CN107093196B - 视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法 - Google Patents

视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及视频卫星在轨相对辐射定标方法，特别是关于采用Bayer模板成像模式的视频卫星面阵传感器相机的在轨相对辐射定标方法。首先采用卫星传感器对深空成像或夜间海洋成像模式标定传感器暗电流误差，然后采用卫星传感器多帧序列对特殊地物成像，实现Bayer面阵传感器的高精度增益定标，最后基于增益标定系数利用Bayer面阵传感器对异常探元进行定位及补偿，实现异常探元的位置探测和补偿处理。本发明解决了视频卫星面阵传感器探元响应不一致性问题以及传感器在轨响应时变问题，提升了卫星图像辐射质量，实现了视频卫星面阵传感器在轨相对辐射定标。

Description

视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法
技术领域
本发明涉及视频卫星在轨相对辐射定标方法，特别是关于采用Bayer模板成像模式的视频卫星面阵传感器相机的在轨相对辐射定标方法。
背景技术
经过30多年的发展，我国航天技术取得了巨大进步，已形成资源、气象、海洋、环境、国防系列等构成的对地观测遥感卫星体系。特别是在“高分辨率对地观测***”国家科技重大专项建设的推动下，通过在平台传感器研制、多星组网、地面数据处理等方面的创新，我国遥感卫星的空间分辨率、时间分辨率、数据质量大幅提升，为我国现代农业、防灾减灾、资源环境、公共安全等重要领域提供了信息服务和决策支持。随着遥感应用的深入，应用需求已从定期的静态普查向实时动态监测方向发展，利用卫星对全球热点区域和目标进行持续监测，获取动态信息已经成为迫切需求。由于视频卫星可获得一定时间范围内目标的时序影像，具备了对运动目标的持续监视能力，视频卫星成像技术已成为遥感卫星发展的一大热点。
卫星在发射过程受到应力释放的影响，在轨运行后温热等物理环境变化剧烈，这些因素都会使卫星传感器成像响应状态发生变化，直接降低成像图像质量。高精度在轨相对辐射定标是保障卫星辐射图像质量的关键技术。视频卫星一般采用面阵传感器成像，相对传统线阵推扫式卫星，同样算法很难达到线阵推扫式卫星传感器辐射定标精度；另外，视频卫星的动态目标跟踪与轨迹确定等应用对辐射定标精度具有很高的要求。因此，研究视频卫星面阵相机的辐射定标技术，解决视频卫星面阵传感器探元响应不一致性问题以及传感器在轨响应时变问题，提升卫星图像辐射质量，实现视频卫星面阵传感器在轨相对辐射定标，对保障视频卫星在动态观测领域的应用效果具有十分重要的意义。
发明内容
本发明针对视频成像这一新型成像卫星，提出基于多帧序列的在轨相对辐射定标方法及异常探元定位和补偿方法，采用卫星传感器对深空成像或夜间海洋成像模式标定传感器暗电流误差，采用卫星传感器多帧序列对特殊地物成像，实现Bayer面阵传感器的高精度增益定标，同时基于增益标定系数提出Bayer面阵传感器异常探元定位及补偿方法，实现视频面阵传感器异常探元的位置探测和补偿处理。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用卫星发射前实验室定标数据、卫星在轨后对深空成像数据或夜间海洋成像多帧序列图像数据，获取暗电流定标数据，通过对暗电流数据各个探元进行灰度平均获取传感器各个探元暗电流定标结果，
Figure GDA0002212674150000021
其中，Biasj为传感器第j个探元暗电流定标系数，biasi,j为第i帧暗电流数据第j个探元灰度值，N为暗电流成像帧序列个数，Threshold为暗电流剔除阈值；
步骤2，通过卫星对特殊均匀场景区域成像获取视频多帧序列图像数据，对视频多帧序列图像数据进行暗电流校正后，以传感器单波段有效探元均值为相对辐射定标基准，实现传感器各波段探元间响应不一致性标定，具体实现过程如下，
步骤2.1，对多帧序列视频图像进行暗电流校正处理，对传感器单一探元多帧图像数据进行平均，
Figure GDA0002212674150000022
步骤2.2，获取面阵探元相对辐射定标基准，
Figure GDA0002212674150000023
步骤2.3，获取面阵传感器各个探元增益系数，
Figure GDA0002212674150000024
步骤2.4，利用相对辐射定标后增益系数和暗电流定标系数，对视频卫星单帧图像数据进行校正处理，
Figure GDA0002212674150000025
其中，n为单次相对辐射定标所用帧数，i为视频帧序列图像第i帧，j为视频传感器探元序号，DetNums为视频传感器所有探元个数，DNi,j为第i帧第j个探元的数字量化值，即传感器第j个探元成像在图像上体现的灰度值；Biasj为传感器第j个探元暗电流定标系数，
Figure GDA0002212674150000026
为第j个探元暗电流校正后数字量化均值，
Figure GDA0002212674150000027
为单次相对辐射定标基准，gainj为视频传感器第j个探元的增益系数，也是传感器探元相对辐射定标系数，
Figure GDA0002212674150000031
为视频图像第i帧第j个探元校正后数字量化值。
而且，还包括步骤3，通过对增益定标后的增益系数进行阈值分析，实现传感器异常探元的定位，根据异常探元索引位置建立视频卫星面阵传感器异常探元位置文件，在对视频卫星单帧图像进行相对辐射校正处理时采用加权插值的方法实现异常探元补偿处理。
