CN112529810A - 一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，步骤如下：(1)根据面阵凝视相机采集的明暗各连续K帧图像，获得非均匀性校正系数；(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；(4)对配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；(5)对像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，属于遥感器光电成像技术领域。
背景技术
在海洋探测、深空探测、预警探测及微光成像等领域，可探测目标反射或辐射能量较低，属于对暗弱目标成像，使用传统相机探测手段，探测信噪比较低，很难满足高信噪比的应用需求。通过增大相机口径、延长积分时间等手段能够一定程度上增加探测目标的信号强度，但相机口径和探测器性能受目前技术限制，产生的信噪比增量仍不能满足高信噪比需求，因此需要寻求提高信噪比新的技术途径。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，采用时域多次采样叠加和空域像元合并的方法，提高暗弱目标的探测信噪比。
本发明解决的技术方案为：一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，优选方案步骤如下：
(1)根据面阵凝视相机采集的明暗各连续K帧图像，获得非均匀性校正系数；
(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的获得非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；
(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；
(4)对步骤(3)配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；
(5)对步骤(4)像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像。
优选的，(1)根据面阵凝视相机采集的明暗各连续K帧图像，获得非均匀性校正系数，具体为：
非均匀性校正系数采用两点法获取，面阵相机对积分球成像，分别将积分球设置为明暗两个亮度，由明暗两种图像确定的曲线S认为是探测器的标准响应曲线，由明暗两种图像各自均值以及各个像元响应值可以求得各个像元的校正系数。
优选的，(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的获得非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；具体为：
将获得的非均匀性校正系数分别代入每帧图像的探测单元响应值，进行逐像元校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像。
优选的，(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；具体为：
由于卫星平台抖动及控姿不稳等原因，连续多帧图像间存在图像偏移，在进行后续多帧叠加前需要对获得的K帧图像进行图像配准；为了计算不同图像帧间的偏移，陀螺仪可以测量出不同帧图像的姿态变化，通过严格成像几何模型，可以计算出相邻帧之间图像像素偏移，最后根据计算的各帧图像偏移量，分别与第一帧图像进行配准。
优选的，(4)对步骤(3)配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；具体为：
像元合并采用同一帧图像中相邻像元DN值相加取平均的方式，多个像元合并后变为一个像元，空间分辨率有所降低，提高了图像信噪比。
优选的，(5)对步骤(4)像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像；具体为：
将连续采集的K帧像元合并后图像同一像元逐帧相加取平均的方式，多帧图像叠加取平均后获得一幅高信噪比图像。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明提出了一种基于时空域的信噪比提升方法。时域信噪比提升利用凝视成像特点进行多次采样叠加，空域信噪比提升利用相邻采样数字合并处理，以满足海洋探测等领域的高信噪比需求。
(2)本发明提出了一种利用陀螺仪测角元件对相机光轴角度偏移进行测量进而进行图像配准的方法。本方案测量精度较高，精度误差小于1/3像元，能够简化图像配准流程，同时图像配准不受观测时间、观测目标影响。
(3)本发明提出了一种两点法进行探测像元响应非均匀校正方法，通过明暗两种图像确定探测器的标准响应曲线及校正系数。本非均匀性校正方案简洁、高效、节省星上硬件资源。
附图说明
图1本发明图像配准算法流程图；
图2本发明垂直光轴旋转对像移的影响示意图；
图3本发明双线性内插法计算示意图；
图4本发明绕光轴方向转动产生的像移示意图；
图5本发明多帧叠加抑制时域噪声，图像经过校正后，多帧叠加对信噪比的提升效果图；
图6本发明像元合并抑制空域噪声，图像经过校正后，多帧叠加对信噪比的提升效果图；
图7为图像未经过时空域信噪比提升效果原图；
