一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法技术

本发明专利技术涉及图像处理技术领域，更具体地，涉及一种针对静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计方法。本发明专利技术提供了一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，包括：（1）杂散光估计模型，进行区域划分；（2）采用Householder变换解最小二乘问题，实现基函数系数稳定求解；（3）杂散光估计使用Zernike多项式表征，充分利用了杂散光的分布特征。通过区域划分，获得了求解系数的数据源；采用低阶Zernike多项式，结合Householder变换，可实现杂散光稳健估计；对高斯噪声不敏感，因此，适合静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法
本专利技术涉及图像处理
，更具体地，涉及一种针对静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计方法。
技术介绍
杂散光，也称为杂光，是指光学系统中除了目标光线外，进入探测器的非成像视场外光线。杂光轻者，使得系统的信噪比降低，传递函数下降，对扩展目标成像模糊，对比度下降，从而影响整个系统的探测或识别能力；重者，目标信号完全湮没在杂光背景中，系统无法提取目标，甚至因像面杂光分布不均匀，在系统探测器上形成虚假信号，导致系统探测到伪目标。空间光电系统特别是对地观测的空间红外光学系统，工作在有太阳强烈辐射源的恶劣环境中，极易受杂散光干扰。另一方面，随着空间光学技术的以及类光电探测器件技术的飞跃发展，各种大孔径长焦距、衍射极限光学系统问世，高灵敏度、低探测阈值的探测器也越来越多，杂光研究已远落后于光学系统和探测器的发展，特别是对定量化要求高的静止轨道气象卫星，杂散光问题成为光学系统设计水平进一步提高的“瓶颈”。因此，杂散光分析和研究已经成为空间光学工程中的关键技术之一。欧联的静止轨道气象卫星，地面系统在资料预处理时，采用交叉定标技术来增强探测数据的定量化使用；此外，通过对资料的质量控制来避免受干扰的区域对分析结果产生影响。MSG-1的成像仪，采用了摆镜扫描和三反射的主光路，能够明显抑制各种杂散光的进入，但同样也不能完全消除杂散光的影响，为此，在MSG1.5级的图像格式中，出现了杂散光补偿特性段，在其中填充一个依赖于幅度的校正因子。日本已退役的GMS-5曾建立辐射查找表来抑制杂散光对数据的影响，主要是通过与NOAA的AVHRR-2，进行多线性回归方法的反演，利用交叉定标和误差补偿，将原始图像中的错误信息去除。在对MTSAT-2成像仪的午夜杂散光的研究中，结合空间几何学关系和辐射传输方程建立了对该类型杂散光的校正算法，并利用GOES资料进行了验证（SeiichiroKIGAWA，Straylightcorrectionforimager[C]，MeteorologicalSatelliteCenter(Japan)TechnicalNote，Mar.2003，No.42:1-18）。我国风云二号卫星，也进行了抑制“午夜太阳光”引起的杂波图像处理工作，提出了基于高阶统计特征的FY2气象卫星全视场杂散光估计方法（郭强，许建民，张文建.基于高阶统计特征的FY-2气象卫星全视场杂散光估计[J].光学技术，2004，30(6):748-752.）和基于模板的图像杂散光消除方法（原育凯，李欣耀，裴云天，栾炳辉.模板方法消除FY-2辐射计可见杂散光[J].光子学报.2007(08)）：1)在分析杂散光成因的基础上，对折镜直接反射形成杂散光的物理过程进行了建模，提取了特定区域目标的高阶统计特征，通过对地球圆盘外区域杂散光特征的学习，得出了系统杂散光作用矩阵的总体最小二乘解，并将其推广到地球圆盘区域内，得到了在该模型下对全视场杂散光的有效估计；2)根据可见直射杂散光的机理，建立了定量化的杂散光模板，然后从图像恢复的角度、依据图像降质的模型，对叠加到可见光通道云图上的直射杂散光，进行了模拟和消除的操作。这些工作开创了地面处理系统消除杂散光的局面，但进行业务运行还需要努力，国家卫星气象中心的许健民院士指出杂散光是影响风云二号气象卫星辐射定量精度的主要因素，“这些问题不解决，卫星数据的定量应用水平是提不上去的”（许健民，杨军，张志清，孙安来.我国气象卫星的发展与应用[J].气象，2010，36(7)：94-100）。