而且，步骤3所述的异常探元补偿处理，实现方式如下，
对Bayer模板成像传感器红色波段和蓝色波段处理方式如下，
当异常探元位于第一列时，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000032
式中红色波段m＝0，蓝色波段m＝1；
当异常探元位于第一行时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000033
式中红色波段n＝0，蓝色波段n＝1；
当异常探元位于最后一列时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000034
式中红色波段m＝M-2，蓝色波段m＝M-1；
当异常探元位于最后一行时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000035
式中红色波段n＝N-2，蓝色波段n＝N-1；
当异常探元位不在图像边缘时，按下式插值处理，
Figure GDA0002212674150000036
对Bayer模板成像传感器绿色波段按以下插值方式处理：
当异常探元位于第一列时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000037
当异常探元位于第一行时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000041
当异常探元位于最后一列时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000042
当异常探元位于最后一行时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000043
当异常探元位不在图像边缘时，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000044
上述式中，N为影像行数，M为影像列数，(n,m)为视频单帧图像数字量化值索引下标，DNn,m为视频单帧序列图像第n行第m列图像数字量化值。
当异常探元位于视频传感器四个角点时，采用临近的两个或三个像素按距离加权插值；
当存在两个异常探元相邻时，将上述插值公式根据距离进行加权处理；
当存在三个以上异常探元相邻，则不做处理。
而且，所述的有效探元是指除坏探元、高亮探元、死探元之外的探元。
与现有技术相比，本发明是的优点：
1、直接对Bayer模板定标，消除了不同Bayer插值算法对相对辐射定标精度的随机性影响，提高了相对辐射定标精度。
2、采用对深空成像或夜间海洋成像的方式标定传感器暗电流，解决了卫星无星上定标设备时无法在轨对暗电流定标的问题。
3、利用视频卫星传感器多帧序列对特殊地物成像，可实现高频次的在轨相对辐射定标。
4、本发明针对视频卫星传感器Bayer模板成像模式，采用异常探元定位及补偿方法，克服传感器探元在轨多变无法实时补偿异常探元的问题。
基于以上优点，本发明可以广泛应用于视频卫星面阵相机的在轨相对辐射定标。
附图说明
图1是本发明实施例的流程图。
图2是本发明实施例中卫星Bayer模板示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
图1为本发明实施例的流程图，首先采用卫星传感器对深空成像或夜间海洋成像模式标定传感器暗电流误差，然后采用卫星传感器多帧序列对特殊地物成像，实现Bayer面阵传感器的高精度增益定标，最后基于增益标定系数利用Bayer面阵传感器对异常探元进行定位及补偿，实现异常探元的位置探测和补偿处理。
步骤1，暗电流定标：视频卫星发射后由于其所处空间环境的变化如温度、物理震动等，以及传感器探元本身响应状态衰减，导致卫星传感器探元响应发生变化，造成卫星发射前实验室定标系数无法使用，必须进行在轨相对辐射定标。本发明实施例中视频卫星暗电流标定采用卫星对深空多帧成像或夜间海洋多帧成像的方式获取暗电流定标数据(这里的多帧一般指几十帧到几百帧视频单帧图像)，通过对暗电流数据各个探元进行灰度平均获取传感器各个探元暗电流定标结果。实现方式如下：
利用卫星发射前实验室定标数据、卫星在轨后对深空成像数据或夜间海洋成像多帧序列图像数据，按下式标定传感器各个探元暗电流：
Figure GDA0002212674150000051
其中，Biasj为传感器第j个探元暗电流定标系数；biasi,j为第i帧暗电流数据第j个探元灰度值；N为暗电流成像帧序列个数；Threshold为暗电流剔除阈值，剔除阈值一般取5左右，具体实施时，本领域技术人员可根据实际需要选取剔除阈值，以实现剔除粗差点的目的。根据式(1)，剔除粗差点可获得各探元暗电流定标系数。
步骤2，增益标定：本发明通过卫星对特殊均匀场景区域(如南北极深对流云，均匀海洋，雪，沙漠等特殊均匀地物场景)成像获取视频多帧序列图像数据，对视频多帧序列图像数据进行暗电流校正后，以传感器单波段有效探元(除异常探元外)均值为相对辐射定标基准，实现传感器各波段探元间响应不一致性标定。具体包括如下步骤：
步骤2.1，对多帧序列视频图像进行暗电流校正处理，对传感器单一探元多帧图像数据进行平均，如下式；
Figure GDA0002212674150000052
步骤2.2，基于下式获取面阵探元相对辐射定标基准；
Figure GDA0002212674150000053
步骤2.3，根据下式获取面阵传感器各个探元增益系数；
Figure GDA0002212674150000061