图8为本发明经过时空域信噪比提升效果图。
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。
本发明是一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，步骤如下：(1)根据面阵凝视相机采集的明暗各连续K帧图像，获得非均匀性校正系数；(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；(4)对配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；(5)对像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像。
在海洋探测、深空探测、预警探测及微光成像等领域，可探测目标反射或辐射能量较低，属于对暗弱目标成像，使用传统相机探测手段，探测信噪比较低，很难满足高信噪比的应用需求。通过本发明提出的基于时空域信噪比提升方法，可以提高以上应用领域的目标探测信噪比，满足该领域的高信噪比的探测需求，实现暗弱目标的探测。
本发明一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，优选方案步骤如下：
(1)根据面阵凝视相机采集的连续K帧图像，获得非均匀性校正系数；优选方案具体如下：
优选方案为：非均匀性校正采用两点法进行，分别将积分球设置为明暗两个亮度ΦA和ΦB，由ΦA和ΦB确定的曲线S认为是探测器的标准响应曲线，接下来按照曲线S对其余各个探元的响应曲线进行校正，校正方法如下：
首先求得在均匀辐照度ΦA和ΦB下各个探测单元的平均响应值:
一般情况下，在探测器动态范围内探测器响应曲线为线性模型，公式如下：
Yij(Φ)＝Gij(Φ)+Oij (3)
其中Yij(Φ)表示编号为(i，j)的探测单元的响应输出值，Φ表示(i，j)探测单元的辐射输入值，Gij为(i，j)探测单元的乘性增益，Oij为(i，j)探测单元的加性偏置。
将明暗辐射下的平均响应值带入上面线性模型，可得到
通过以上两式可得到校正增益系数和偏置校正系数
(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的获得非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；优选方案具体如下：
优选方案为：根据步骤(1)得到每个探测单元的两个校正系数kij、bij之后即可求得各个探测单元的校正输出为
分别对K帧图像进行以上校正处理，可得到降低空间噪声后的多帧目标图像。
(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；如图1所示，优选方案具体如下：
优选方案为：为了计算不同图像帧间的偏移，陀螺仪可以测量出不同帧图像的姿态变化，通过严格成像几何模型，可以计算出相邻帧之间图像像素偏移。算法流程如图1所示。
滚转轴和俯仰轴方向的转动位移可统一称为垂直光轴方向的转动位移，它们对像移产生的影响具有相似性，故而放在一起。如图2所示为本发明垂直光轴旋转对像移的影响示意图；
优选方案为：如图2所示，转动前目标主光线与光轴的夹角为α，在积分时间内卫星绕ox轴(或oy轴)发生θx(或θy)的角位移。则转动后像点在oy方向(或ox方向)的像移dim可以近似表示为：
dim＝f·tan(α+θx)-tanα-≈f·tanθx (9)
其中，f表示相机焦距，L为目标距光轴星下点的直线距离，l‘为L的像方成像距离，H为卫星高度。
优选方案为：根据计算得到的图像偏移，整数元的像移直接平移，亚像元的像移采用双线性内插法对相邻帧进行重采样，如图3所示，具体算法：通过采样点周围4邻域像元的距离加权来计算其栅格值新值。具体操作是首先在X方向做一次内插，再在Y方向内插一次，通过距离加权计算得到该像元的栅格值。
优选计算公式为：
I(P)＝(1-Δx)(1-Δy)·I11+(1-Δx)·Δy·I12+Δx·(1-Δy)·I21+Δx·Δy·I22 (10)
其中，I(P)为采样点像元DN值，P11、P12、P13、P14分别为采样点周围4个像元，I11、I12、I13、I14分别为周围4个像元DN值，Δx为采样点距离P11和P12中心连线在x方向上的直线距离，Δy为采样点距离P11和P21中心连线在y方向上的直线距离。
优选方案为：绕光轴方向的转动也即绕偏航轴的转动。图4所示为绕光轴方向转动位移产生的像移。在积分时间内，遥感卫星绕光轴转动θz角位移产生的像移dim可表示为：
dim＝l·θz (11)
其中，l为目标像点与视场中心的距离。
优选方案为：根据计算得到的图像偏移，整数元的像移直接平移，亚像元的像移采用双线性内插法对相邻帧进行重采样，具体算法同公式(10)。
(4)对步骤(3)配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；优选方案具体如下：
优选方案为：采用同一帧图像中相邻像元DN值相加取平均的方式，多个像元合并后变为一个像元，空间分辨率有所降低，提高了图像信噪比，如果对n*n个像元进行合并处理，抑制了图像的空间噪声，图像中每一点的信噪比提高了n倍，随着合并像元数的增加，图像信噪比也随着增加。
(5)对步骤(4)像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像；优选方案具体如下：
