視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)方法及系統(tǒng)與流程

本發(fā)明涉及視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)方法，特別是關(guān)于不依賴地面定標(biāo)場(chǎng)以及特殊均勻地物(如南北極密集云層、沙漠、海洋、雪等特殊均勻景物)的一種視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國航天技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，已形成資源、氣象、海洋、環(huán)境、國防系列等構(gòu)成的對(duì)地觀測(cè)遙感衛(wèi)星體系。特別是在“高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)”國家科技重大專項(xiàng)建設(shè)的推動(dòng)下，通過在平臺(tái)傳感器研制、多星組網(wǎng)、地面數(shù)據(jù)處理等方面的創(chuàng)新，我國遙感衛(wèi)星的空間分辨率、時(shí)間分辨率、數(shù)據(jù)質(zhì)量大幅提升，為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)、資源環(huán)境、公共安全等重要領(lǐng)域提供了信息服務(wù)和決策支持。隨著遙感應(yīng)用的深入，應(yīng)用需求已從定期的靜態(tài)普查向?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方向發(fā)展，利用衛(wèi)星對(duì)全球熱點(diǎn)區(qū)域和目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，獲取動(dòng)態(tài)信息已經(jīng)成為迫切需求。由于視頻衛(wèi)星可獲得一定時(shí)間范圍內(nèi)目標(biāo)的時(shí)序影像，具備了對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的持續(xù)監(jiān)視能力，視頻衛(wèi)星成像技術(shù)已成為遙感衛(wèi)星發(fā)展的一大熱點(diǎn)。

衛(wèi)星在發(fā)射過程受發(fā)射震動(dòng)的影響，以及衛(wèi)星在軌運(yùn)行后溫?zé)?、空間環(huán)境等物理環(huán)境劇烈變化，使衛(wèi)星傳感器響應(yīng)狀態(tài)發(fā)生變化，直接降低衛(wèi)星成像質(zhì)量，同時(shí)導(dǎo)致視頻衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)結(jié)果無法長期在軌應(yīng)用。在軌相對(duì)輻射定標(biāo)是保障衛(wèi)星輻射質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，是衛(wèi)星在軌后地理處理系統(tǒng)中不可缺少的一環(huán)。視頻衛(wèi)星采用面陣陣列傳感器成像，相對(duì)傳統(tǒng)線陣推掃式成像衛(wèi)星，同樣算法很難應(yīng)用到面陣傳感器；另外，視頻衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤與軌跡確定等應(yīng)用對(duì)輻射定標(biāo)精度具有很高的要求。因此，研究視頻衛(wèi)星面陣傳感器的在軌輻射定標(biāo)技術(shù)，提升衛(wèi)星輻射質(zhì)量，對(duì)保障視頻衛(wèi)星在動(dòng)態(tài)觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用效果具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種適用于面陣傳感器的視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)方法及系統(tǒng)，所述的面陣傳感器為含采貝爾模板模式成像的面陣傳感器。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一、視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)方法，包括：

s1利用視頻衛(wèi)星平飛模式成像，獲取視頻多幀序列圖像；平飛模式成像即推掃模式成像，下文統(tǒng)稱平飛模式成像；

s2選擇視頻多幀序列圖像的中間幀作為基準(zhǔn)圖像，將視頻多幀序列圖像中除基準(zhǔn)圖像外的其他幀圖像記為其他圖像，將各其他圖像分別與基準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)，獲得同名點(diǎn)；根據(jù)同名點(diǎn)計(jì)算各其他圖像和基準(zhǔn)圖像的幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)；基于幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將各其他圖像重采樣至基準(zhǔn)圖像，獲得重采樣后的視頻多幀序列圖像；所述的幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)為平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)、尺度參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)；

s3基于重采樣后的視頻多幀序列圖像，采用公式估計(jì)真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像，其中，dntrue(n)表示真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像第n個(gè)像素的灰度估計(jì)值，所有像素的dntrue(n)值即整幅真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像的估計(jì)值dntrue；ai(n)表示對(duì)視頻第i幀第n個(gè)像素成像的探元序號(hào)；dni(ai(n))表示第ai(n)個(gè)探元記錄的視頻第i幀成像中第n個(gè)像素的數(shù)字量化值，該值從重采樣后的視頻多幀序列圖像獲得；n表示視頻多幀序列圖像中圖像幀數(shù)；

s4根據(jù)估計(jì)的真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像和步驟1獲得的視頻多幀序列圖像，解算視頻面陣傳感器的定標(biāo)參數(shù)；本步驟進(jìn)一步包括：