其中，n为单次相对辐射定标所用帧数，i为视频帧序列图像第i帧，j为视频传感器探元序号，DetNums为视频传感器所有探元个数，DNi,j为第i帧第j个探元的数字量化值，即传感器第j个探元成像在图像上体现的灰度值；Biasj为传感器第j个探元暗电流定标系数，
Figure GDA0002212674150000062
为第j个探元暗电流校正后数字量化均值，
Figure GDA0002212674150000063
为单次相对辐射定标基准，gainj为视频传感器第j个探元的增益系数，亦即传感器探元相对辐射定标系数。
需要注意的是，视频卫星采用Bayer模板方式成像，即通过单一波段成像插值获取其他两个波段成像信息；由于不同的Bayer插值算法获得的图像质量不尽相同，因此，视频卫星相对辐射定标不能采用Bayer插值之后的图像进行定标，必须采用Bayer模板对原始图像进行定标。
步骤2.4，利用相对辐射定标后增益系数和暗电流定标系数，以下式对视频卫星单帧图像数据进行校正处理；
Figure GDA0002212674150000064
式中，
Figure GDA0002212674150000065
为视频图像第i帧第j个探元校正后数字量化值。
步骤3，传感器异常探元定位及补偿：通过对增益定标后的增益系数进行阈值分析，实现传感器异常探元的定位，根据异常探元索引位置建立视频卫星面阵传感器异常探元位置文件，在对视频卫星单帧图像进行相对辐射校正处理时采用加权插值的方法实现异常探元补偿处理，具体包括如下步骤：
步骤3.1，视频卫星传感器由于在轨后空间环境的变化以及本身探元响应衰减，引起视频传感器某些探元响应异常，这些异常探元通常可分为三类：坏探元、高亮探元、死探元。坏探元的灰度响应一般不为0，其灰度值相比其他探元正常响应较低；高亮探元响应度过高，无论入瞳辐亮度多大，其响应总是过高或饱和，在图像中体现为高亮；死探元无论入瞳辐亮度多大，该探元总是没有响应，其灰度值极低。
步骤3.2，通过视频卫星在轨相对辐射定标后的增益校正系数分析发现，视频面阵传感器各探元的增益系数分布于1.0左右，但存在极少数探元增益系数过大或过小的情况，因此，本发明采用增益系数阈值分析的方法定位视频传感器异常探元及探元区块。在增益系数阈值分析时，如果某个探元的增益系数大于阈值a，则判断探元为死探元或坏探元；如果某个探元增益系数小于阈值b，则判断探元为高亮探元，其中a>b，通常阈值a取1.5左右，b取0.5左右。如果探元的增益系数大于阈值a或小于阈值b，则该探元属于异常探元，对该异常探元进行步骤3.3的定位处理和步骤3.4的补偿处理。
步骤3.3，异常探元位置探测后建立传感器异常探元位置索引文件，如下格式：
AbnormalDetectorsNumbers
X Y
X Y
X Y
…
文件中，AbnormalDetectorsNumbers为传感器异常探元个数；(X，Y)为异常探元在传感器中的索引位置(下标从0开始)。
步骤3.4，异常探元补偿处理，具体实现方式如下：
如图2所示，对Bayer模板成像传感器红色波段和蓝色波段按以下方式处理：
当异常探元位于第一列时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000071
式中红色波段m＝0，蓝色波段m＝1；
当异常探元位于第一行时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000072
式中红色波段n＝0，蓝色波段n＝1；
当异常探元位于最后一列时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000073
式中红色波段m＝M-2，蓝色波段m＝M-1；
当异常探元位于最后一行时(单独针对红色波段或蓝色波段而言，角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000074
式中红色波段n＝N-2，蓝色波段n＝N-1；
当异常探元位不在图像边缘时，按下式插值处理，
Figure GDA0002212674150000081
对Bayer模板成像传感器绿色波段按以下插值方式处理：
当异常探元位于第一列时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000082
当异常探元位于第一行时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000083
当异常探元位于最后一列时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000084
当异常探元位于最后一行时(角点除外)，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000085
当异常探元位不在图像边缘时，采用插值公式，
Figure GDA0002212674150000086
上述式中，N为影像行数，M为影像列数，(n,m)为视频单帧图像数字量化值索引下标(从0开始)，DNn,m为视频单帧序列图像第n行第m列图像数字量化值。
当异常探元位于视频传感器四个角点时，采用其临近两个或三个像素按距离加权插值。如图2，左上角点为异常探元时，采用以下式插值处理，
Figure GDA0002212674150000087
如果存在两个异常探元相邻时(单独针对每个波段而言)，将上述插值公式根据距离进行加权处理即可。如图2中探元(1，2)和(2，3)均为异常探元时，则探元(1，2)(2，3)处插值算法如下式，
Figure GDA0002212674150000088
