本發(fā)明涉及視頻衛(wèi)星在軌相對輻射定標方法，特別是關(guān)于采用bayer模板成像模式的視頻衛(wèi)星面陣傳感器相機的在軌相對輻射定標方法。

背景技術(shù)：

經(jīng)過30多年的發(fā)展，我國航天技術(shù)取得了巨大進步，已形成資源、氣象、海洋、環(huán)境、國防系列等構(gòu)成的對地觀測遙感衛(wèi)星體系。特別是在“高分辨率對地觀測系統(tǒng)”國家科技重大專項建設(shè)的推動下，通過在平臺傳感器研制、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動態(tài)監(jiān)測方向發(fā)展，利用衛(wèi)星對全球熱點區(qū)域和目標進行持續(xù)監(jiān)測，獲取動態(tài)信息已經(jīng)成為迫切需求。由于視頻衛(wèi)星可獲得一定時間范圍內(nèi)目標的時序影像，具備了對運動目標的持續(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。

衛(wèi)星在發(fā)射過程受到應(yīng)力釋放的影響，在軌運行后溫?zé)岬任锢憝h(huán)境變化劇烈，這些因素都會使衛(wèi)星傳感器成像響應(yīng)狀態(tài)發(fā)生變化，直接降低成像圖像質(zhì)量。高精度在軌相對輻射定標是保障衛(wèi)星輻射圖像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。視頻衛(wèi)星一般采用面陣傳感器成像，相對傳統(tǒng)線陣推掃式衛(wèi)星，同樣算法很難達到線陣推掃式衛(wèi)星傳感器輻射定標精度；另外，視頻衛(wèi)星的動態(tài)目標跟蹤與軌跡確定等應(yīng)用對輻射定標精度具有很高的要求。因此，研究視頻衛(wèi)星面陣相機的輻射定標技術(shù)，解決視頻衛(wèi)星面陣傳感器探元響應(yīng)不一致性問題以及傳感器在軌響應(yīng)時變問題，提升衛(wèi)星圖像輻射質(zhì)量，實現(xiàn)視頻衛(wèi)星面陣傳感器在軌相對輻射定標，對保障視頻衛(wèi)星在動態(tài)觀測領(lǐng)域的應(yīng)用效果具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對視頻成像這一新型成像衛(wèi)星，提出基于多幀序列的在軌相對輻射定標方法及異常探元定位和補償方法，采用衛(wèi)星傳感器對深空成像或夜間海洋成像模式標定傳感器暗電流誤差，采用衛(wèi)星傳感器多幀序列對特殊地物成像，實現(xiàn)bayer面陣傳感器的高精度增益定標，同時基于增益標定系數(shù)提出bayer面陣傳感器異常探元定位及補償方法，實現(xiàn)視頻面陣傳感器異常探元的位置探測和補償處理。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種視頻衛(wèi)星面陣相機在軌相對輻射定標方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟1，利用衛(wèi)星發(fā)射前實驗室定標數(shù)據(jù)、衛(wèi)星在軌后對深空成像數(shù)據(jù)或夜間海洋成像多幀序列圖像數(shù)據(jù)，獲取暗電流定標數(shù)據(jù)，通過對暗電流數(shù)據(jù)各個探元進行灰度平均獲取傳感器各個探元暗電流定標結(jié)果，

其中，biasj為傳感器第j個探元暗電流定標系數(shù)，biasi,j為第i幀暗電流數(shù)據(jù)第j個探元灰度值，n為暗電流成像幀序列個數(shù)，threshold為暗電流剔除閾值；

步驟2，通過衛(wèi)星對特殊均勻場景區(qū)域成像獲取視頻多幀序列圖像數(shù)據(jù)，對視頻多幀序列圖像數(shù)據(jù)進行暗電流校正后，以傳感器單波段有效探元均值為相對輻射定標基準，實現(xiàn)傳感器各波段探元間響應(yīng)不一致性標定，具體實現(xiàn)過程如下，

