一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法技术

本发明专利技术公开了一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，针对卫星入轨运行特点，获取星上黑体定标数据及多景地物图像后，以星上定标得到的相对辐射及绝对辐射校正系数为主，采用在轨统计的方法修正摆扫相机像元间存在的响应差异，代替传统均匀场图像修正。该校正方法不要求覆盖足够大的均匀地物进行高低温成像，同时对成像气候条件具有很好的鲁棒性，克服了在轨初期快速参数调整与传统校正方法效率低的难题，且取得的均匀性处理效果更好。本发明专利技术适用于各种红外摆扫相机，亦可推广到线阵推扫红外成像，满足遥感产品生产及应用需求。

A method for correcting the uniformity of the image in the infrared camera

The invention discloses an infrared scanning camera imaging uniformity correction method, aiming at the satellite orbit operation characteristics, get onboard blackbody calibration data and multi view image features, relative radiometric calibration and star obtained absolute radiometric correction coefficient is mainly used in statistical correction method for scanning camera between the response differences, instead of the traditional uniform field image correction. The method does not require uniform coverage objects large enough for high temperature imaging, and has good robustness to imaging conditions, to overcome the traditional fast parameter adjustment and initial orbit correction method of low efficiency, and the uniformity of the treatment effect is better. The invention is suitable for various infrared scanning cameras, and can also be extended to linear array push broom infrared imaging to meet the requirements of remote sensing products production and application.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，属于图像处理