Figure GDA0002212674150000089
如果存在三个以上异常探元相邻，则不做处理。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用卫星发射前实验室定标数据、卫星在轨后对深空成像数据或夜间海洋成像多帧序列图像数据，获取暗电流定标数据，通过对暗电流数据各个探元进行灰度平均获取传感器各个探元暗电流定标结果，
Figure FDA0002359036170000011
其中，Biasj为传感器第j个探元暗电流定标系数，biasi,j为第i帧暗电流数据第j个探元灰度值，N为暗电流成像帧序列个数，Threshold为暗电流剔除阈值；
步骤2，通过卫星对特殊均匀场景区域成像获取视频多帧序列图像数据，对视频多帧序列图像数据进行暗电流定标后，以传感器单波段有效探元均值为相对辐射定标基准，实现传感器各波段探元间响应不一致性标定，其中特殊均匀场景区域包括南北极深对流云，均匀海洋，雪，沙漠，具体实现过程如下，
步骤2.1，对多帧序列视频图像进行暗电流定标处理，对传感器单一探元多帧图像数据进行平均，
Figure FDA0002359036170000012
步骤2.2，获取面阵探元相对辐射定标基准，
Figure FDA0002359036170000013
步骤2.3，获取面阵传感器各个探元增益系数，
Figure FDA0002359036170000014
步骤2.4，利用相对辐射定标后增益系数和暗电流定标系数，对视频卫星单帧图像数据进行校正处理，
Figure FDA0002359036170000015
其中，n为单次相对辐射定标所用帧数，i为视频帧序列图像第i帧，j为视频传感器探元序号，DetNums为视频传感器所有探元个数，DN′i,j为第i帧第j个探元的数字量化值，即传感器第j个探元成像在图像上体现的灰度值；Biasj为传感器第j个探元暗电流定标系数，
Figure FDA0002359036170000021
为第j个探元暗电流定标后数字量化均值，
Figure FDA0002359036170000022
为单次相对辐射定标基准，gainj为视频传感器第j个探元的增益系数，也是传感器探元相对辐射定标系数，
Figure FDA0002359036170000023
为视频图像第i帧第j个探元校正后数字量化值。
2.如权利要求1所述的视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：还包括步骤3，通过对增益定标后的增益系数进行阈值分析，实现传感器异常探元的定位，根据异常探元索引位置建立视频卫星面阵传感器异常探元位置文件，在对视频卫星单帧图像进行相对辐射校正处理时采用加权插值的方法实现异常探元补偿处理。
3.如权利要求2所述的视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：步骤3所述的异常探元补偿处理，实现方式如下，
对Bayer模板成像传感器红色波段和蓝色波段处理方式如下，
当异常探元位于第一列时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000024
式中红色波段m＝0，蓝色波段m＝1；
当异常探元位于第一行时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000025
式中红色波段n＝0，蓝色波段n＝1；
当异常探元位于最后一列时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000026
式中红色波段m＝M-2，蓝色波段m＝M-1；
当异常探元位于最后一行时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000027
式中红色波段n＝N-2，蓝色波段n＝N-1；
当异常探元位不在图像边缘时，按下式插值处理，
Figure FDA0002359036170000028
对Bayer模板成像传感器绿色波段按以下插值方式处理：
当异常探元位于第一列时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000035
当异常探元位于第一行时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000031
当异常探元位于最后一列时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000032
当异常探元位于最后一行时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000033
当异常探元位不在图像边缘时，采用插值公式，
Figure FDA0002359036170000034
上述式中，N为影像行数，M为影像列数，(n,m)为视频单帧图像数字量化值索引下标，DNn,m为视频单帧序列图像第n行第m列图像数字量化值；
当异常探元位于视频传感器四个角点时，采用临近的两个或三个像素按距离加权插值；
当存在两个异常探元相邻时，将上述插值公式根据距离进行加权处理；
当存在三个以上异常探元相邻，则不做处理。
4.如权利要求1所述的视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：所述的有效探元是指除坏探元、高亮探元、死探元之外的探元。
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