4.1構(gòu)建視頻面陣傳感器各探元的線性響應(yīng)模型，見式(1)：

dni(j)＝gain(j)*dntrue+offset(j)(1)

式(1)中，dni(j)表示視頻面陣傳感器第j個(gè)探元記錄的第i幀成像的數(shù)字量化值；gain(j)和offset(j)表示視頻面陣傳感器第j個(gè)探元的增益系數(shù)和偏置系數(shù)，即視頻面陣傳感器的定標(biāo)參數(shù)；

4.2根據(jù)步驟1獲得的視頻多幀序列圖像分別構(gòu)建各探元的線性響應(yīng)模型方程組，通過最小二乘法求解線性響應(yīng)模型方程組，即獲得視頻面陣傳感器各探元的定標(biāo)參數(shù)；

s5采用公式完成各幀圖像的相對(duì)輻射校正，其中，dni(j)^cor表示第j個(gè)探元記錄的第i幀成像的數(shù)字量化值的相對(duì)輻射校正值。

進(jìn)一步的，視頻衛(wèi)星平飛模式為沿軌向和垂軌向平飛成像模式、沿軌向平飛垂軌向旋轉(zhuǎn)后平飛成像模式和無規(guī)律平飛成像模式中的任一種。

二、視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)系統(tǒng)，包括：

第一模塊，用來利用視頻衛(wèi)星平飛模式成像，獲取視頻多幀序列圖像；

第二模塊，用來選擇視頻多幀序列圖像的中間幀作為基準(zhǔn)圖像，將視頻多幀序列圖像中除基準(zhǔn)圖像外的其他幀圖像記為其他圖像，將各其他圖像分別與基準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)，獲得同名點(diǎn)；根據(jù)同名點(diǎn)計(jì)算各其他圖像和基準(zhǔn)圖像的幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)；基于幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將各其他圖像重采樣至基準(zhǔn)圖像，獲得重采樣后的視頻多幀序列圖像；所述的幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)為平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)、尺度參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)；

第三模塊，用來基于重采樣后的視頻多幀序列圖像，采用公式估計(jì)真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像，其中，dntrue(n)表示真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像第n個(gè)像素的灰度估計(jì)值，所有像素的dntrue(n)值即整幅真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像的估計(jì)值dntrue；ai(n)表示對(duì)視頻第i幀第n個(gè)像素成像的探元序號(hào)；dni(ai(n))表示第ai(n)個(gè)探元記錄的視頻第i幀成像中第n個(gè)像素的數(shù)字量化值；n表示視頻多幀序列圖像中圖像幀數(shù)；

第四模塊，用來根據(jù)估計(jì)的真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像和視頻多幀序列圖像獲取模塊獲得的視頻多幀序列圖像，解算視頻面陣傳感器的定標(biāo)參數(shù)；

所述的第四模塊進(jìn)一步包括：

線性響應(yīng)模型構(gòu)建模塊，用來構(gòu)建視頻面陣傳感器各探元的線性響應(yīng)模型，見式(1)：

dni(j)＝gain(j)*dntrue+offset(j)(1)

式(1)中，dni(j)表示視頻面陣傳感器第j個(gè)探元記錄的第i幀成像的數(shù)字量化值；gain(j)和offset(j)表示視頻面陣傳感器第j個(gè)探元的增益系數(shù)和偏置系數(shù)，即視頻面陣傳感器的定標(biāo)參數(shù)；

定標(biāo)參數(shù)解算模塊，用來根據(jù)視頻多幀序列圖像獲取模塊獲得的視頻多幀序列圖像分別構(gòu)建各探元的線性響應(yīng)模型方程組，通過最小二乘法求解線性響應(yīng)模型方程組，即獲得視頻面陣傳感器各探元的定標(biāo)參數(shù)；