技术介绍
红外成像技术是通过探测器探测目标物体自身热辐射或获得目标图像，通过该技术能反映出可见光波之外的目标信息。另外，红外成像技术具有隐蔽性好、作用距离远、抗干扰性强、成像质量好、全天候使用等明显优势，在过去六十年间得到了长足发展。红外探测器的结构形式分为光机扫描成像探测器，线阵扫描结构探测器和阵列探测器。应用在遥感对地成像时，考虑到成像幅宽的要求以及长线阵与大型面阵器件的工艺难度，一般采用限长线阵的红外探测器并设计摆扫机构实现大幅宽对地成像，如图1所示，称为红外摆扫相机。由于制造工艺的限制，红外摆扫相机各像元响应度几乎都不一样，导致了叠加在图像上的非均匀性噪声，严重影响了系统成像质量，因此非均匀校正是最为关键的红外相机图像处理技术。目前广泛应用于实践的非均匀性校正方法包括一点法和两点法。其中，两点法综合考虑了目标温度的高端及低端，处理效果明显。因此，为了量化不同像元间的差异，大多数遥感红外相机都配备了黑体定标装置，包括两个不同温度的均匀黑体。在对地成像前，先进行内定标，得到体现内定标非均匀状态的黑体成像DN(数字计数)值图像，计算相应的相对定标系数及绝对定标系数。利用地面真空环境下得到内定标光路到入瞳处能量的推算关系，反演入瞳前的辐亮度(温度)数据。入轨后，由于器件本身的性能变化，且大气等传输媒介对能量的影响，采用高低温黑体直接计算得到的定标系数处理对地成像时，DN值产品和辐亮度产品残留非均匀性较大，直接影响对目标的判断。用户迫切期望能够高效地获取到DN值产品和辐亮度产品的稳定非均匀性状态，并且缩短调试周期，对成像计划的需求也尽可能少。而传统处理方式要求用户在入轨初期多次协调成像计划，得到不同均匀场的数据，从而根据高低温在轨均匀地物(子块)数据形成修正系数，然后处理其他景数据得到DN值产品和辐亮度产品。在实际操作过程中存在许多缺陷，具体地：1)红外器件分辨率通常较低，因此要求均匀地物的范围巨大，难以寻找到合适的温度靶场；即使存在满足条件的温度靶场，安排成像时也有可能受天气影响(云雾遮挡等)而造成数据无法使用；2)要求用户额外增加成像计划，且若天气(如多云)原因导致均匀场获取失败，仍需再安排成像，影响在轨调试进度；3)均匀场数据中挑选的子块计算得到的非均匀性统计特性与实际情况存在差异，导致处理后全景均匀性精度不高；4)在轨维护阶段，若由于器件特性漂移，做再次修正时，均匀场时相条件发生变化而可能无法使用，需再次寻找适合的场景，效率低下。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，针对红外摆扫相机采用内定标黑体进行校正后残留的非均匀性问题，结合在轨工作条件，克服现有依赖大面积均匀场统计的非均匀性校正方法，提出场景统计方法，仅约束景内统计量偏差，降低对均匀场的依赖，对天气条件等外界影响鲁棒，满足快速性和有效性的要求。本专利技术的技术解决方案是：一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，包括如下步骤：第一步，从相同成像条件下获取的图像中选择符合修正用的DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH；第二步，根据星上高端温度TH和低端温度TL以及对应温度下的黑体成像数据BH和BL，按两点法计算对应的星上相对辐射校正系数KRi、CRi和绝对辐射校正系数KAi、CAi、ΔDNAi，若DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH同轨，则共用一组系数，否则需计算各自对应的系数；第三步，利用星上定标系数，对DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH进行一次校正，得到DN值图像ILDN和IHDN，按单扫的像元个数n及摆扫方向分别对DN值图像ILDN和IHDN进行叠加，形成景内统计数据块ILMDN和IHMDN；同理得到一次校正辐亮度图像ILLe和IHLe，并得到叠加数据块ILMLe和IHMLe；第四步，对叠加数据块ILMLe和IHMLe分别按两点法计算DN值数据的均匀性修正系数及辐亮度数据的均匀性修正系数第五步，对典型温度下获取的包含均匀景物的原始图像G，计算对应轨的星上相对辐射校正系数K′Ri、C′Ri和绝对辐射校正系数K′Ai、C′Ai及ΔDN′Ai；利用DN值数据的均匀性修正系数及辐亮度数据的均匀性修正系数计算最终用于DN值产品DNG的校正系数KRFi、CRFi和辐亮度产品LeG的校正系数KAFi、CAFi和ΔDNAFi，并生成相应的产品；第六步，对DN值产品DNG和辐亮度产品LeG进行均匀性检验，若不满足要求，则重新回到第一步并选择其他图像生成修正系数；第七步，若摆扫相机正反扫均成像，则第三步至第六步需按扫的方向独立计算。在上述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法中，所述第一步中，符合修正用的DN值低端图像IL和DN值高端图像IH挑选原则如下：星上定标黑体的高端温度TH和低端温度TL为红外相机设计的温度线性范围，用于在控制均匀性校正精度的同时降低数据寻找难度，DN值低端图像IL的直方图峰值应在BL的灰度均值±20％之间；同理，DN值高端图像IH的直方图峰值应在BH灰度均值±20％之间。在上述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法中，所述第二步中，计算星上辐射校正系数方法如下：假定红外线阵探测器由n个探测像元组成，星上定标图像摆扫宽为W，对黑体成像数据BH和BL；i＝1，2，…，n其中，BL(i，j)表示BL第i个探元第j列的DN值，绝对定标系数的两点法：其中，LeT为黑体温度，即绝对温度为T时的入瞳等效光谱辐亮度；L(λ，T)为黑体温度为T时的光谱辐亮度；R(λ)为红外相机的相对光谱响应；ε为黑体发射率；r(λ)为光学系统效率；λ1、λ2是起始和截止波长；ΔDNi为变温修正量，卫星发射前可测定ΔDNi与温度T的关系。在上述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法中，所述第三步中，一次校正及数据叠加方法如下：设DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH包含m扫数据，对每一扫数据：s＝1，2，…，m按扫进行叠加，形成统计上均匀的数据块：在上述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法中，所述第四步中，DN值数据和辐亮度数据的均匀性修正系数计算方法如下：DN值数据均匀性修正系数满足：i＝1，2，…，n同理，辐亮度数据的均匀性修正系数满足：在上述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法中，所述第五步中，均匀景物的原始图像G生成DN值产品DNG和辐亮度LeG的方法如下：按第二步所述方法计算图像G对应轨的星上相对辐射校正系数K′Ri、C′Ri和绝对辐射校正系数K′Ai、C′Ai及ΔDN′Ai；DN值产品DNG的校正系数KRFi、CRFi满足：辐亮度产品LeG的校正系数KAFi、CAFi和ΔDNAi满足：最后，根据第三步所述方法得到DN值产品DNG、辐亮度产品LeG。在上述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法中，所述第六步中，检验DN值产品DNG、辐亮度LeG均匀性精度的方法如下：截取DNG中任意大小均匀的图像子块SUBDNG，计算图像子块SUBDNG的最大值DNmax、最小值DNmin以及均值DNmean，表示DNG的均匀性水平；同理表示辐亮度产品LeG的均匀性水本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，从相同成像条件下获取的图像中选择符合修正用的DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH；第二步，根据星上高端温度TH和低端温度TL以及对应温度下的黑体成像数据BH和BL，按两点法计算对应的星上相对辐射校正系数KRi、CRi和绝对辐射校正系数KAi、CAi、ΔDNAi，若DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH同轨，则共用一组系数，否则需计算各自对应的系数；第三步，利用星上定标系数，对DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH进行一次校正，得到DN值图像ILDN和IHDN，按单扫的像元个数n及摆扫方向分别对DN值图像ILDN和IHDN进行叠加，形成景内统计数据块ILMDN和IHMDN；同理得到一次校正辐亮度图像ILLe和IHLe，并得到叠加数据块ILMLe和IHMLe；第四步，对叠加数据块ILMLe和IHMLe分别按两点法计算DN值数据的均匀性修正系数及辐亮度数据的均匀性修正系数第五步，对典型温度下获取的包含均匀景物的原始图像G，计算对应轨的星上相对辐射校正系数K′Ri、C′Ri和绝对辐射校正系数K′Ai、C′Ai及ΔDN′Ai；利用DN值数据的均匀性修正系数及辐亮度数据的均匀性修正系数计算最终用于DN值产品DNG的校正系数KRFi、CRFi和辐亮度产品LeG的校正系数KAFi、CAFi和ΔDHAFi，并生成相应的产品；第六步，对DN值产品DNG和辐亮度产品LeG进行均匀性检验，若不满足要求，则重新回到第一步并选择其他图像生成修正系数；第七步，若摆扫相机正反扫均成像，则第三步至第六步需按扫的方向独立计算。...