步驟2.1，對多幀序列視頻圖像進行暗電流校正處理，對傳感器單一探元多幀圖像數(shù)據(jù)進行平均，

步驟2.2，獲取面陣探元相對輻射定標基準，

步驟2.3，獲取面陣傳感器各個探元增益系數(shù)，

步驟2.4，利用相對輻射定標后增益系數(shù)和暗電流定標系數(shù)，對視頻衛(wèi)星單幀圖像數(shù)據(jù)進行校正處理，

其中，n為單次相對輻射定標所用幀數(shù)，i為視頻幀序列圖像第i幀，j為視頻傳感器探元序號，detnums為視頻傳感器所有探元個數(shù)，dni,j為第i幀第j個探元的數(shù)字量化值，即傳感器第j個探元成像在圖像上體現(xiàn)的灰度值；biasj為傳感器第j個探元暗電流定標系數(shù)，為第j個探元暗電流校正后數(shù)字量化均值，為單次相對輻射定標基準，gainj為視頻傳感器第j個探元的增益系數(shù)，也是傳感器探元相對輻射定標系數(shù)，為視頻圖像第i幀第j個探元校正后數(shù)字量化值。

而且，還包括步驟3，通過對增益定標后的增益系數(shù)進行閾值分析，實現(xiàn)傳感器異常探元的定位，根據(jù)異常探元索引位置建立視頻衛(wèi)星面陣傳感器異常探元位置文件，在對視頻衛(wèi)星單幀圖像進行相對輻射校正處理時采用加權(quán)插值的方法實現(xiàn)異常探元補償處理。

而且，步驟3所述的異常探元補償處理，實現(xiàn)方式如下，

對bayer模板成像傳感器紅色波段和藍色波段處理方式如下，

當(dāng)異常探元位于第一列時，采用插值公式，

式中紅色波段m＝0，藍色波段m＝1；

當(dāng)異常探元位于第一行時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段n＝0，藍色波段n＝1；

當(dāng)異常探元位于最后一列時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段m＝m-2，藍色波段m＝m-1；

當(dāng)異常探元位于最后一行時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段n＝n-2，藍色波段n＝n-1；

當(dāng)異常探元位不在圖像邊緣時，按下式插值處理，

對bayer模板成像傳感器綠色波段按以下插值方式處理：

當(dāng)異常探元位于第一列時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位于第一行時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位于最后一列時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位于最后一行時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位不在圖像邊緣時，采用插值公式，

上述式中，n為影像行數(shù)，m為影像列數(shù)，(n,m)為視頻單幀圖像數(shù)字量化值索引下標，dnn,m為視頻單幀序列圖像第n行第m列圖像數(shù)字量化值。

當(dāng)異常探元位于視頻傳感器四個角點時，采用臨近的兩個或三個像素按距離加權(quán)插值；

當(dāng)存在兩個異常探元相鄰時，將上述插值公式根據(jù)距離進行加權(quán)處理；

當(dāng)存在三個以上異常探元相鄰，則不做處理。

而且，所述的有效探元是指除壞探元、高亮探元、死探元之外的探元。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是的優(yōu)點：

1、直接對bayer模板定標，消除了不同bayer插值算法對相對輻射定標精度的隨機性影響，提高了相對輻射定標精度。

2、采用對深空成像或夜間海洋成像的方式標定傳感器暗電流，解決了衛(wèi)星無星上定標設(shè)備時無法在軌對暗電流定標的問題。

3、利用視頻衛(wèi)星傳感器多幀序列對特殊地物成像，可實現(xiàn)高頻次的在軌相對輻射定標。

4、本發(fā)明針對視頻衛(wèi)星傳感器bayer模板成像模式，采用異常探元定位及補償方法，克服傳感器探元在軌多變無法實時補償異常探元的問題。

基于以上優(yōu)點，本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于視頻衛(wèi)星面陣相機的在軌相對輻射定標。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的流程圖。

圖2是本發(fā)明實施例中衛(wèi)星bayer模板示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步說明。

