CN110120077B - 一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法 - Google Patents

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CN110120077B CN201910372585.2A CN201910372585A CN110120077B CN 110120077 B CN110120077 B CN 110120077B CN 201910372585 A CN201910372585 A CN 201910372585A CN 110120077 B CN110120077 B CN 110120077B
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Abstract

一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，卫星进行姿态调整对地成像前，需要对卫星的焦平面的CCD成像参数设置一致；选取地面均匀暗目标，该均匀按目标能够被卫星成像多行覆盖；满足均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖的条件下，调整卫星到正常姿态，得到均匀暗目标的图像，统计该图像DN值，取平均DN值作为***暗信号；卫星进行姿态调整，使得卫星CCD面阵长边方向与卫星飞行方向一致后对地成像，得到地面图像，卫星回到卫星正常姿态；对地面图像进行图像处理，对处理后的图像进行在轨相对定标，根据卫星运行和面阵光学相机的响应一致性，动态获取相对辐射定标系数，保证在轨相对定标精度。

Description

一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法
技术领域
本发明涉及一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，属于辐射定标技术领域。
背景技术
成像型光学相机在卫星发射前会在地面进行定标，但它们入轨后必须进行重定标，以消除定标系数的漂移、粒子污染等造成的成像性能下降。由于这些定标变化或多或少独立于探测元之间，因此在轨相对定标是必要的。相对定标顾名思义就是不需要绝对辐射量值的传递或校准，而只是关注光电成像/探测***各通道的探测器之间以及阵列探测器像元之间的辐射响应性能差异以及如何消除这类差异。成像型光学相机的焦面组件一般需要拼接，这就造成成像探测器片与片之间响应存在差异，加之成像探测器本身的像元差异以及拼接的狭缝，都会对最终成像产生影响，具体表现为面阵光学相机对大面积均匀目标成像时图像输出并不均匀而是存在明显偏亮或偏暗的条纹。
面阵相机进行相对定标可以确定面阵相机输出特性之间的关系，如像元间均匀性，响应非线性等，再通过图像反演进而消除图像噪声，改善成像效果。
在实验室里，产生一个均匀面光场比较简单(积分球光源或大的漫反射板)，但对在轨面阵光学相机拍摄一个均匀地物十分困难，这是因为地面上一个典型的成像区域(数十到上百公里)很难有众多辐射特性一致的均匀目标。深空是一个好的均匀场，但仅仅适合于测量偏置水平，计算相对增益需要有一定的辐亮度。在太阳光照区，海洋是较理想的均匀场但亮度不足，不能很好地对设备的整个动态范围进行定标。在北非有许多相对均匀的沙漠目标，但对大多数光学相机在轨相对定标来说面积又不足够大。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，该方法结合卫星姿态调整、对地面均匀场景成像和优化的相对定标算法的优势，根据卫星运行和面阵成像面阵光学相机的响应一致性，动态获取相对辐射定标系数，保证在轨相对定标精度；
本发明解决的技术方案为：一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，步骤如下：
1)卫星进行姿态调整对地成像前，需要对卫星的面阵探测器成像参数设置一致；
2)选取地面均匀暗目标，该均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖，具体优选方案为：卫星面阵相机单次对地面成像时，一次成像的区域大小相当于卫星面阵相机探测器有效尺寸在地面投影面积的大小，选取地面均匀的暗目标区域，对该区域成像，一般选取平静的湖水或海面，选取拍摄的区域能够覆盖卫星单次对地面成像时的区域大小。