第五模塊，用來采用公式完成各幀圖像的相對(duì)輻射校正，其中，dni(j)^cor表示第j個(gè)探元記錄的第i幀成像的數(shù)字量化值的相對(duì)輻射校正值。

和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)和有益效果：

(1)不依賴于地面特定均勻場(chǎng)地物，如南北極密集云層、沙漠、海洋、雪等特殊均勻景物。

(2)對(duì)地物類型無要求。

(3)不需要衛(wèi)星具備星上定標(biāo)處理能力。

(4)直接基于任意視頻幀序列圖像數(shù)據(jù)定標(biāo)，極大提高了視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)的頻次和便利性，降低視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)的成本。

(5)可直接對(duì)視頻衛(wèi)星面陣傳感器的bayer模板定標(biāo)，消除了不同bayer插值算法對(duì)相對(duì)輻射定標(biāo)精度的隨機(jī)性影響，提高了相對(duì)輻射定標(biāo)算法的精度。

(6)可廣泛應(yīng)用于視頻衛(wèi)星面陣傳感器的在軌相對(duì)輻射定標(biāo)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的具體流程圖；

圖2是視頻衛(wèi)星沿軌向平飛推掃模式成像示意圖，其中，圖(a)為視頻衛(wèi)星在位置1時(shí)沿軌向平飛推掃成像示意圖，圖(b)為視頻衛(wèi)星在位置2時(shí)沿軌向平飛推掃成像示意圖；

圖3是視頻衛(wèi)星沿軌向平飛推掃成像示例圖，其中，圖(a)～(g)分別為不同幀成像示例圖；

圖4是視頻衛(wèi)星沿軌向平飛垂軌向旋轉(zhuǎn)后平飛推掃模式成像示意圖，其中，圖(a)為視頻衛(wèi)星沿軌向平飛推掃成像示意，圖(b)為視頻衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)90度后平飛推掃成像示意圖；

圖5是視頻衛(wèi)星沿軌向平飛垂軌向旋轉(zhuǎn)后平飛推掃成像示例圖，圖(a)為視頻衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)前推掃成像某一幀示例圖，圖(b)為為視頻衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)后推掃成像某一幀示例圖；

圖6是視頻衛(wèi)星無規(guī)律平飛模式成像示意圖；

圖7是視頻衛(wèi)星無規(guī)律平飛模式成像示例圖，其中，圖(a)和(b)為無規(guī)律平飛模式成像的相鄰兩幀示例圖；

圖8是某一視頻衛(wèi)星的bayer模板示意圖。

具體實(shí)施方式

視頻衛(wèi)星發(fā)射后，由于所受空間的環(huán)境變化，如溫度變化、物理震動(dòng)等，以及衛(wèi)星傳感器探元本身衰減，導(dǎo)致衛(wèi)星傳感器探元響應(yīng)發(fā)生變化，造成衛(wèi)星發(fā)射前的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)無法使用，必須進(jìn)行在軌相對(duì)輻射定標(biāo)。本發(fā)明利用視頻衛(wèi)星平飛成像模式(亦稱推掃成像模式)成像，獲取視頻多幀序列圖像。采用高精度配準(zhǔn)法獲取幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，利用幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)估計(jì)真實(shí)地物圖像，以視頻多幀序列圖像和估計(jì)的真實(shí)地物圖像，基于最小二乘原理解求視頻面陣傳感器各探元的相對(duì)定標(biāo)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)。

下面結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，具體包括以下步驟：

步驟1，利用視頻衛(wèi)星平飛模式成像，獲取視頻多幀序列圖像。

視頻衛(wèi)星在軌相對(duì)輻射定標(biāo)時(shí)，采用平飛模式成像，獲取用于定標(biāo)的視頻多幀序列圖像。視頻衛(wèi)星平飛模式包括沿軌向和垂軌向平飛成像模式(記為模式(1))、沿軌向平飛垂軌向旋轉(zhuǎn)后平飛成像模式(記為模式(2)和無規(guī)律平飛成像模式(記為模式(3)。本發(fā)明進(jìn)行在軌相對(duì)輻射定標(biāo)時(shí)，可采用上述三種模式中的任意一種進(jìn)行成像。