圖1為本發(fā)明實施例的流程圖，首先采用衛(wèi)星傳感器對深空成像或夜間海洋成像模式標定傳感器暗電流誤差，然后采用衛(wèi)星傳感器多幀序列對特殊地物成像，實現(xiàn)bayer面陣傳感器的高精度增益定標，最后基于增益標定系數(shù)利用bayer面陣傳感器對異常探元進行定位及補償，實現(xiàn)異常探元的位置探測和補償處理。

步驟1，暗電流定標：視頻衛(wèi)星發(fā)射后由于其所處空間環(huán)境的變化如溫度、物理震動等，以及傳感器探元本身響應(yīng)狀態(tài)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)射前實驗室定標系數(shù)無法使用，必須進行在軌相對輻射定標。本發(fā)明實施例中視頻衛(wèi)星暗電流標定采用衛(wèi)星對深空多幀成像或夜間海洋多幀成像的方式獲取暗電流定標數(shù)據(jù)(這里的多幀一般指幾十幀到幾百幀視頻單幀圖像)，通過對暗電流數(shù)據(jù)各個探元進行灰度平均獲取傳感器各個探元暗電流定標結(jié)果。實現(xiàn)方式如下：

利用衛(wèi)星發(fā)射前實驗室定標數(shù)據(jù)、衛(wèi)星在軌后對深空成像數(shù)據(jù)或夜間海洋成像多幀序列圖像數(shù)據(jù)，按下式標定傳感器各個探元暗電流：

其中，biasj為傳感器第j個探元暗電流定標系數(shù)；biasi,j為第i幀暗電流數(shù)據(jù)第j個探元灰度值；n為暗電流成像幀序列個數(shù)；threshold為暗電流剔除閾值，剔除閾值一般取5左右，具體實施時，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實際需要選取剔除閾值，以實現(xiàn)剔除粗差點的目的。根據(jù)式(1)，剔除粗差點可獲得各探元暗電流定標系數(shù)。

步驟2，增益標定：本發(fā)明通過衛(wèi)星對特殊均勻場景區(qū)域(如南北極深對流云，均勻海洋，雪，沙漠等特殊均勻地物場景)成像獲取視頻多幀序列圖像數(shù)據(jù)，對視頻多幀序列圖像數(shù)據(jù)進行暗電流校正后，以傳感器單波段有效探元(除異常探元外)均值為相對輻射定標基準，實現(xiàn)傳感器各波段探元間響應(yīng)不一致性標定。具體包括如下步驟：

步驟2.1，對多幀序列視頻圖像進行暗電流校正處理，對傳感器單一探元多幀圖像數(shù)據(jù)進行平均，如下式；

步驟2.2，基于下式獲取面陣探元相對輻射定標基準；

步驟2.3，根據(jù)下式獲取面陣傳感器各個探元增益系數(shù)；

其中，n為單次相對輻射定標所用幀數(shù)，i為視頻幀序列圖像第i幀，j為視頻傳感器探元序號，detnums為視頻傳感器所有探元個數(shù)，dni,j為第i幀第j個探元的數(shù)字量化值，即傳感器第j個探元成像在圖像上體現(xiàn)的灰度值；biasj為傳感器第j個探元暗電流定標系數(shù)，為第j個探元暗電流校正后數(shù)字量化均值，為單次相對輻射定標基準，gainj為視頻傳感器第j個探元的增益系數(shù)，亦即傳感器探元相對輻射定標系數(shù)。

需要注意的是，視頻衛(wèi)星采用bayer模板方式成像，即通過單一波段成像插值獲取其他兩個波段成像信息；由于不同的bayer插值算法獲得的圖像質(zhì)量不盡相同，因此，視頻衛(wèi)星相對輻射定標不能采用bayer插值之后的圖像進行定標，必須采用bayer模板對原始圖像進行定標。