总之，由于轨道的特点，地球静止轨道对地观测相机面临“午夜太阳光”难题，各个国家都从相机的设计上进行了改进，在地面处理系统上进行了弥补和校正，但由于问题的复杂性，目前减少影响的时间有限，依然存在观测漏洞和性能下降问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中杂散光估计方法的不足，提供一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，实现从静止轨道对地遥感光学图像中估计出杂散光，用于杂散光抑制。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：本专利技术提供了一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，包括：（1）杂散光估计模型，进行区域划分；（2）采用Householder变换解最小二乘问题，实现基函数系数稳定求解；（3）杂散光估计使用Zernike多项式表征，充分利用了杂散光的分布特征。本专利技术的有益效果是：通过区域划分，获得了求解系数的数据源；采用低阶Zernike多项式，结合Householder变换，可实现杂散光稳健估计；对高斯噪声不敏感，因此，适合静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计。附图说明图1为本专利技术的杂散光估计模型示意图；图2为本专利技术的区域划分示意图；图3为本专利技术的杂散光仿真杂散光图像；图4为本专利技术的叠加高斯噪声的仿真杂散光图像；图5为本专利技术的杂散光估值图像。具体实施方式下面结合附图及实例对本专利技术做详细说明，一种天基光学空间碎片监视图像中高速运动拖尾仿真方法，步骤如下：1.建立杂散光估计模型对于午夜杂散光在全视场（区域图像上的幅度分布用基函数表征，视场内圆盘外的杂散光主要来源于午夜太阳光，少部分来源于地气系统和光电仪器自身，利用这个特点，可以用圆盘（区域）图外（区域和区域）的杂散光的数据求解基函数参数，再根据求出的参数，按基函数求解每一像素的杂散光幅值，与原图像对应像素相减，获得杂散光校正后的图像(1)其中，函数括号内冒号前表示变量，冒号后表示作用区域（下同）；为杂散光抑制后输出；为杂散光估计；为像素在像平面中的坐标参数化：（2）其中，为待求参数；为基函数，假定已较准确获得，根据上式，对应的杂散光估计为（3）估计误差：（4）使用最小二乘法，（5）从而求得，通过（2）式可以估计全视场（区域Ω）杂散光，通过（1）式获得杂散光校正后的图像；2.基函数系数稳定求解方程组（4）待求参数的求解是一个一般的超定方程组求解问题，不存在满足所有方程式的准确解，只能求它的近似解（最小二乘解）：(6)其中，为的系数矩阵，当为超定方程组，不存在精确解，此时用最小二乘准则来求解未知数，即为求解最小二乘问题的法方程组(正则方程组)：(7)求解此方程组即可得到，但方程组（6）一般为病态方程组：观测数据的微小扰动会带来最小二乘解的巨大变化，而观测数据不可避免会存在观测误差，从而使参数的求解过程发散，因此，必须对方程组（6）的病态性及克服方法进行深入研究，病态性是不适定问题的一种，不适定问题的一般定义为：“解不连续依赖于数据”，它不满足下述三个条件中的任何一个：一是解存在；二是解唯一；三是解稳定，不满足条件三，则称问题是病态的，例如，法矩阵条件数很大，法矩阵的求逆会出现不稳定，观测值的微小扰动会本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，其特征在于具体步骤为：/n（1）建立杂散光估计模型，进行区域划分；/n（2）采用Householder变换解最小二乘问题，实现基函数系数稳定求解；/n（3）杂散光估计使用Zernike多项式表征，充分利用了杂散光的分布特征。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，其特征在于具体步骤为：
（1）建立杂散光估计模型，进行区域划分；
（2）采用Householder变换解最小二乘问题，实现基函数系数稳定求解；
（3）杂散光估计使用Zernike多项式表征，充分利用了杂散光的分布特征。


2.根据权利要求1所述的一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，其特征在于，步骤（1）所述的建立杂散光估计模型的建立方法为：对于午夜杂散光在全视场（区域Ω）图像上的幅度分布用基函数表征，用圆盘（区域Ω0）图外（区域Ω1和区域Ω2）的杂散光的数据求解基函数参数，再根据求出的参数，按基函数求解每一像素的杂散光幅值，与原图像对应像素相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王成良，易丽君，欧阳琰，黄晓斌，邵银波，朱勇，张松芝，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军预警学院，
类型：发明
国别省市：湖北;42