各模式詳細(xì)成像原理如下：

(1)沿軌向和垂軌向平飛成像模式

視頻衛(wèi)星按沿軌向和垂軌向分別平飛穩(wěn)定拍攝任意區(qū)域，在沿軌向平飛推掃時(shí)，沿軌向探元陣列依次經(jīng)過同一地物，在垂軌向平飛推掃時(shí)，垂軌向探元陣列依次經(jīng)過同一地物。見圖2～3，圖中，上方的帶直線的網(wǎng)格表示面陣傳感器的焦面，其中每一小格表示傳感器焦面一個(gè)成像探元，數(shù)字表示探元編號(hào)；下方的網(wǎng)格表示地物示例，一格代表一個(gè)地物。圖8所示為某一視頻衛(wèi)星的面陣傳感器焦面排列，該面陣傳感器具備4096*3072個(gè)探元，每一網(wǎng)格代表一個(gè)探元。

(2)沿軌向平飛垂軌向旋轉(zhuǎn)后平飛成像模式

視頻衛(wèi)星沿軌向平飛推掃成像，視頻面陣探元完全覆蓋同一地物后旋轉(zhuǎn)90°平飛推掃成像同一區(qū)域，見圖4～5。該模式同樣確保了視頻面陣所有探元對(duì)同一地物成像，同時(shí)也是模式(1)的一種特殊模式。

(3)無規(guī)律平飛成像模式

視頻衛(wèi)星可任意平飛成像，此時(shí)視頻面陣多數(shù)探元會(huì)對(duì)同一地物成像，但不能保證所有探元對(duì)同一地物成像，見圖6～7。

模式(1)和模式(2)通過衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)使得視頻面陣傳感器探元短時(shí)間內(nèi)對(duì)同一地物先后成像，為視頻面陣傳感器提供一個(gè)超高精度相對(duì)輻射定標(biāo)基準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)視頻面陣傳感器高精度相對(duì)輻射定標(biāo)。模式(1)和模式(2)要求衛(wèi)星平飛運(yùn)動(dòng)成像過程中具備較高穩(wěn)定性，確保平飛成像過程中衛(wèi)星抖動(dòng)不能超過1個(gè)像素。

模式(3)使得同一地物經(jīng)過視頻面陣傳感器的多次成像，加之視頻衛(wèi)星多幀成像特性，可估計(jì)出該區(qū)域真實(shí)地物圖像，以此為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)視頻面陣傳感器相對(duì)輻射定標(biāo)。模式(3)不要求所有探元必須經(jīng)過同一地物，降低了對(duì)衛(wèi)星機(jī)動(dòng)能力和穩(wěn)定性的要求，可高頻次對(duì)視頻衛(wèi)星進(jìn)行標(biāo)定。

步驟2，多幀圖像配準(zhǔn)，獲得幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

通過視頻多幀序列圖像高精度配準(zhǔn)獲取幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，具體為：

步驟2.1選擇視頻多幀序列圖像中一幀圖像為基準(zhǔn)圖像，將視頻多幀序列圖像中除基準(zhǔn)圖像外的其他幀圖像記為其他圖像，將各其他圖像分別與基準(zhǔn)圖像配準(zhǔn)，獲得同名點(diǎn)；根據(jù)同名點(diǎn)計(jì)算各其他圖像與基準(zhǔn)圖像的幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以為平移參數(shù)、旋轉(zhuǎn)參數(shù)和/或尺度參數(shù)。

步驟2.2，基于幀間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將各其他圖像重采樣至基準(zhǔn)圖像，獲得重采樣后的視頻多幀序列圖像。

步驟3，基于重采樣后的視頻多幀序列圖像，估計(jì)真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像。

