического аппарата ДЗЗ регистрируют длинно-экспозиционное изображение зондируемого участка земной поверхности и осуществляют его адаптивную пространственную фильтрацию, для чего формируют фильтрующую функцию инверсного пространственного фильтра в виде
Figure 00000016
Figure 00000016
K(
Figure 00000001
Figure 00000001
)= exp{3,44[(
Figure 00000002
Figure 00000002
F
Figure 00000030
Figure 00000030
(
Figure 00000002
Figure 00000002
, H)]} ,
[где
Figure 00000005
Figure 00000005
длина волны солнечного излучения подсвета [мкм], преимущественно
Figure 00000002
Figure 00000002
= 0,5 мкм, F – фокусное расстояние телескопа ДЗЗ, формирующего изображение [м],
Figure 00000001
Figure 00000001
=
Figure 00000031
Figure 00000031
1–
Figure 00000004
Figure 00000004
2
Figure 00000032
Figure 00000032
F – пространственно-частотный вектор в плоскости
Figure 00000004
Figure 00000004
апертуры телескопа [цикл/мм] или [пар. лин/мм],
Figure 00000033
Figure 00000033
(
Figure 00000002
Figure 00000002
, H) – адаптивно изменяемым в процессе фильтрации пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения на высоте H [км] космического аппарата ДЗЗ [м], а К – номер итерации адаптивного поиска глобального максимума функции резкости
Figure 00000034
Figure 00000034
фильтруемого изображения] и итерационно изменяют в ней величину параметра
Figure 00000035
Figure 00000035
(
Figure 00000002
Figure 00000002
, H), определяемого для первой итерации по эмпирической формуле
Figure 00000036
Figure 00000036
=
Figure 00000037
Figure 00000037
[где L – высота турбулентного слоя атмосферы над земной поверхностью [м], преимущественно L≈10 км, а
Figure 00000038
Figure 00000038
– величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций на границе турбулентного слоя [м], преимущественно
Figure 00000039
Figure 00000039
≈0,1 м] при этом (К=1) фильтруют пространственный спектр длинно-экспозиционного изображения первой итерацией фильтрующей функции
Figure 00000016
Figure 00000016
1(
Figure 00000001
Figure 00000001
) и при обратном Фурье преобразовании восстанавливают первую итерацию адаптивно фильтруемого длинно-экспозиционного изображения, а для организации последующих шагов итерационного процесса адаптивной фильтрации, формируют функцию резкости фильтруемого изображения в виде
SK=
Figure 00000040
Figure 00000040
2
Figure 00000041
Figure 00000041
d
Figure 00000042
Figure 00000042
2d
Figure 00000001
Figure 00000001
,
[где
Figure 00000043
Figure 00000043
– область изображения и
Figure 00000044
Figure 00000044
– область пространственного спектра, а
Figure 00000045
Figure 00000045
– оценка пространственного спектра К-той итерации отфильтрованного изображения
Figure 00000046
Figure 00000046
] и максимизируют ее путем изменения, а точнее, уменьшения величины параметра
Figure 00000047
Figure 00000047
в выражении для фильтрующей функции
Figure 00000016
Figure 00000016
K(
Figure 00000001
Figure 00000001
) и последующего повторения итерационных шагов описанной последовательности операций адаптивной фильтрации, завершая процесс адаптивной фильтрации при достижении функцией резкости SK глобального максимума.
Дадим краткое математическое обоснование предлагаемого способа и рассмотрим блок-схему его практической реализации (Фиг.5).
Начнем рассмотрение с выбора фильтрующей функции. При анализе задачи дистанционного зондирования Земли необходимо отметить достаточно яркую подсветку Земли изучением Солнца, обеспечивающую возможность пренебрежения аддитивным шумом
Figure 00000012
Figure 00000012
(
Figure 00000048
Figure 00000048
) в регистрируемом изображении Iи(
Figure 00000048
Figure 00000048
) (4). В связи с этим при фильтрации предлагается использовать инверсный фильтр, аналогичный (5), но для задач ДЗЗ отличающийся тем, что вместо
Figure 00000049
Figure 00000049
(параметра Фрида), используемого для фильтрации астрономических изображений, здесь в соответствии с (1) необходимо использовать в выражении для фильтрующей функции параметр
Figure 00000050
Figure 00000050
определяемый (3). Отсюда выражение для фильтрующей функции инверсного фильтра длинно-экспозиционного изображения ДЗЗ представимо в виде
Figure 00000051
Figure 00000051
(
Figure 00000001
Figure 00000001
) =
Figure 00000052
Figure 00000052
 (9)
Что касается величины
Figure 00000053
Figure 00000053
по формуле (3), то для практических целей наиболее удобно использование эмпирической формулы, полученной в работе (Свиридов К.Н. «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)». Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, т. 1, вып. 1, с. 34-40, 2014) [11].