3)满足均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖的条件下，卫星进行姿态调整，通过姿态控制使卫星偏航角从0°转到90°，使得卫星面阵探测器长边方向与卫星飞行方向一致，，对地成像，得到均匀暗目标的图像，统计该图像DN值(灰度值)，取平均DN值作为***暗信号(DN)-_Sdark；
4)卫星保持偏航角90°的姿态，卫星面阵探测器长边方向与卫星飞行方向一致，在该条件下，对地成像，得到地面图像；通过姿态控制使卫星偏航角从90°回到0°，即回到卫星正常姿态；
5)对步骤4)得到的地面图像进行图像处理，使得同一地物近似在同一水平线上；
6)对步骤5)处理后的图像进行在轨相对定标，得到面阵探测器每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数；根据面阵探测器每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数，得到定标后的图像；
7)判断步骤6)得到的定标后的图像是否出现条带现象，若出现条带现象，根据条带评估条件，判断是否需要重新定标，若需要，返回步骤4)，否则，判定步骤6)定标后的图像符合要求，完成定标，用于后续在轨图像的处理。
卫星图像多行覆盖，是指：均匀场单边长度大于卫星面阵光学相机面阵窄边长度。
卫星的面阵探测器的成像参数设置一致，包括：面阵探测器每个像元的设置，均设置为统一的曝光时间和增益。
面阵探测器优选为全色CCD
均匀暗目标是指：均匀暗目标与均匀场景不重叠；
均匀暗目标，优选包括：海洋，平静的湖面。
卫星面阵相机，包括面阵探测器(优选面阵CCD和面阵CMOS探测器)、电子学设备和光机主体。面阵探测器主要负责感光，将卫星面阵相机拍摄的景物转化为数字信号；电子学设备负责给面阵相机供电、控制相机和处理图像信息等；光机主体由面阵相机的结构和光学镜头组成，光学镜头安装在面阵相机的结构上，面阵探测器、电子学设备也可安装在面阵相机的结构上。
面阵探测器优选呈矩形，优选7920×6144的面阵探测器，7920×6144表示面阵长边是7920像元，短边是6144像元。
条带评估条件具体为：将步骤6)定标后的图像选定为被评估图像，取被评估图像的列平均，将列平均后的图像分别通过一个经过25阶采样平均平滑的101阶中值滤波器和一个经过51阶采样平均平滑的2001阶中值滤波器，得到两条曲线，两条曲线差的绝对值反映了整幅图像的条带情况；若两条曲线差满足要求，则判定满足条带评估条件，否则，判定不满足条带评估条件；
步骤2)选取地面均匀暗目标，该均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖，优选方案为：卫星面阵相机单次对地面成像时，一次成像的区域大小相当于卫星面阵相机探测器有效尺寸在地面投影面积的大小，选取地面均匀的暗目标区域，对该区域成像，一般选取平静的湖水或海面，选取拍摄的区域能够覆盖卫星单次对地面成像时的区域大小。
步骤5)对步骤4)得到的地面图像进行图像处理，使得同一地物在同一水平线上，优选方案为：卫星姿态调整后，面阵探测器各像元对同一区域成像，获得图像呈45°(即45°调平)，成像关系如图3所示。图像逐行调整，以第一行第一列图像灰度值DN1,1为基准，将倾斜45°的图像修正为同一水平线，使得同一地物近似在同一水平线上，如式(1-1)所示。
Figure BDA0002050498100000041
步骤6)对步骤5)处理后的图像进行在轨相对定标，得到CCD每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数；具体为：对步骤5)45°调平后的图像进行在轨相对定标，得到CCD每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数；根据CCD每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数，得到定标后的图像，卫星面阵相机相对定标表达式，有选的表达式如下：
Figure BDA0002050498100000042
式中:
Figure BDA0002050498100000043
—暗信号输出,最小二乘拟合曲线的拟合系数；
Figure BDA0002050498100000051
—各像元响应度；
实验室定标中，在同一辐亮度下，计算每个像元的DN值，求得所有像元的灰度平均值
Figure BDA0002050498100000052
然后在不同亮度点下，求所有像元灰度平均值，平均灰度值与辐亮度之间的函数关系由最小二乘法表示如下：