本步驟進(jìn)一步包括子步驟：

步驟3.1，構(gòu)建視頻面陣傳感器探元的線性響應(yīng)模型：

視頻面陣傳感器探元對(duì)地物入瞳輻亮度響應(yīng)為線性響應(yīng)模型，即視頻面陣傳感器探元記錄數(shù)字量化值與地物入瞳輻亮度為線性關(guān)系。所構(gòu)建的線性響應(yīng)模型如下：

dni(j)＝gain(j)*li+offset(j)(1)

式(1)中：

dni(j)表示視頻面陣傳感器第j個(gè)探元記錄的第i幀成像的數(shù)字量化值，該值從重采樣后的視頻多幀序列圖像獲得；

gain(j)和offset(j)表示視頻面陣傳感器第j個(gè)探元的增益系數(shù)和偏置系數(shù)；

li表示視頻成像第i幀的地物入瞳輻亮度。步驟3.2，基于重采樣后的視頻多幀序列圖像，估計(jì)真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像。

視頻面陣傳感器探元對(duì)地物成像過程可理解為若干相互獨(dú)立隨機(jī)事件的發(fā)生過程，因此每個(gè)探元的增益系數(shù)和偏置系數(shù)相互獨(dú)立不相關(guān)，增益系數(shù)分布均值為1，偏置系數(shù)分布均值為0。根據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，結(jié)合式(1)可知，觀測(cè)值的真值為若干次獨(dú)立觀測(cè)的均值，即某一地物真實(shí)入瞳輻亮度為視頻面陣傳感器探元對(duì)該地物的若干次觀測(cè)的均值，見式(2)：

e{dni(j)}＝e{gain(j)*li+offset(j)}＝li(2)

式(2)中，e表示求取平均值。

視頻衛(wèi)星平飛模式成像時(shí)，使得多個(gè)獨(dú)立探元對(duì)同一地物進(jìn)行多次觀測(cè)，此時(shí)真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像估計(jì)可以用簡單的均值估計(jì)代替，見式(3))：

式(3)中：

dni(ai(n))表示第ai(n)個(gè)探元記錄的重采樣后視頻第i幀成像中第n個(gè)像素的數(shù)字量化值；ai(n)表示視頻第i幀上對(duì)第n個(gè)像素成像的探元序號(hào)，此處重采樣后視頻幀n≠ai(n)；

n表示視頻多幀序列圖像中圖像幀數(shù)；

m表示視頻面陣傳感器的探元數(shù)；

dntrue(n)表示真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像第n個(gè)像素的灰度估計(jì)值。

采用式(3)計(jì)算所有像素的dntrue(n)值，即可獲得整幅真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像的估計(jì)值，記為dntrue。

步驟4，定標(biāo)參數(shù)解算。

基于估計(jì)的真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像和步驟1獲得的視頻多幀序列圖像，解算視頻面陣傳感器的定標(biāo)參數(shù)。本步驟進(jìn)一步包括：

步驟4.1，根據(jù)估計(jì)的真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像，修改視頻面陣傳感器各探元的線性響應(yīng)模型：

dni(j)＝gain(j)*dntrue+offset(j)(4)

式(4)中，dntrue表示真實(shí)地物入瞳輻亮度圖像估計(jì)值，由子步驟3.2獲得。

步驟4.2，對(duì)每個(gè)探元而言，根據(jù)步驟1獲得的視頻多幀序列圖像分別構(gòu)建各探元的線性響應(yīng)模型方程組，通過最小二乘法求解線性響應(yīng)模型方程組，即獲得視頻面陣傳感器各探元的定標(biāo)參數(shù)，即增益系數(shù)和偏置系數(shù)。根據(jù)不同應(yīng)用需求，也可將視頻面陣探元增益系數(shù)當(dāng)做1，只解求偏置定標(biāo)系數(shù)。

步驟5，視頻多幀序列圖像的相對(duì)輻射校正。

根據(jù)定標(biāo)后視頻衛(wèi)星面陣傳感器定標(biāo)參數(shù)，利用式(5)實(shí)現(xiàn)視頻單幀圖像的相對(duì)輻射校正：

式(5)中，dni(j)^cor表示第j個(gè)探元記錄的第i幀成像的數(shù)字量化值的相對(duì)輻射校正值。