В связи с тем, что задачи ДЗЗ решаются в ближней зоне (зоне Френеля) (D>
Figure 00000054
Figure 00000054
, от каждой точки земной поверхности распространяется сферическая волна. С увеличением высоты Н над турбулентным слоем L для этой расходящийся сферической волны величина
Figure 00000055
Figure 00000055
увеличивается практически линейно, как
Figure 00000056
Figure 00000056
≈ 
Figure 00000057
Figure 00000057
 (10)
Эта эмпирическая формула позволяет оценить максимальное и первое для итераций значение величины
Figure 00000058
Figure 00000058
в зависимости от высоты H космического аппарата ДЗЗ.
Заметим, что высота H орбиты космического аппарата ДЗЗ является, как правило, известной и определяется траекторией его движения в Космосе.
Для автоматизации процесса адаптивной фильтрации введена функция резкости изображения S.
Здесь в качестве функции резкости была использована функция резкости вида [1]
SК =
Figure 00000040
Figure 00000040
2
Figure 00000041
Figure 00000041
d
Figure 00000059
Figure 00000059
2d
Figure 00000001
Figure 00000001
,		 (11)
где
Figure 00000060
Figure 00000060
– область изображения,
Figure 00000061
Figure 00000061
– область пространственного спектра,
Figure 00000045
Figure 00000045
– оценка пространственного спектра для оценки адаптивно отфильтрованного изображения
Figure 00000046
Figure 00000046
, а К – номер итерации адаптивного поиска глобального максимума функции резкости.
Эта функция определяет качество оцениваемого при фильтрации пространственного спектра
Figure 00000062
Figure 00000062
и является оптимальной (в смысле максимального правдоподобия) функцией качества изображения объекта, причём в области изображения
Figure 00000063
Figure 00000063
называется функцией резкости изображения.
После формирования функции резкости (ФР) максимизируют ее при адаптивной коррекции модуля пространственного спектра длинно-экспозиционного изображения путем последовательного изменения, а точнее, уменьшения величины параметра
Figure 00000064
Figure 00000064
в выражении для фильтрующей функции
Figure 00000065
Figure 00000065
и повторения указаний последовательности операций для К > 1. При этом весь процесс адаптивной фильтрации осуществляется автоматически без вмешательства оператора и оканчивается при достижении функцией резкости
Figure 00000066
Figure 00000066
глобального максимума.
Блок-схема предлагаемого способа адаптивной пространственной фильтрации длинно-экспозиционного изображения зондируемого участка земной поверхности представлена на Фиг. 5, и для его реализации в соответствии с предлагаемым способом по блок-схеме Фиг. 5 осуществляют следующую последовательность операций:
1) регистрируют усредненное по атмосферным искажениям длинно-экспозиционное изображение зондируемого участка земной поверхности
<Iи(
Figure 00000048
Figure 00000048
)> =
Figure 00000067
Figure 00000067
,		 (12)
где
Figure 00000010
Figure 00000010
– координаты в плоскости изображения на борту космического аппарата ДЗЗ,
Figure 00000013
Figure 00000013
– истинное распределение интенсивности изображения зондируемого участка земной поверхности,
Figure 00000068
Figure 00000068
– координаты в картинной плоскости объекта,
Figure 00000069
Figure 00000069
– усредненный по атмосферным искажениям импульсный отклик системы атмосфера-телескоп ДЗЗ.