Figure BDA0002050498100000053
式中：
Figure BDA0002050498100000054
—平均暗信号输出,最小二乘拟合曲线的拟合系数；
Figure BDA0002050498100000055
—所有像元的平均响应度，最小二乘拟合曲线的拟合系数；
步骤3.中卫星对均匀暗目标成像(如海洋，平静的湖面等)，统计
Figure BDA0002050498100000056
各像元的平均值作为在轨相对定标暗信号值
Figure BDA0002050498100000057
卫星姿态调整后对均匀目标成像，每个像元的辐射照度是一致的(地物目标越均匀，定标效果越好)。将面阵探测器输出灰度图像转变为卫星面阵相机入射辐亮度图像后，每个像元对应的辐射亮度Lm,n应该是一致的(统一用L表示)，相机输入辐亮度反演公式为：
Figure BDA0002050498100000058
式(1-4)代入式(1-3)得到平均DN值表达式如下：
Figure BDA0002050498100000059
Figure BDA00020504981000000510
为卫星姿态调整后对均匀目标成像的各像元灰度值取平均灰度值(即
Figure BDA0002050498100000061
)；令相对定标后的各像元数码值等于平均数码值(即
Figure BDA0002050498100000062
)；暗信号值为对海洋等暗目标求得各像元暗信号输出(即
Figure BDA0002050498100000063
)；则校正后的灰度值写为：
Figure BDA0002050498100000064
式中：
像元响应度的校正系数—
Figure BDA0002050498100000065
暗信号校正系数—
Figure BDA0002050498100000066
将校正系数带入式(1-6)得到在轨相对定标的校正函数矩阵：
Figure BDA0002050498100000067
使用式(1-7)对在轨图像进行处理即得到在轨相对辐射定标后的图像。
步骤7)判断步骤6)得到的定标后的图像是否出现条带现象，若出现条带现象，根据条带评估条件，判断是否需要重新定标，若需要，返回步骤4)，否则，判定步骤6)定标后的图像符合要求，优选方案如下：
取步骤6)定标后的图像的每列的平均值，将面阵图像的二维分布变为一维曲线形式，将平均后的一维曲线分别通过一个经过25阶采样平均平滑的101阶中值滤波器和一个经过51阶采样平均平滑的2001阶中值滤波器，得到两条曲线，两条曲线差形成一条新的曲线，新曲线的绝对值反映了定标后图像的条带情况，新曲线的每个尖峰表示一个条带，若新曲线有超过3个的明显尖峰，则步骤6)定标后的图像不符合要求，需重新定标。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明充分利用了卫星平台偏航姿态调整的能力，结合对地面均匀场景成像和优化的相对定标算法的优势，便捷的实现了卫星面阵光学相机在轨相对辐射定标；
(2)本发明由于采用卫星姿态调整的成像模式，大大减小了对地成像的覆盖面积，既保证了地面场景的均匀性，也减小了在轨相对定标对专用定标场的依赖；
(3)本发明采用优化的相对定标算法，使用矩阵模型，兼顾卫星光学相机成像模型与定标算法的可编程性，克服了面阵光学相机焦平面阵列拼接的跳跃，对卫星面阵光学相机在轨相对定标具有较强的实用性；
(4)本发明由于对地成像覆盖面积小的优点，对多探测器拼接和探测器呈矩形的光学相机在轨相对定标有很强的实用意义；
(5)本发明通过条带评估保证定标质量，基本消除了遥感图像的条带，保证了图像的辐射质量。
(6)本发明基于卫星姿态调整的在轨相对定标概念，以此为从轨道上获取地球表面信息的面阵光学相机产生一个均匀目标。产生均匀目标的目的是为了面阵光学相机每个探测元能接收到相同的辐亮度。在卫星姿态调整后，通过旋转卫星使卫星面阵光学相机的每个探测像元对相同的地面目标成像，不用使用专门的地面定标场，只要地面有小块的均匀场地就可以进行在轨相对定标。该技术改进普通定标方法，使图像上的条带减少，得到了优于非均匀性校正的图像，其可作为计算相对增益的标准。
附图说明
图1是基于卫星姿态调整的在轨相对辐射定标流程图；
图2是卫星姿态调整前后探测器焦面在地面的投影示意图；
