基于航空ＴＤＩ－ＣＣＤ成像误差振动模型的图像恢复方法技术

本发明专利技术提供了一种基于航空ＴＤＩ－ＣＣＤ成像误差振动模型的图像恢复方法，该方法将振动频率分为低频振动和高频振动，不考虑超高频振动；将低频振动认为是随机振动，建立低频振动模型；基于低频振动模型，将低频振动分解为Ｘ、Ｙ、Ｚ这三个方向的位移，建立Ｘ、Ｙ、Ｚ方向上的位移表达式；将高频振动认为是以设定方向上一设定频率的简谐振动，建立高频振动模型；在进行软件图像恢复时，在各方向上采用不同的图像恢复算法，分别校正各方向因低频振动造成的位移变化产生的成像误差。该方法可以更合理地模拟航空成像的实际情况，利用本发明专利技术建立的模型可以提高ＴＤＩ－ＣＣＤ图像恢复的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空TDI-C⑶成像误差补偿技术，具体涉及基于对低空飞行器 TDI-CCD成像振动状态的分析和对由振动引起的TDI-CCD成像姿态变化的分析下的成像误 差模型建立方法，以及利用所建模型的图像恢复方法。本方法用于在光机和电子补偿后， TDI-CCD拍摄图像的算法补偿过程，以获得更高精度的成像效果。
技术介绍
通常，航空飞行器上承载的时间延迟积分电荷耦合器件(TDI-C⑶)成像装置会采 用光机补偿、电子补偿和软件补偿三种补偿方式，对成像进行补偿。其中，光机补偿、电子补 偿的方式固然有效，但由于系统构建的复杂度和成本问题、时间反应的灵敏度等因素，这两 种补偿方式的补偿精度具有一定的局限性。软件补偿可以用于拍摄后的图像恢复，但如果不结合TDI-C⑶成像的环境和特 点，通用的方式也只能在一定程度上补偿成像误差，图像的恢复效果不易达到更理想的状 态。因此，正确分析TDI-C⑶的成像误差状态，获得可以正确反映TDI-C⑶成像时的调制传 递函数(MTF)，对于提高基于软件补偿的图像恢复精度具有十分重大的意义。那么，对于已经生成的图像，软件补偿最应该考虑的是哪些方面的成像误差呢？ 难以用硬件补偿修正的误差是需要考虑的因素。经分析发现振动和无法弥补的前向像移 弓I起的成像误差，才是真正应该由软件方式补偿的方面。低空TDI-C⑶成像时，成像误差主要发生在下面两个方面前向像移和成像姿态 的变化。前向像移是景物在TDI-CCD积分方向上的像移速率与数据向外传递的速率不同步 造成的。目前的文献中，针对TDI-C⑶成像过程中的前向像移造成的成像误差描述已经十 分成熟，补偿方面也具备了很丰富的算法；关于成像姿态的变化带来的成像误差的描述，主 要集中在星载TDI-C⑶成像方面，对于航空环境下成像的全面分析比较少。实际上，航空条件下，TDI-C⑶成像时的姿态是会随着当时所处的环境而变化的。 当姿态发生了变化，不仅前向像移参数，一些其它方向的位移量也一定会受到相应的影响。 所以，除了前向像移的成像不同步问题，再考虑成像姿态的变化带来的各个方向的位移误 差，才有可能比较真实地描述当时的成像状态。然而，目前成像的软件补偿方法没有将大气环境的描述与成像姿态的变化建立联 系，因此不能真实地描述成像状态，使得成像恢复精度难以提高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于航空TDI-C⑶成像误差振动模型的图像恢复方法，该方法 综合考虑了环境引起的振动状态与成像姿态之间的关系，认为低频振动是成像姿态变化的 原因，并将低频振动和成像姿态的变化关联起来，从而合理地勾画出振动状态下的TDI-CCD 成像误差描述公式，利用该成像误差描述公式恢复图像可以提高成像恢复精度。该方法包括以下步骤将环境振动频率分为低频振动和高频振动，不考虑超高频振动；将低频振动认为是随机振动，由此建立低频振动模型；基于低频振动模型，将低频振动分解为X、Y、Z这三个方向的位移，分别建立X、Y、 Z方向上的位移表达式；其中，方向X为CCD积分方向，方向Y垂直于CCD积分方向，方向Z 垂直于(XD成像平面；在进行软件恢复时，在TDI-C⑶成像瞬间，根据X、Y、Z方向上的位移表达式计算各 方向的位移量，根据各方向上的位移量大小，选择X、Y、Z方向中的一个或多个方向对应的 恢复算法，通过将相应方向上的位移表达式代入选定的恢复算法，对采集图像进行低频振 动误差补偿；根据低频振动误差补偿后的图像，确定高频振动的方向和频率，将高频振动认为是所确定方向和频率上的简谐振动，用零阶一类贝塞尔函数对图像进行高频振动误差补 m其中，将振动频率分为低频振动和高频振动为设te是TDI-CCD的积分周期，T是振动周期；当^ < ^时为低频振动，当i < ^《3 时为高频振动；当3时为超高频振动。