优选方案为：采用连续采集的多帧图像同一像元逐帧相加取平均的方式，多帧图像叠加取平均后获得一幅高信噪比图像，其中用于多帧叠加的图像必须是同一积分时间同一地点配准后的图像。如果对K帧图像进行叠加平均，抑制了图像的时间噪声，图像中每一点的信噪比提高了
倍，随着叠加图像帧数的增加，累积信噪比也随着增加。
优选方案为：多帧叠加抑制时域噪声，图像经过校正后，多帧叠加对信噪比的提升效果如图5所示(100,300,500,1000为图像统计区域大小，信噪比提升曲线基本重合)。
像元合并抑制空域噪声，图像经过校正后，多帧叠加对信噪比的提升效果如图6所示。
图像经过时空域信噪比提升效果对比如图7、图8所示；(图7为原图，图8为4帧叠加同时4*4合并后的图像)。
本发明提出的一种基于时空域的信噪比提升方法。时域信噪比提升利用凝视成像特点进行多次采样叠加，空域信噪比提升利用相邻采样数字合并处理，以满足海洋探测等领域的高信噪比需求；本发明提出了一种利用陀螺仪测角元件对相机光轴角度偏移进行测量进而进行图像配准的方法。本方案测量精度较高，精度误差小于1/3像元，能够简化图像配准流程，同时图像配准不受观测时间、观测目标影响。
本发明提出的一种两点法进行探测像元响应非均匀校正方法，通过明暗两种图像确定探测器的标准响应曲线及校正系数。本非均匀性校正方案简洁、高效、节省星上硬件资源。
Claims (6)
1.一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据面阵凝视相机采集的明暗各连续K帧图像，获得非均匀性校正系数；
(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的获得非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；
(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；
(4)对步骤(3)配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；
(5)对步骤(4)像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像。
2.根据权利要求1所述的一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，其特征在于：(1)根据面阵凝视相机采集的明暗各连续K帧图像，获得非均匀性校正系数，具体为：
非均匀性校正系数采用两点法获取，面阵相机对积分球成像，分别将积分球设置为明暗两个亮度，由明暗两种图像确定的曲线S认为是探测器的标准响应曲线，由明暗两种图像各自均值以及各个像元响应值可以求得各个像元的校正系数。
3.根据权利要求1所述的一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，其特征在于：(2)面阵凝视相机连续采集多帧目标图像，根据步骤(1)得到的获得非均匀性校正系数，对采集的每帧目标图像进行非均匀性校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像；具体为：
将获得的非均匀性校正系数分别代入每帧图像的探测单元响应值，进行逐像元校正，得到降低空间噪声后的多帧目标图像。
4.根据权利要求1所述的一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，其特征在于：(3)对步骤(2)降低空间噪声后的多帧目标图像，进行图像配准，得到配准后的多帧目标图像；具体为：
由于卫星平台抖动及控姿不稳等原因，连续多帧图像间存在图像偏移，在进行后续多帧叠加前需要对获得的K帧图像进行图像配准；为了计算不同图像帧间的偏移，陀螺仪可以测量出不同帧图像的姿态变化，通过严格成像几何模型，可以计算出相邻帧之间图像像素偏移，最后根据计算的各帧图像偏移量，分别与第一帧图像进行配准。
5.根据权利要求1所述的一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，其特征在于：(4)对步骤(3)配准后的每帧目标图像，进行像元合并，得到像元合并后的各帧目标图像；具体为：
像元合并采用同一帧图像中相邻像元DN值相加取平均的方式，多个像元合并后变为一个像元，空间分辨率有所降低，提高了图像信噪比。
6.根据权利要求1所述的一种面阵凝视相机的探测信噪比提升方法，其特征在于：(5)对步骤(4)像元合并后的各帧目标图像进行叠加处理，得到最终的一幅信噪比提升后的图像；具体为：
将连续采集的K帧像元合并后图像同一像元逐帧相加取平均的方式，多帧图像叠加取平均后获得一幅高信噪比图像。
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|---|---|---|---|---|
| CN114323279A (zh) * | 2021-12-23 | 2022-04-12 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种提高时空联合调制干涉型光谱仪图像信噪比的方法 |
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