【技术特征摘要】
1.一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，其特征在于，包括如下步骤：第一步，从相同成像条件下获取的图像中选择符合修正用的DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH；第二步，根据星上高端温度TH和低端温度TL以及对应温度下的黑体成像数据BH和BL，按两点法计算对应的星上相对辐射校正系数KRi、CRi和绝对辐射校正系数KAi、CAi、ΔDNAi，若DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH同轨，则共用一组系数，否则需计算各自对应的系数；第三步，利用星上定标系数，对DN值低端原始图像IL和DN值高端原始图像IH进行一次校正，得到DN值图像ILDN和IHDN，按单扫的像元个数n及摆扫方向分别对DN值图像ILDN和IHDN进行叠加，形成景内统计数据块ILMDN和IHMDN；同理得到一次校正辐亮度图像ILLe和IHLe，并得到叠加数据块ILMLe和IHMLe；第四步，对叠加数据块ILMLe和IHMLe分别按两点法计算DN值数据的均匀性修正系数及辐亮度数据的均匀性修正系数第五步，对典型温度下获取的包含均匀景物的原始图像G，计算对应轨的星上相对辐射校正系数K′Ri、C′Ri和绝对辐射校正系数K′Ai、C′Ai及ΔDN′Ai；利用DN值数据的均匀性修正系数及辐亮度数据的均匀性修正系数计算最终用于DN值产品DNG的校正系数KRFi、CRFi和辐亮度产品LeG的校正系数KAFi、CAFi和ΔDHAFi，并生成相应的产品；第六步，对DN值产品DNG和辐亮度产品LeG进行均匀性检验，若不满足要求，则重新回到第一步并选择其他图像生成修正系数；第七步，若摆扫相机正反扫均成像，则第三步至第六步需按扫的方向独立计算。2.根据权利要求1所述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，其特征在于：所述第一步中，符合修正用的DN值低端图像IL和DN值高端图像IH挑选原则如下：星上定标黑体的高端温度TH和低端温度TL为红外相机设计的温度线性范围，用于在控制均匀性校正精度的同时降低数据寻找难度，DN值低端图像IL的直方图峰值应在BL的灰度均值±20％之间；同理，DN值高端图像IH的直方图峰值应在BH灰度均值±20％之间。3.根据权利要求1所述的一种红外摆扫相机在轨图像均匀性校正方法，其特征在于：所述第二步中，计算星上辐射校正系数方法如下：假定红外线阵探测器由n个探测像元组成，星上定标图像摆扫宽为W，对黑体成像数据BH和BL；DN‾l=KRi·BL(i)‾+CRi,DN‾h=KRi·BH(i)‾+CRi]]>DN‾l=1n·WΣi=1nΣj=1WBL(i,j),BL(i)‾=1WΣj=1WBL(i,j)]]>DN‾h=1n·WΣi=1nΣj=1WBH(i,j),BH(i)‾=1WΣj=1WBH(i,j)]]>i＝1，2，…，n其中，BL(i，j)表示BL第i个探元第j列的DN值，绝对定标系数的两点法：BL(i)‾=KAi·LeTL+CAi+ΔDNi]]>BH(i)‾=KAi·LeTH+CAi+ΔDNi]]>LeT=ϵ∫λ1λ2r(λ)L(λ,T)R(λ)dλ∫λ1λ2R(λ)dλ]]>其中，LeT为黑体温度，即绝对温度为T时的入瞳等效光谱辐亮度；L(λ，T)为黑体温度为T时的光谱辐亮度；R(λ)为红外相机的相对光谱响应；ε为黑体发射率；r(λ)为光学系统效率；λ1、λ2是起始...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹世翔，李岩，晋利宾，聂云松，何红艳，江澄，周楠，张炳先，李方琦，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11