其中，所述基于低频振动模型，将低频振动分解为X、Y、Z这三个方向的位移，为X方向的位移量为 Y 方向的位移量为: ； Z方向的位移量为 其中，N是TDI-C⑶的积分级数，dn表示基于TDI-C⑶的积分级数积分；x，y是各 像素点的空域坐标值，K为一选定的常数；e _ = K o ； e _是e的最大值，根据随机模 型的特点，e =、= 9y= ep，、，ey，ep分别为飞行器的横滚角、偏航角和俯仰角。其中，对于X方向，选取X方向的恢复函数为 其中，u，v是图像各像素点在频域内的位置坐标值，Slow_x为根据低频振动模型分 解得到的X方向的位移表达式；当X方向的位移量大于或等于1/3个像素点的大小时，使用该X方向的恢复函数 恢复图像；否则，不进行X方向的图像恢复；其中，对于Y方向，Slow Y为根据低频振动模型分解得到的Y方向的位移表达式；当 Y方向的位移量大于4个像素点，则使用Y方向的恢复函数Y = Y0-S1ow_y恢复图像；否则，不 进行Y方向图像恢复；其中，I表示像素点的原坐标。由以上所述可以看出，本专利技术与现有技术相比的优点在于1)本专利技术在考虑振动的时候，根据振动频率的特点，划分了低频、高频和超高频振动区域，利于对不同的振动区域选择不同的成像误差模型。确立了 TDI-CCD成像过程中的 高频振动、低频振动和超高频振动的频率分类标准。这个标准有利于十分清晰地分解振动 频率的范围，从而基于低频和高频振动对成像的不同影响效果，选择不同的恢复模型作用 于图像的恢复过程2)本专利技术将低频振动作为TDI-CCD运动姿态变化的主要原因，对于低频振动，不 考虑某个具体的振动频率，而是按照具有高斯白噪声特点的随机振动进行处理。因此，认为 飞行器姿态变化的角度具有高斯随机分布的特点，振动的幅度与ο值相关，从而减少了模 型描述的变量，降低了模型复杂程度。 3)本专利技术考虑到不同方向的位移会造成不同的成像误差效果，在低频振动模型与 TDI-CCD成像姿态之间建立了直接的联系。所以，将低频振动分解成三个方向的位移，对于 低频振动造成的不同方向的成像误差，分别使用不同的误差描述方法进行恢复，从而提高 了图像恢复精度。附图说明图1为本专利技术的一种高精度航空TDI-C⑶成像误差振动模型分析的方法原理图；图2(a)本专利技术中有关偏航角状态下位移速度在X、Y、Z三个方向的分解示意图。图2 (b)为本专利技术中有关俯仰角状态下位移速度在X、Y、Z三个方向的分解示意图。图2(c)本专利技术中有关横滚角状态下位移速度在Χ、Υ、Ζ三个方向的分解示意图。图3为本专利技术基于航空TDI-C⑶成像误差振动模型的图像恢复方法的流程图。图4为本专利技术中有关偏航角、俯仰角、横滚角状态时的各方向位移速度振动模量 之间的关系示意图。具体实施例方式下面将结合附图对本专利技术进一步详细说明。该专利技术是针对存在光机补偿和电子补偿的航空TDI-CCD成像系统进行图像效果 的软件补偿而设计的。航空TDI-C⑶的成像姿态是会随着当时所处的环境而变化的。当成像姿态发生了 变化，成像误差也会随之发生。在已经具备光机补偿和电子补偿的TDI-C⑶成像系统中，造 成成像姿态改变的主要因素是振动。振动可以分为低频振动、高频振动和超高频振动。低频振动是飞行器在低空飞行 时大气湍流引起的振幅相对较大的振动，低频振动形式对成像姿态的影响最为明显。高频 振动是频率高和振幅小的振动形式，高频振动因为它的特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于航空ＴＤＩ－ＣＣＤ成像误差振动模型的图像恢复方法，其特征在于包括了以下步骤：将环境振动频率分为低频振动和高频振动，不考虑超高频振动；将低频振动认为是随机振动，由此建立低频振动模型；基于低频振动模型，将低频振动分解为Ｘ、Ｙ、Ｚ这三个方向的位移，分别建立Ｘ、Ｙ、Ｚ方向上的位移表达式；其中，方向Ｘ为ＣＣＤ积分方向，方向Ｙ垂直于ＣＣＤ积分方向，方向Ｚ垂直于ＣＣＤ成像平面；在进行软件恢复时，在ＴＤＩ－ＣＣＤ成像瞬间，根据Ｘ、Ｙ、Ｚ方向上的位移表达式计算各方向的位移量，根据各方向上的位移量大小，选择Ｘ、Ｙ、Ｚ方向中的一个或多个方向对应的恢复算法，通过将相应方向上的位移表达式代入选定的恢复算法，对采集图像进行低频振动误差补偿；根据低频振动误差补偿后的图像，确定高频振动的方向和频率，将高频振动认为是所确定方向和频率上的简谐振动，用代表简谐振动的零阶一类贝塞尔函数对图像进行高频振动误差补偿。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许廷发，梁炯，石明珠，冯亮，倪国强，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]