基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法
2023-12-01 17:09:32 2
1.本發明涉及航天光學遙感成像技術領域，具體涉及一種基於圖像的線陣航天遙感載荷相對輻射定標方法。
背景技術：
2.航天遙感載荷成像系統響應函數通常通過輻射定標實驗來確定，響應函數能夠定量描述入瞳輻射照度與輸出信號的數值關係，快速、精確地確定響應函數模型對相機成像參數選取、工作狀態調整具有重要意義。目前國內科研院所廣泛採用的是絕對輻射定標的方式，即採用積分球作為均勻光源，在同一已知輻射照度下調整成像參數拍攝多組圖像數據，通過曲線擬合的方式得到輸出信號強度與入瞳輻射照度的對應關係，然後在探測器動態範圍內調整積分球亮度進行多組實驗。絕對輻射定標通常工作量較大，同時由於成像系統電子學器件的非線性，擬合的曲線兩端存在較大誤差。
3.因此，為解決上述問題，亟需研發一種針對線陣航天遙感載荷的輻射定標方法。
技術實現要素：
4.本發明為解決現有技術採用絕對輻射定標的方法確定相機響應函數工作量較大、精確度較差的問題，提供一種基於圖像的線陣航天遙感載荷相對輻射定標方法。
5.基於圖像的線陣航天遙感載荷相對輻射定標方法，其步驟如下：
6.步驟一、獲取圖像；
7.對同一真實場景進行拍攝，獲取多幀不同積分級數下的圖像；基於線陣相機線性響應函數先驗計算逆響應函數方程；
8.步驟二、將步驟一獲得的所述逆響應函數方程進行對數變換；
9.步驟三、定義平滑項和約束項，建立超定方程組；
10.步驟四、利用svd進行求解優化問題，獲得最優的相機線性響應函數，實現輻射定標。
11.本發明的有益效果：
12.本發明提出了一種基於圖像的線陣航天遙感載荷相對輻射定標方法，以快速、精確地確定相機的響應函數。該方法充分考慮線陣航天遙感載荷成像系統在動態範圍極值處的非線性問題，通過建立超定方程組、定義平滑項與約束項、引入奇異值分解(svd)來實現響應函數曲線的最優擬合。相較於傳統的輻射定標方法，本發明基於獲取的真實場景圖像，不需要利用積分球，能夠有效降低成本、提高效率、提升精度。
13.本發明所述的輻射定標方法適用於線陣航天遙感載荷，也可以推廣到面陣航天遙感載荷或其他類型的相機。
附圖說明
14.圖1為本發明所述的一種基於圖像的線陣航天遙感載荷相對輻射定標方法的原理
框圖。
具體實施方式
15.結合圖1說明本實施方式，基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，該方法中包括圖像獲取1、逆響應函數求取2、對數變換3、定義平滑項與約束項4、超定方程組建立5以及svd求取最優解6等步驟；本實施方式的具體過程如下：
16.s1、首先對同一真實場景進行拍攝，獲取多幀不同積分級數下的圖像，形成所需的數據集。
17.s2、對於線陣航天遙感載荷，其響應函數先驗定義為：
18.intensity＝g(i+δ)＝g[f(emδt)+δ]
ꢀꢀ
(1)
[0019]
式中，intensity表示系統輸出的像素灰度，i表示未經增益放大的像素灰度，g表示增益，e為入瞳輻射照度，m為積分級數，δt為積分時間，δ為探測器噪聲造成的偏置項，f為響應函數。由於線陣載荷積分時間由像移速度決定，通常為常量，(1)化簡為：
[0020]
i＝f(em)
ꢀꢀ
(2)
[0021]
由f單調遞增性質，有：
[0022]
f-1
(i)＝em
ꢀꢀ
(3)
[0023]
對(2)進行對數變換：
[0024]
lnf-1
(i)＝lne+lnm
ꢀꢀ
(4)
[0025]
令g＝lnf-1
，公式(4)的響應函數表示為：
[0026]
g(i)＝lne+lnm
ꢀꢀ
(5)
[0027]
將獲取的第j幅圖像中的第i個像素點代入(5)，得到：
[0028]
g(i
i，j
)＝lnei+lnmjꢀꢀ
(6)
[0029]
s2、將響應函數求解問題轉化為最小二乘問題，同時為保證曲線光滑引入一個平滑項：
[0030][0031]
式中，m表示單幀圖像中選取的像素個數，n表示圖像的幀數，i
max
、i
min
分別表示像素灰度最大值與最小值，λ表示平滑項權重，其與圖像的噪聲強度成正比。由於g(i)為離散函數，定義二階導數g
″
(i)＝g(i+1)+g(i-1)-2g(i)。所求解為：
[0032][0033]
由於在實際成像過程中，g(i)在端點處導數較大，為了保證曲線在端點處的平滑性，避免過擬合與欠擬合，定義一個分段二次權重函數：
[0034][0035]
此時(8)轉化為：
[0036][0037]
為了保證o的超定性，此處添加約束條件：
[0038]m×
(n-1)≥i
max-i
min
ꢀꢀ
(11)
[0039][0040]
令g(i
i，j
)-lnei＝a，lnmj＝b將(10)右端轉化為矩陣形式：
[0041][0042][0043]
則(10)等價為：
[0044][0045]
式中，a、b、c均為中間矩陣。