В силу пространственной инвариантности длинно-экспозиционного изображения
Figure 00000070
Figure 00000070
=
Figure 00000069
Figure 00000069
. В случаях большого отношения сигнал/шум, характерных для задач ДЗЗ, мы пренебрегаем здесь аддитивными шумами в изображении;
2) преобразуют зарегистрированное длинно-экспозиционное изображение ДЗЗ по Фурье в область его пространственного спектра
Figure 00000071
Figure 00000071
d
Figure 00000048
Figure 00000048
= <
Figure 00000072
Figure 00000072
(
Figure 00000001
Figure 00000001
) > =
Figure 00000073
Figure 00000073
(
Figure 00000001
Figure 00000001
)
Figure 00000074
Figure 00000074
 (13)
Здесь
Figure 00000073
Figure 00000073
(
Figure 00000001
Figure 00000001
) – пространственный спектр истинного распределения интенсивности объекта
Figure 00000013
Figure 00000013
, а
Figure 00000075
Figure 00000075
средняя ОПФ длинно-экспозиционного изображения, определяемая (1);
3) формируют фильтрующую функцию инверсного фильтра в виде
Figure 00000016
Figure 00000016
к(
Figure 00000001
Figure 00000001
) =
Figure 00000076
Figure 00000076
 (14)
4) для известной высоты H [км]космического аппарат ДЗЗ определяют максимальное значение параметра
Figure 00000077
Figure 00000077
равное
Figure 00000078
Figure 00000078
=
Figure 00000037
Figure 00000037
 (15)
и используют его в качестве первой итерации параметра
Figure 00000079
Figure 00000079
в фильтрующей функции (14);
5) осуществляют пространственную фильтрацию спектра длинно-экспозиционного изображения (13) первой итерацией фильтрующей функции
Figure 00000080
Figure 00000080
(
Figure 00000001
Figure 00000001
) >·
Figure 00000016
Figure 00000016
1
Figure 00000081
Figure 00000081
,
Figure 00000082
Figure 00000082
 (16)
6) получают первую итерацию отфильтрованного пространственного спектра в виде
Figure 00000083
Figure 00000083
=
Figure 00000084
Figure 00000084
(
Figure 00000001
Figure 00000001
)
Figure 00000085
Figure 00000085
F
Figure 00000086
Figure 00000086
);		 (17)
7) при обратном Фурье преобразовании отфильтрованного пространственного спектра (17) восстанавливают первую итерацию отфильтрованного длинно-экспозиционного изображения ДЗЗ
Figure 00000087
Figure 00000087
d
Figure 00000001
Figure 00000001
=
Figure 00000088
Figure 00000088
;		 (18)
8) далее по восстановленному отфильтрованному изображению (18) формируют функцию резкости изображения для первой итерации процесса адаптивной фильтрации
S1 =
Figure 00000089
Figure 00000089
2
Figure 00000041
Figure 00000041
d
Figure 00000048
Figure 00000048
;		 (19)
9) изменяют, а точнее, уменьшают величину пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций
Figure 00000079
Figure 00000079
Figure 00000090
 (20)
10) формируют вторую итерацию фильтрующей функции
Figure 00000091
Figure 00000091
(
Figure 00000001
Figure 00000001
) =
Figure 00000092
Figure 00000092
;		 (21)
11) повторяют последовательность операций адаптивной фильтрации 5) – 8) до формирования функции резкости отфильтрованного изображения второй итерации
S2 =
Figure 00000093
Figure 00000093
2
Figure 00000094
Figure 00000094
d
Figure 00000048
Figure 00000048
 (22)
12) сравнивают функцию резкости SK+1 c функцией резкости SK (в данном случае S2 и S1) и, если отказывается, что SK+1<SK, то поиск заканчивают, а в противном случае повторяют последовательность операций п.3 – п.8 до достижения функцией резкости SK+1 глобального максимума SK+1 = SK = Sмакс. При этом адаптивно отфильтрованное изображение п.7 обладает максимальной резкостью.
Сегодня отечественные средства ДЗЗ [2,3] обеспечивают пространственное разрешение не обработанного длинно-экспозиционного изображения 1 м. Зарубежные аналоги [4] обеспечивают при тех же условиях пространственное разрешение длинно-экспозиционного изображения 0,4м.
Пространственная фильтрация длинно-экспозиционных изображений астрономических объектов в прототипе [10] позволила улучшить пространственное разрешение в 2раза при отмеченной выше её не точной фильтрации.
Предлагаемый здесь способ адаптивной фильтрации, устраняя недостатки прототипа, позволит улучшить резкость зарегистрированного длинно-экспозиционного изображения зондируемого участка земной поверхности более чем в 2 раза и, тем самым, повысит коммерческую привлекательность и конкурентоспособность отечественных данных ДЗЗ.
Практическая реализация предлагаемого способа для обработки длинно-экспозиционных изображений ДЗЗ будет осуществлена в 2016 году.
Список цитированной литературы.
1. Свиридов К.Н. «Технологии достижения высокого углового разрешения оптических систем атмосферного видения», изд. «Знание»,2005 .
2. Петри Г. Российский спутник «Ресурс-ДК1»: альтернативный источник данных сверхвысокого разрешения. Геоматика, № 4, с. 38-42. 2010.
3. Кирилин А.Н. и др. Космический аппарат «Ресурс-П». Геоматика, № 4, с. 23-26. 2010.
4. Лавров В.В. Космические съёмочные системы сверхвысокого разрешения. Геоинформационный портал ГИС Ассоциации, № 2, 2010.