步驟2.4，利用相對輻射定標后增益系數(shù)和暗電流定標系數(shù)，以下式對視頻衛(wèi)星單幀圖像數(shù)據(jù)進行校正處理；

式中，為視頻圖像第i幀第j個探元校正后數(shù)字量化值。

步驟3，傳感器異常探元定位及補償：通過對增益定標后的增益系數(shù)進行閾值分析，實現(xiàn)傳感器異常探元的定位，根據(jù)異常探元索引位置建立視頻衛(wèi)星面陣傳感器異常探元位置文件，在對視頻衛(wèi)星單幀圖像進行相對輻射校正處理時采用加權(quán)插值的方法實現(xiàn)異常探元補償處理，具體包括如下步驟：

步驟3.1，視頻衛(wèi)星傳感器由于在軌后空間環(huán)境的變化以及本身探元響應(yīng)衰減，引起視頻傳感器某些探元響應(yīng)異常，這些異常探元通常可分為三類：壞探元、高亮探元、死探元。壞探元的灰度響應(yīng)一般不為0，其灰度值相比其他探元正常響應(yīng)較低；高亮探元響應(yīng)度過高，無論入瞳輻亮度多大，其響應(yīng)總是過高或飽和，在圖像中體現(xiàn)為高亮；死探元無論入瞳輻亮度多大，該探元總是沒有響應(yīng)，其灰度值極低。

步驟3.2，通過視頻衛(wèi)星在軌相對輻射定標后的增益校正系數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，視頻面陣傳感器各探元的增益系數(shù)分布于1.0左右，但存在極少數(shù)探元增益系數(shù)過大或過小的情況，因此，本發(fā)明采用增益系數(shù)閾值分析的方法定位視頻傳感器異常探元及探元區(qū)塊。在增益系數(shù)閾值分析時，如果某個探元的增益系數(shù)大于閾值a，則判斷探元為死探元或壞探元；如果某個探元增益系數(shù)小于閾值b，則判斷探元為高亮探元，其中a>b，通常閾值a取1.5左右，b取0.5左右。如果探元的增益系數(shù)大于閾值a或小于閾值b，則該探元屬于異常探元，對該異常探元進行步驟3.3的定位處理和步驟3.4的補償處理。

步驟3.3，異常探元位置探測后建立傳感器異常探元位置索引文件，如下格式：

abnormaldetectorsnumbers

xy

xy

xy

…

文件中，abnormaldetectorsnumbers為傳感器異常探元個數(shù)；(x，y)為異常探元在傳感器中的索引位置(下標從0開始)。

步驟3.4，異常探元補償處理，具體實現(xiàn)方式如下：

如圖2所示，對bayer模板成像傳感器紅色波段和藍色波段按以下方式處理：

當(dāng)異常探元位于第一列時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段m＝0，藍色波段m＝1；

當(dāng)異常探元位于第一行時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段n＝0，藍色波段n＝1；

當(dāng)異常探元位于最后一列時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段m＝m-2，藍色波段m＝m-1；

當(dāng)異常探元位于最后一行時(單獨針對紅色波段或藍色波段而言，角點除外)，采用插值公式，

式中紅色波段n＝n-2，藍色波段n＝n-1；

當(dāng)異常探元位不在圖像邊緣時，按下式插值處理，

對bayer模板成像傳感器綠色波段按以下插值方式處理：

當(dāng)異常探元位于第一列時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位于第一行時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位于最后一列時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位于最后一行時(角點除外)，采用插值公式，

當(dāng)異常探元位不在圖像邊緣時，采用插值公式，

上述式中，n為影像行數(shù)，m為影像列數(shù)，(n,m)為視頻單幀圖像數(shù)字量化值索引下標(從0開始)，dnn,m為視頻單幀序列圖像第n行第m列圖像數(shù)字量化值。

當(dāng)異常探元位于視頻傳感器四個角點時，采用其臨近兩個或三個像素按距離加權(quán)插值。如圖2，左上角點為異常探元時，采用以下式插值處理，

如果存在兩個異常探元相鄰時(單獨針對每個波段而言)，將上述插值公式根據(jù)距離進行加權(quán)處理即可。如圖2中探元(1，2)和(2，3)均為異常探元時，則探元(1，2)(2，3)處插值算法如下式，

如果存在三個以上異常探元相鄰，則不做處理。

本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。