[0046]
s4、最後利用svd求取超定方程(15)的最優解：
[0047]
s＝c-1bꢀꢀ
(16)
[0048]
此時獲取精確度最優的相機響應函數：
[0049][0050]
其中，取排序0到i
max
對應的矩陣元素，以0-i
max
為橫坐標，對應矩陣元素值為縱坐標，在坐標系上畫成曲線，就是g(i)。
[0051]
本實施方式相對於當前存在的輻射定標方法，基於真實拍攝場景圖像，更切合實際應用情況。同時無需利用積分球，能夠有效降低成本、減小複雜度、減少工作量；通過添加平滑項、約束項解決超定方程組的最優化問題，提升輻射定標精度，能夠建立更為精確的線陣航天遙感載荷響應模型。
[0052]
以上所述僅為本發明創造的較佳實施例，並不用以限制本發明創造，凡在本發明創造的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明創造的保護範圍之內。
技術特徵：
1.基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，其特徵是：該定標方法由以下步驟實現：步驟一、獲取圖像；對同一真實場景進行拍攝，獲取多幀不同積分級數下的圖像；基於線陣相機線性響應函數先驗計算逆響應函數方程；步驟二、將步驟一獲得的所述逆響應函數方程進行對數變換；步驟三、定義平滑項和約束項，建立超定方程組；步驟四、利用svd進行求解優化問題，獲得最優的相機線性響應函數，實現輻射定標。2.根據權利要求1所述的基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，其特徵在於：步驟一中，線陣相機線性響應函數先驗定義為:intensity＝g(i+δ)＝g[f(emδt)+δ] (1)式中，intensity為系統輸出的像素灰度，i為未經增益放大的像素灰度，g為增益，e為入瞳輻射照度，m為積分級數，δt為積分時間，δ為探測器噪聲造成的偏置項，f為響應函數。3.根據權利要求2所述的基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，其特徵在於：步驟二的具體過程為：由線陣載荷積分時間由像移速度決定，通常為常量，則將公式(1)化簡為：i＝f(em)(2)由f單調遞增性質，有：f-1
(i)＝em(3)對上述公式(2)進行對數變換：lnf-1
(i)＝lne+lnm(4)令g＝lnf-1
，公式(4)表示為：g(i)＝lne+lnm
ꢀꢀꢀꢀ
(5)將獲取的第j幅圖像中的第i個像素點代入公式(5)，得到：g(i
i，j
)＝lne
i
+lnm
j
ꢀꢀꢀꢀ
(6)。4.根據權利要求3所述的基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，其特徵在於：步驟三的具體過程為：將響應函數求解問題轉化為最小二乘問題，同時為保證曲線光滑引入一個平滑項，用公式(7)表示為：式中，m為單幀圖像中選取的像素個數，n表為圖像的幀數，i
max
、i
min
分別為像素灰度最大值與最小值，λ為平滑項權重，其與圖像的噪聲強度成正比；由g(i)為離散函數，定義g
″
(i)＝g(i+1)+g(i-1)-2g(i)；所求解為：為保證曲線在端點處的平滑性，設定一個分段二次權重函數：
將公式(8)轉化為：添加約束項，採用公式(11)和公式(12)表示為：m
×
(n-1)≥i
max-i
min
ꢀꢀꢀꢀ
(11)令g(i
i，j
)-lne
i
＝a，lnm
j
＝b，將公式(10)右端轉化為矩陣形式，用公式(13)表示為：＝b，將公式(10)右端轉化為矩陣形式，用公式(13)表示為：則公式(10)等價為：5.根據權利要求4所述的基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，其特徵在於：步驟四中，利用svd求取公式(15)的最優解:s＝c-1
b
ꢀꢀ
(16)獲取精確度最優的相機響應函數：式中，為取排序0到i
max
對應的矩陣元素。
技術總結
基於圖像的線陣航天遙感載荷輻射定標方法，涉及航天光學遙感成像技術領域，解決現有技術採用絕對輻射定標的方法確定相機響應函數工作量較大、精確度較差的問題。本發明基於線陣相機線性響應函數模型先驗，求取相機的逆響應函數，利用對數變換將響應函數求解問題轉化為超定方程優化問題，通過添加約束項，引入奇異值分解(SVD)的方法對優化問題數進行求解，獲取精確的相機響應函數。本發明對提高航天遙感載荷的定標精度，提升載荷在軌光學信息獲取效能具有一定工程實踐意義。獲取效能具有一定工程實踐意義。獲取效能具有一定工程實踐意義。
技術研發人員：徐偉 高倓 鄭亮亮 樸永傑
受保護的技術使用者：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
技術研發日：2022.11.29
技術公布日：2023/3/28