图3是卫星姿态调整前后的探测器像元排列示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，卫星进行姿态调整对地成像前，需要对卫星的焦平面的CCD成像参数设置一致；选取地面均匀暗目标，该均匀按目标能够被卫星成像多行覆盖；满足均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖的条件下，调整卫星到正常姿态，得到均匀暗目标的图像，统计该图像DN值，取平均DN值作为***暗信号；卫星进行姿态调整，使得卫星CCD面阵长边方向与卫星飞行方向一致后对地成像，得到地面图像，卫星回到卫星正常姿态；对地面图像进行图像处理，对处理后的图像进行在轨相对定标，根据卫星运行和面阵光学相机的响应一致性，动态获取相对辐射定标系数，保证在轨相对定标精度。
本发明用在面阵光学相机在轨相对定标上，定标后的图像通过图像反演明显消除图像噪声，改善成像效果。原有的在轨相对定标需要使用专用的地面定标场，专用的地面定标场要求地物均匀，漫反射特性好，以便模拟实验室内定标，产生一个均匀面光场。但在轨光学相机拍摄一个均匀地物十分困难，这是因为地面上一个典型的成像区域(数十到上百公里)很难有众多辐射特性一致的均匀目标。深空是一个好的均匀场，但仅仅适合于测量偏置水平，计算相对增益需要有一定的辐亮度。在太阳光照区，海洋是较理想的均匀场但亮度不足，不能很好地对设备的整个动态范围进行定标。在北非有许多相对均匀的沙漠目标，但对大多数光学相机在轨相对定标来说地面均匀地物面积又不足够大。本专利基于卫星姿态调整的在轨相对定标概念，通过旋转卫星使面阵光学相机探测器每个探测像元扫描相同的地面目标，以完成均匀场的产生。该技术不用选择不用使用专门的地面定标场，只要地面有小块的均匀场地就可以进行在轨相对定标。该技术改进普通定标方法，使图像上的条带减少，得到了优于非均匀性校正的图像，其可作为计算相对增益的标准。通过使用该技术，可以使在轨卫星的相对定标由以前的一年一次或几次，发展为业务化常态化的定标模式。
下面结附图对本发明做详细介绍，具体步骤实现过程如下：
1.选取均匀地表，保证均匀场景的单边长度大于卫星面阵光学相机在地面的投影N,如图2所示。若卫星面阵光学相机的探测器由两块面阵矩形探测器组成，矩形探测器的尺寸为7800像元×5400像元，两块探测器长边拼接组成一款15600像元×5400像元的面阵焦平面，在500km的轨道上，单次对地成像面积为15.6km×5.4km。针对该款面阵相机在轨相对定标时，地面均匀场景的单边长度大于5.4km即可。
2.选取地面均匀暗目标，该均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖，优选方案为：卫星面阵相机单次对地面成像时，一次成像的区域大小相当于卫星面阵相机探测器有效尺寸在地面投影面积的大小，选取地面均匀的暗目标区域，对该区域成像，一般选取平静的湖水或海面，选取拍摄的区域能够覆盖卫星单次对地面成像时的区域大小。该面阵相机单次对地成像面积是15.6km×5.4km，选取一个湖面大于5.4km的目标作为均匀暗目标。
3.满足均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖的条件下，卫星进行姿态调整，通过姿态控制使卫星偏航角从0°转到90°，使得卫星面阵探测器15600像元(长边)方向与卫星飞行方向一致，对地成像，得到均匀暗目标的图像，统计该图像DN值(灰度值)，取平均DN值作为***暗信号(DN)-_Sdark；
4.卫星保持偏航角90°的姿态，卫星面阵探测器15600像元(长边)方向与卫星飞行方向一致，在该条件下，对地成像，得到地面图像；通过姿态控制使卫星偏航角从90°回到0°，即回到卫星正常姿态；
5.对步骤4)得到的地面图像进行图像处理，使得同一地物近似在同一水平线上，卫星姿态调整后，面阵探测器各像元对同一区域成像，获得图像呈45°，成像关系如图3所示。图像逐行调整，以第一行第一列图像灰度值DN1,1为基准，将倾斜45°的图像修正为同一水平线，使得同一地物近似在同一水平线上，如式(1-1)所示。
Figure BDA0002050498100000101
此时，优选m＝15600，n＝5400
6.对步骤5)45°调平后的图像进行在轨相对定标，得到CCD每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数；根据CCD每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数，得到定标后的图像，卫星面阵相机相对定标表达式：
Figure BDA0002050498100000104
式中:
Figure BDA0002050498100000102
—暗信号输出,最小二乘拟合曲线的拟合系数；
Figure BDA0002050498100000103
—各像元响应度；
