一種基于波前畸變與光軸抖動(dòng)測量信息的圖像質(zhì)量提升方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像恢復(fù)領(lǐng)域，涉及一種利用空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)測量信息 進(jìn)行綜合圖像質(zhì)量提升處理的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高分辨率成像技術(shù)在軍用、民用對(duì)地觀測領(lǐng)域中有著巨大需求，隨著成像指標(biāo)的 提升，成像質(zhì)量對(duì)成像過程中的各種擾動(dòng)因素也更加敏感。
[0003] 根據(jù)對(duì)成像質(zhì)量的影響機(jī)理，擾動(dòng)因素主要可分為兩類。一類是對(duì)應(yīng)引起光學(xué)系 統(tǒng)狀態(tài)變化的環(huán)境變化因素，如入軌過程中光學(xué)元件的瞬態(tài)移位或變形，在軌材料退化引 起的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緩慢變化等，這些因素都會(huì)引起成像光學(xué)系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)的變化，造成 波前畸變并直接導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。另一類是各種引起成像系統(tǒng)光軸指向抖動(dòng)的微振動(dòng)擾 動(dòng)因素，引起成像系統(tǒng)光軸指向的抖動(dòng)，使得積分時(shí)間內(nèi)景物在成像焦面上多次移動(dòng)，造成 圖像質(zhì)量的退化。
[0004] 如何在上述因素造成圖像質(zhì)量退化的情況下恢復(fù)得到高質(zhì)量的圖像成為本領(lǐng)域 一直需要解決的一個(gè)技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明正是基于現(xiàn)有技術(shù)的上述需求而提出的。本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提 供一種高效準(zhǔn)確的方法，來解決空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的造成的遙感圖像質(zhì)量退化 問題。
[0006] 為了解決該技術(shù)問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案包括:一種基于波前畸變和光軸抖 動(dòng)測量信息的圖像質(zhì)量提升方法，步驟如下:步驟一、一體化獲取光學(xué)系統(tǒng)的波前畸變信息 和光軸抖動(dòng)測量信息;所述波前畸變信息為{ ai，…，ak}，其中ak為Zernike多項(xiàng)式系數(shù);波前
為Zernike多項(xiàng)式第k項(xiàng)基元波面，X，y為瞳面坐標(biāo);光 軸抖動(dòng)測量信息為{(jxi，jyi)，…，（jxi，jyi)}，其中（jxi，jyi)表示曝光時(shí)間內(nèi)第i個(gè)采樣點(diǎn) 光軸相對(duì)于曝光起始時(shí)刻的像面偏移量。步驟二、利用波前畸變測量數(shù)據(jù)，計(jì)算波前畸變點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)PSF1;其中，首先對(duì)應(yīng)不同的相位差分布，計(jì)算得到不同的單色點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSFa
其中，A(x，y)為瞳面光波振幅，根據(jù)光瞳形 狀確定，有效通光位置取值為1，
f為焦距，λ為單色光波長， (u，v)為像面坐標(biāo)，（x，y)為瞳面坐標(biāo);然后，對(duì)單色點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，即為白光點(diǎn) 擴(kuò)散函數(shù)PSF1;
其中，太陽光譜分布、目標(biāo)光譜反射 率、光電探測器光譜響應(yīng)的乘積。步驟三、根據(jù)曝光時(shí)間內(nèi)測量的光軸抖動(dòng)信息計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散
其中，N表示曝光時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)的總數(shù)，n (u，v)表示落入像
面(u，v)位置的采樣點(diǎn)數(shù) 其中，N表示曝光時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)的總數(shù)，n(u， ，+ V)表示落入像面(u，v)位置的采樣點(diǎn)數(shù)；（u，v)根據(jù)測量的光軸抖動(dòng)信息進(jìn)行計(jì)算，u = ROUNDDOWN( jxi)、v = ROUNDDOWN( jyi)，其中ROUNDDOWN()表示向下取整。步驟四、綜合波前畸 變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF1和光軸抖動(dòng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF2獲取成像系統(tǒng)的總退化PSF;將步驟二和步 驟三獲取的基于波前測量數(shù)據(jù)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF1和基于光軸抖動(dòng)測量數(shù)據(jù)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù) PSF2,二者卷積后獲取成像系統(tǒng)的總退化PSF;步驟五、根據(jù)所述總退化PSF，進(jìn)行非盲圖像 復(fù)原處理。
[0007] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案具有如下的有益效果：
[0008] 1.采用一體化測量儀進(jìn)行波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測量，可以在空間相機(jī)成像 過程中，進(jìn)行兩類擾動(dòng)因素的同步測量，提高圖像退化信息在軌測量的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性;2. 利用一體化測量信息，通過融合的方式獲得波前畸變和光軸抖動(dòng)兩種影響因素疊加影響的 綜合圖像退化模型，提高退化點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的計(jì)算精度，采用非盲圖像復(fù)原算法，獲得高質(zhì)量 的圖像質(zhì)量提升效果。