5. Fried D.L. «Optical Resolution through a Randomly Inhomogeneous Medium for Very Long and Very Short Exposures», JOSA, v.56, № 10, p.1372-1379, 1966.
6. Fried D.L. «Limiting Resolution Looking Down Through the Atmosphere», J. Opt. Soc. Am., v.56, №10, p.1380, 1966) [6]
7. Tsujinchi J. «Correction of optical images by compensation of aberrations and by spatial frequency filtering» in «Progress in Optics». /ed. E. Wolf, North-Holland, Amsterdam, v.2, p.130, 1963.
8. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. «Цифровая обработка сигналов», изд. «Связь», М., 1979.
9. Breedlove J.R., Jr. «Digital Image Processing of Simulated Turbulence and Photon Noise Degraded Images of Extended Objects» in Proc. of the SPIE «Imaging through the Atmosphere», v.75, p.155, 1976.
10. Дудинов В.Н., Цветкова B.C., Кришталь В.А., Хованский Н.А. «Обработка астрономических изображений методами когерентной оптики», Вестник ХГУ, № 117, стр.19, 1974.
11. Свиридов К.Н. «О предельном разрешении аэрокосмических систем дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)». Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы, т. 1, вып. 1, с. 34-40, 2014.

Claims (29)

  1. Способ получения и обработки изображений, искаженных турбулентной атмосферой, основанный на
  2. регистрации усредненного по атмосферным искажениям длинно-экспозиционного изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, преобразовании его по Фурье в область пространственного спектра,
  3. пространственной фильтрации спектра умножением его на фильтрующую функцию и
  4. восстановлении улучшенного фильтрацией резкого изображения объекта при обратном Фурье преобразовании отфильтрованного пространственного спектра, отличающийся тем, что
  5. регистрируют на борту космического аппарата дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) длинно-экспозиционное изображение зондируемого участка земной поверхности и
  6. осуществляют его адаптивную пространственную фильтрацию, для чего формируют фильтрующую функцию инверсного пространственного фильтра в виде
  7. Figure 00000095
    (
    Figure 00000096
    ) =
    Figure 00000097
    ,
  8. где
  9. Figure 00000098
    – средняя длина волны солнечного излучения подсвета [мкм],
  10. F – фокусное расстояние телескопа ДЗЗ, формирующего изображение [м],
  11. Figure 00000096
    =
    Figure 00000099
    1–
    Figure 00000100
    2
    Figure 00000101
    F – пространственно-частотный вектор в плоскости
    Figure 00000100
    апертуры телескопа [цикл/мм] или [пар. лин/мм],
  12. Figure 00000102
    (
    Figure 00000103
    , H) – адаптивно изменяемым в процессе фильтрации пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения на высоте H [км] космического аппарата ДЗЗ [м],
  13. К – номер итерации адаптивного поиска глобального максимума функции резкости
    Figure 00000104
    фильтруемого изображения,
  14. и итерационно изменяют в ней величину пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций светового излучения –
    Figure 00000105
    (
    Figure 00000103
    , H), начиная с его максимального значения, определяемого по эмпирической формуле
  15. Figure 00000106
    ≈
    Figure 00000107
  16. где
  17. L – высота турбулентного слоя атмосферы над земной поверхностью [м],
  18. Figure 00000108
    – величина пространственного радиуса корреляции атмосферных флуктуаций на границе турбулентного слоя [м],
  19. при этом фильтруют пространственный спектр длинно-экспозиционного изображения первой итерацией фильтрующей функции
    Figure 00000109
    1(
    Figure 00000096
    ) и
  20. при обратном Фурье преобразовании восстанавливают первую итерацию адаптивно фильтруемого длинно-экспозиционного изображения, а
  21. для организации последующих шагов итерационного процесса адаптивной фильтрации формируют функцию резкости изображения в виде
  22. SK=
    Figure 00000110
    2
    Figure 00000111
    d
    Figure 00000112
    2d
    Figure 00000096
    ,
  23. где
  24. Figure 00000113
    – область изображения,
  25. Figure 00000114
    – область пространственного спектра,
  26. Figure 00000115
    – оценка пространственного спектра для оценки адаптивно отфильтрованного изображения
    Figure 00000116
    ,
  27. и максимизируют её путём уменьшения величины параметра
    Figure 00000117
    в выражении для фильтрующей функции
    Figure 00000109
    K(
    Figure 00000096
    ) и
  28. последующего повторения итерационных шагов описанной последовательности операций адаптивной фильтрации,
  29. завершая процесс адаптивной фильтрации при достижении функцией резкости SK глобального максимума.