实验室定标中，在同一辐亮度下，计算每个像元的DN值，求得所有像元的灰度平均值
Figure BDA0002050498100000111
然后在不同亮度点下，求所有像元灰度平均值，平均灰度值与辐亮度之间的函数关系由最小二乘法表示如下：
Figure BDA0002050498100000112
式中：
Figure BDA0002050498100000113
—平均暗信号输出,最小二乘拟合曲线的拟合系数；
Figure BDA0002050498100000114
—所有像元的平均响应度，最小二乘拟合曲线的拟合系数；
步骤3.中卫星对均匀暗目标成像(如海洋，平静的湖面等)，统计
Figure BDA0002050498100000115
各像元的平均值作为在轨相对定标暗信号值
Figure BDA0002050498100000116
卫星姿态调整后对均匀目标成像，每个像元的辐射照度是一致的(地物目标越均匀，定标效果越好)。将面阵探测器输出灰度图像转变为卫星面阵相机入射辐亮度图像后，每个像元对应的辐射亮度Lm,n应该是一致的(统一用L表示)，相机输入辐亮度反演公式为：
Figure BDA0002050498100000117
式(1-4)代入式(1-3)得到平均DN值表达式如下：
Figure BDA0002050498100000118
Figure BDA0002050498100000119
为卫星姿态调整后对均匀目标成像的各像元灰度值取平均灰度值(即
Figure BDA00020504981000001110
)；令相对定标后的各像元数码值等于平均数码值(即
Figure BDA00020504981000001111
)；暗信号值为对海洋等暗目标求得各像元暗信号输出(即
Figure BDA00020504981000001112
)；则校正后的灰度值写为：
Figure BDA0002050498100000121
式中：
像元响应度的校正系数—
Figure BDA0002050498100000122
暗信号校正系数—
Figure BDA0002050498100000123
将校正系数带入式(1-6)得到在轨相对定标的校正函数矩阵：
Figure BDA0002050498100000124
使用式(1-7)对在轨图像进行处理即得到在轨相对辐射定标后的图像。
7.取步骤6)定标后的图像的每列的平均值，将面阵图像的二维分布变为一维曲线形式，将平均后的一维曲线分别通过一个经过25阶采样平均平滑的101阶中值滤波器和一个经过51阶采样平均平滑的2001阶中值滤波器，得到两条曲线，两条曲线差形成一条新的曲线，新曲线的绝对值反映了定标后图像的条带情况，新曲线的每个尖峰表示一个条带，若新曲线有超过3个的明显尖峰，则步骤6)定标后的图像不符合要求，需重新定标。
基于卫星姿态调整的在轨相对定标概念，以此为从轨道上获取地球表面信息的面阵光学相机产生一个均匀目标。产生均匀目标的目的是为了面阵光学相机每个探测元能接收到相同的辐亮度。在卫星姿态调整后，通过旋转卫星使卫星面阵光学相机的每个探测像元对相同的地面目标成像，不用使用专门的地面定标场，只要地面有小块的均匀场地就可以进行在轨相对定标。该技术改进普通定标方法，使图像上的条带减少，得到了优于非均匀性校正的图像，其可作为计算相对增益的标准。
本发明充分利用了卫星平台偏航姿态调整的能力，便捷的实现了卫星面阵光学相机在轨相对辐射定标；本发明采用卫星姿态调整的成像模式，大大减小了对地成像的覆盖面积，既保证了地面场景的均匀性，也减小了在轨相对定标对专用定标场的依赖；
本发明采用优化的相对定标算法，使用矩阵模型，兼顾卫星光学相机成像模型与定标算法的可编程性，克服了面阵光学相机焦平面阵列拼接的跳跃，对卫星面阵光学相机在轨相对定标具有较强的实用性；本发明可以使在轨卫星的相对定标由以前的一年一次或几次，发展为业务化常态化的定标模式(每周一次或一个月两次)。
如图1所示本发明选取均匀地表，保证均匀场景的单边长度大于卫星面阵光学相机在地面的投影N,如图2所示。成像参数设置，进行卫星姿态调整前，需要焦平面所有探测器的成像参数设置一致，如全色CCD全设置为统一的曝光时间和增益；卫星对均匀暗目标成像(如海洋，平静的湖面等)，统计图像DN值(灰度值)，取平均DN值作为***暗信号
Figure BDA0002050498100000131
卫星姿态调整，光学面阵光学相机与卫星固连，调整卫星姿态使光学面阵光学相机的探测器在地面的投影旋转90°，如图2所示，使得探测器长边方向与飞行方向一致。姿态调整后在地面的投影长度N远远小于M，选取均匀地表进行在轨相对定标测试时，较小的地面场景就可以覆盖面阵光学相机的全部像元，对于宽视场空间光学相机，该方法尤其有利。
卫星姿态调整后，探测器各像元依次对同一地物成像，获得图像呈45°，成像关系如图3所示。由于姿态调整成像时间段很短，可认为同一地物在不同探元所表现的灰度值即为探元响应的不一致性所致；
姿态调整后图像处理，为获取探测器在同一地物下的成像，图像逐行调整，以第一行第一列图像灰度值DN1,1为基准，将倾斜45°的图像修正为同一水平线，使得同一地物近似在同一水平线上，如式(1-1)所示；
Figure BDA0002050498100000141
相对定标，在45°调平的图像上进行在轨相对定标处理，按公式(1-2)～(1-7)处理，计算得到每个像元响应度的校正系数和暗信号校正值，逐像元进行在轨相对定标校正；
卫星面阵光学相机相对定标表达式：
Figure BDA0002050498100000142
式中:
Figure BDA0002050498100000143
—暗信号输出,最小二乘拟合曲线的拟合系数；
Figure BDA0002050498100000144
—各像元响应度；
实验室定标中，在同一辐亮度下，计算每个像元的DN值，求得所有像元的灰度平均值
Figure BDA0002050498100000145
然后在不同亮度点下，求所有CCD像元灰度平均值，平均灰度值与辐亮度之间的函数关系由最小二乘法表示如下：
Figure BDA0002050498100000151
式中：
Figure BDA0002050498100000152
—平均暗信号输出,最小二乘拟合曲线的拟合系数；
Figure BDA0002050498100000153
—所有像元的平均响应度，最小二乘拟合曲线的拟合系数；
步骤3.中卫星对均匀暗目标成像(如海洋，平静的湖面等)，统计
Figure BDA0002050498100000154
各像元的平均值作为在轨相对定标暗信号值
Figure BDA0002050498100000155
卫星姿态调整后对均匀目标成像，每个像元的辐射照度是一致的(地物目标越均匀，定标效果越好)。将探测器输出灰度图像转变为卫星面阵光学相机入射辐亮度图像后，每个像元对应的辐射亮度Lm,n应该是一致的(统一用L表示)，相机输入辐亮度反演公式为：
Figure BDA0002050498100000156
式(1-4)代入式(1-3)得到平均DN值表达式如下：
Figure BDA00020504981000001511
Figure BDA0002050498100000157
为卫星姿态调整后对均匀目标成像的各像元灰度值取平均灰度值(即
Figure BDA0002050498100000158
)；令相对定标后的各像元数码值等于平均数码值(即
Figure BDA0002050498100000159
)；暗信号值为对海洋等暗目标求得各像元暗信号输出(即
Figure BDA00020504981000001510
)；则校正后的灰度值写为：
Figure BDA0002050498100000161
式中：
像元响应度的校正系数—
Figure BDA0002050498100000162
暗信号校正系数—
Figure BDA0002050498100000163
将校正系数带入式(1-6)得到在轨相对定标的校正函数矩阵：
Figure BDA0002050498100000164
使用式(1-7)对在轨图像进行处理即得到在轨相对辐射定标后的图像。
本发明的定标方法得到的像元响应度校正系数和暗信号校正系数不能适应所有的地面景物处理，对均匀场景如低辐射量值的水体，中等辐射量值的雨林，高辐射量值的沙漠、雪地、云层成像时可以清晰的从图像上观察到条带现象。需要对定标处理后的图像进行相对辐射校正评估，统计校正后图像的条带情况，根据条带的统计结果确定卫星探测器像元响应和暗信号校正值是否需要重定标；
本发明的条带评估，取被选定评估图像的列平均，将平均后图像分别通过一个经过25阶采样平均平滑的101阶中值滤波器和一个经过51阶采样平均平滑的2001阶中值滤波器，得到两条曲线。后一个滤波器移除了图像中的尖峰和条纹。两条曲线差的绝对值反映了整幅图像的条带情况，其中曲线的尖峰表示一个独立条带。整个图像的条带评估值是所有独立条带取平均值。
经过评估的像元响应度校正系数和暗信号校正系数，作为在轨相对辐射校正系数，用于后续在轨图像的处理，未经过条带评估需重新进行条带评估，满足条带评估条件，最后实现辐射定标。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于步骤如下：