RU2016100934A 2016-01-14 2016-01-14 Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой RU2686445C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100934A RU2686445C1 (ru) 2016-01-14 2016-01-14 Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016100934A RU2686445C1 (ru) 2016-01-14 2016-01-14 Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2686445C1 true RU2686445C1 (ru) 2019-04-25

Family

ID=66314617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016100934A RU2686445C1 (ru) 2016-01-14 2016-01-14 Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2686445C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2730886C1 (ru) * 2019-10-04 2020-08-26 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов
CN113284068A (zh) * 2021-06-04 2021-08-20 中国科学院光电技术研究所 一种基于通道共享时空网络的自适应光学图像盲复原方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2311684C1 (ru) * 2006-03-15 2007-11-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" Способ обработки сигналов для выделения движущихся объектов в последовательности телевизионных изображений
EP1358508B1 (en) * 2001-02-09 2010-02-24 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Lidar system and method
RU2531024C1 (ru) * 2013-06-03 2014-10-20 Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") Способ дистанционного зондирования земли (дзз)
US8866322B2 (en) * 2009-07-29 2014-10-21 Michigan Aerospace Corporation Atmospheric measurement system
RU2559764C2 (ru) * 2011-01-28 2015-08-10 Электрисите Де Франс Обработка данных изображения, содержащих эффект турбулентности в жидкой среде

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1358508B1 (en) * 2001-02-09 2010-02-24 Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation Lidar system and method
RU2311684C1 (ru) * 2006-03-15 2007-11-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод" Способ обработки сигналов для выделения движущихся объектов в последовательности телевизионных изображений
US8866322B2 (en) * 2009-07-29 2014-10-21 Michigan Aerospace Corporation Atmospheric measurement system
RU2559764C2 (ru) * 2011-01-28 2015-08-10 Электрисите Де Франс Обработка данных изображения, содержащих эффект турбулентности в жидкой среде
RU2531024C1 (ru) * 2013-06-03 2014-10-20 Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") Способ дистанционного зондирования земли (дзз)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2730886C1 (ru) * 2019-10-04 2020-08-26 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов
CN113284068A (zh) * 2021-06-04 2021-08-20 中国科学院光电技术研究所 一种基于通道共享时空网络的自适应光学图像盲复原方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Orieux et al. Bayesian estimation for optimized structured illumination microscopy
Von der Lühe Speckle imaging of solar small scale structure. I-Methods
JP2016118547A (ja) 大口径望遠鏡における、非同一平面上の（ａｎｉｓｏｐｌａｎａｔｉｃ）画像形成のためのレンズレット、ビームウォーク（ｂｅａｍｗａｌｋ）、及びチルトの多様化
Toth et al. Image recovery with the solar gravitational lens
RU2686445C1 (ru) Способ получения и обработки изображений, искажённых турбулентной атмосферой
Bai et al. Compressed blind deconvolution and denoising for complementary beam subtraction light-sheet fluorescence microscopy
CN108537862A (zh) 一种自适应降噪的傅里叶衍射扫描显微镜成像方法
Li et al. PURE-LET deconvolution of 3D fluorescence microscopy images
RU2531024C1 (ru) Способ дистанционного зондирования земли (дзз)
FR3055727B1 (fr) Procede et dispositif de caracterisation des aberrations d&#39;un systeme optique
Molina et al. Bayesian deconvolution with prior knowledge of object location-Applications to ground-based planetary images
King et al. The current ability of HST to reveal morphological structure in medium-redshift galaxies
Karkoschka et al. The DISR imaging mosaic of Titan’s surface and its dependence on emission angle
RU2653100C1 (ru) Способ получения и обработки изображений дистанционного зондирования Земли, искажённых турбулентной атмосферой
Marchis et al. Adaptive optics observations of the innermost coma of C/1995 O1. Are there a``Hale''and a``Bopp''in comet Hale-Bopp?
CN108398805B (zh) 超分辨率望远镜成像方法及其系统
RU2730886C1 (ru) Способ достижения дифракционного предела разрешения изображений дистанционного зондирования Земли для малых космических аппаратов
White Restoration of images and spectra from the Hubble Space Telescope
Mugnier et al. Inversion in optical imaging through atmospheric turbulence
Hege et al. R Aquarii-H-alpha map of subarcsecond inner structure
Řeřábek et al. Processing of the astronomical image data obtained from UWFC optical systems
Altwaijry et al. Detection and characterization of near Earth asteroids using stellar occultation
Nikolov Mimicking multiple stellar populations
Sun et al. Improvement of imaging quality of Fourier ptychographic microscopy
Demianenko et al. PSF quality metrics in the problem of revealing Intermediate-Mass Black Holes using MICADO@ ELT

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200115

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20210119