1)卫星进行姿态调整对地成像前，需要对卫星的面阵探测器成像参数设置一致；
2)选取地面均匀暗目标，该均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖；
3)满足均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖的条件下，卫星进行姿态调整，通过姿态控制使卫星偏航角从0°转到90°，使得卫星面阵探测器长边方向与卫星飞行方向一致，对地成像，得到均匀暗目标的图像，统计该图像DN值，取平均DN值作为***暗信号
Figure FDA0002944855550000011
的值；DN值为灰度值；
4)卫星保持偏航角90°的姿态，卫星面阵探测器长边方向与卫星飞行方向一致，在该条件下，对地成像，得到地面图像；通过姿态控制使卫星偏航角从90°回到0°，即回到卫星正常姿态；
5)对步骤4)得到的地面图像进行图像处理，使得同一地物在同一水平线上；
6)对步骤5)处理后的图像进行在轨相对定标，得到面阵探测器每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数；根据面阵探测器每个像元响应度的校正系数和***暗信号校正系数，得到定标后的图像；
7)判断步骤6)得到的定标后的图像是否出现条带现象，若出现条带现象，根据设定的条带评估条件，判断是否需要重新定标，若需要，返回步骤4)，否则，判定步骤6)定标后的图像符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：卫星图像多行覆盖，是指：均匀场单边长度大于卫星面阵光学相机面阵窄边长度。
3.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：卫星的面阵探测器的成像参数设置一致，包括：面阵探测器每个像元的设置，均设置为统一的曝光时间和增益。
4.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：面阵探测器为全色CCD。
5.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：均匀暗目标具体为：均匀暗目标与均匀场景不重叠。
6.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：均匀暗目标，包括：海洋，平静的湖面。
7.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：卫星的面阵相机，包括面阵探测器、电子学设备和光机主体，面阵探测器能够进行感光，将卫星面阵相机拍摄的景物转化为数字信号；电子学设备用于给面阵相机供电、控制相机和处理图像信息；光机主体由面阵相机的结构和光学镜头组成。
8.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：面阵探测器呈矩形，矩形为7920×6144，7920×6144表示面阵长边为7920像元，短边为6144像元。
9.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：条带评估条件具体为：将步骤6)定标后的图像选定为被评估图像，取被评估图像的列平均，将列平均后的图像分别通过一个经过25阶采样平均平滑的101阶中值滤波器和一个经过51阶采样平均平滑的2001阶中值滤波器，得到两条曲线，两条曲线差的绝对值反映了整幅图像的条带情况；若两条曲线差满足要求，则判定满足条带评估条件，否则，判定不满足条带评估条件。
10.根据权利要求1所述的一种基于卫星姿态调整的面阵相机在轨相对辐射定标方法，其特征在于：步骤2)选取地面均匀暗目标，该均匀暗目标能够被卫星成像多行覆盖，具体为：卫星面阵相机单次对地面成像时，一次成像的区域大小相当于卫星面阵相机探测器有效尺寸在地面投影面积的大小，选取地面均匀的暗目标区域，对该区域成像，选取平静的湖水或海面，选取拍摄的区域能够覆盖卫星单次对地面成像时的区域大小。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111815524B (zh) * 2019-12-11 2024-04-23 长沙天仪空间科技研究院有限公司 一种辐射定标的校正***和方法
CN111397730A (zh) * 2019-12-31 2020-07-10 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于led光源的光学相机宽谱段相对辐射定标方法
CN112070663B (zh) * 2020-07-24 2024-03-29 北京空间机电研究所 一种多探测器拼接型相机辐射定标联合数据处理方法
CN112150555B (zh) * 2020-08-27 2024-02-09 北京空间机电研究所 一种地球同步轨道面阵相机在轨相对辐射定标方法
CN112529810A (zh) * 2020-12-15 2021-03-19 北京空间机电研究所 一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法
CN114119769B (zh) * 2021-11-22 2024-05-28 北京市遥感信息研究所 一种基于均匀场高精度偏航相对辐射定标方法
CN117726566B (zh) * 2024-02-05 2024-05-10 中国科学院空天信息创新研究院 组网卫星光学载荷辐射一致性校正方法、装置和电子设备

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102540166A (zh) * 2011-12-05 2012-07-04 北京航空航天大学 一种基于优化算法的高光谱传感器交叉辐射定标方法
CN104462776A (zh) * 2014-11-06 2015-03-25 中国空间技术研究院 一种低轨道地球观测卫星对月球绝对辐射定标方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102324098B (zh) * 2011-08-23 2013-04-03 中国资源卫星应用中心 一种结合实验室定标和均匀景统计的相对辐射定标方法
US9823116B2 (en) * 2012-08-23 2017-11-21 Raytheon Company Geometric calibration of a remote sensor
CN103148865B (zh) * 2013-01-17 2015-05-20 天津大学 一种摄像机模型标定方法及标定装置
CN103776466B (zh) * 2014-01-14 2016-05-04 中国空间技术研究院 对非均匀场景同一区域成像的姿态调整与非线性定标方法
CN104065892B (zh) * 2014-06-24 2017-04-05 中国资源卫星应用中心 一种凝视卫星面阵ccd相机的相对辐射校正方法
CN104729535B (zh) * 2015-03-17 2017-07-28 航天东方红卫星有限公司 一种基于恒星的空间相机在轨绝对定标方法
CN105486315B (zh) * 2015-11-26 2018-02-09 航天东方红卫星有限公司 遥感卫星对月绝对定标姿态调整方法
CN105865489B (zh) * 2016-05-19 2018-09-25 上海航天控制技术研究所 一种红外地平仪的标定***及其标定方法
CA3043932A1 (en) * 2016-10-20 2018-04-26 Spookfish Innovations Pty Ltd An aerial camera boresight calibration system
CN106871925B (zh) * 2016-12-29 2019-07-23 中国资源卫星应用中心 一种在轨综合动态调整的遥感卫星相对辐射定标处理方法
CN106981073B (zh) * 2017-03-31 2019-08-06 中南大学 一种基于无人机的地面运动目标实时跟踪方法及***
CN107093196B (zh) * 2017-04-10 2020-03-10 武汉大学 视频卫星面阵相机在轨相对辐射定标方法
CN107036629B (zh) * 2017-04-20 2020-07-24 武汉大学 视频卫星在轨相对辐射定标方法及***

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102540166A (zh) * 2011-12-05 2012-07-04 北京航空航天大学 一种基于优化算法的高光谱传感器交叉辐射定标方法
CN104462776A (zh) * 2014-11-06 2015-03-25 中国空间技术研究院 一种低轨道地球观测卫星对月球绝对辐射定标方法

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