【附圖說明】
[0009] 圖1為一體化測量儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0010] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于波前畸變和光軸抖動(dòng)測量信息的圖像質(zhì)量提升處 理方法的步驟圖；
[0011] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的一種一體化測量儀在面陣凝視型的空間相機(jī)中的布置方 案圖；
[0012] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的利用擺鏡折出邊緣視場的方法方案圖；
[0013] 圖5為本發(fā)明另一實(shí)施例中的一種一體化測量儀在推掃型空間相機(jī)中的布置方案 圖；
【具體實(shí)施方式】
[0014] 為了更好地理解本發(fā)明的實(shí)質(zhì)，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步 的說明。然而該【具體實(shí)施方式】僅僅是對(duì)本發(fā)明優(yōu)選技術(shù)方案的舉例，并不能理解為對(duì)本發(fā) 明保護(hù)范圍的限制。
[0015] 本【具體實(shí)施方式】提供了一種基于波前畸變與光軸抖動(dòng)測量信息的圖像質(zhì)量提升 方法，其主要步驟如圖2所示。為了說明該【具體實(shí)施方式】，采用了兩個(gè)實(shí)施例來介紹在不同 場景下的方法。
[0016] 實(shí)施例1
[0017] 本實(shí)施例描述了對(duì)于面陣探測器的空間相機(jī)的圖像質(zhì)量提升處理方法。本實(shí)施例 該方法可描述為如下步驟：
[0018] 步驟一、獲取光學(xué)系統(tǒng)的波前畸變信息和光軸抖動(dòng)測量信息
[0019] 對(duì)于一個(gè)成像系統(tǒng)而言，波前畸變和光軸抖動(dòng)兩類擾動(dòng)因素同時(shí)作用于成像質(zhì) 量，必須在補(bǔ)償和處理時(shí)統(tǒng)籌考慮這兩方面影響因素。而克服上述影響首先需要對(duì)上述兩 方面影響因素的影響數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，才能根據(jù)實(shí)際的影響長度來實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量的提升。
[0020] 本【具體實(shí)施方式】采用空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成傳感的方法，通過改造 的相關(guān)哈特曼一夏克波前傳感器，進(jìn)行波前畸變與光軸抖動(dòng)信息的集成測量。本實(shí)施例中 將經(jīng)過改造的哈特曼一夏克波前傳感器稱為"一體化測量儀"。
[0021 ]本實(shí)施方式中的一體化測量儀7的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其包括視場光闌2、中繼透鏡3、 陣列透鏡4、圖像探測器5和波前處理器6。通過所述一體化測量儀對(duì)光學(xué)系統(tǒng)1進(jìn)行相關(guān)參 數(shù)的測量。
[0022]光學(xué)系統(tǒng)1將被觀測目標(biāo)成像在其焦面上。所述一體化測量儀的視場光闌2可避免 子圖像間的相互交疊。焦面圖像經(jīng)中繼透鏡3和陣列透鏡4成像在圖像探測器5上，陣列透鏡 4由幾十至幾百個(gè)子透鏡組成，在CCD上可產(chǎn)生幾十至幾百個(gè)子圖像。波前處理器6完成CCD 輸出圖像的處理，給出波前測量結(jié)果。每一個(gè)子圖像的偏移量與對(duì)應(yīng)子孔徑的波前平均斜 率變化成正比；測出偏移量即可導(dǎo)出各子孔徑波前斜率，再采用如Zernike多項(xiàng)式擬合等方 法即可重構(gòu)出光學(xué)系統(tǒng)的波前信息。通過該裝置實(shí)現(xiàn)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測量。 [0023] 一體化測量儀由于既可用于高分辨率波前畸變測量，亦可用于高速光軸抖動(dòng)測 量，因而可省去一路探測器，實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)波前畸變與光軸抖動(dòng)的集成測量。本具實(shí)施例中 利用一體化測量儀對(duì)這兩類擾動(dòng)因素進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，能夠快速準(zhǔn)確地獲得成像時(shí)刻的系統(tǒng) 狀態(tài)。為利用波前畸變和光軸抖動(dòng)雙重的測量信息建立精確的圖像退化模型對(duì)降質(zhì)圖像進(jìn) 行非盲復(fù)原提供了基礎(chǔ)。
[0024] 如圖3所示，本實(shí)施例1中所述光學(xué)系統(tǒng)1將光線傳送到所述面陣凝視型的空間相 機(jī)的焦面探測CCD8上，通過所述面陣凝視型相機(jī)形成圖像。為不影響空間相機(jī)的正常成像 探測，將所述一體化測量儀放置于所述正面凝視型的空間相機(jī)的視場邊緣位置進(jìn)行波前畸 變與光軸抖動(dòng)信息的測量。
[0025] 在本實(shí)施例1中，如果由于面陣凝視型的空間相機(jī)的體積或結(jié)構(gòu)原因，難以采用直 接將一體化測量儀放置于焦面探測器側(cè)面的方法。本實(shí)施例中通過擺鏡9實(shí)現(xiàn)對(duì)中心視場 或多個(gè)視場位置的波前誤差探測。
[0026] 如圖4所示，即通過轉(zhuǎn)動(dòng)擺鏡9將中心視場或待測視場偏轉(zhuǎn)到波前傳感器上，以實(shí) 現(xiàn)對(duì)中心視場或某一視場位置的波前誤差探測。通過這種方式使得所述一體化測量儀具有 更大的安裝余度，從而能夠提擴(kuò)大本方法的使用場合。
[0027] 由于波前畸變具有變化緩慢的特征，僅需要間隔一定時(shí)段測量一次。光軸抖動(dòng)信 息測量時(shí)，全視場的抖動(dòng)量是相同的，只需對(duì)中心視場或某一視場進(jìn)行測量即可;在進(jìn)行光 軸抖動(dòng)數(shù)據(jù)的測量時(shí)，由于光軸抖動(dòng)變化快速，需要在相機(jī)曝光時(shí)間內(nèi)的持續(xù)進(jìn)行測量。
[0028] 本實(shí)施例1中通過所述一體化測量儀能夠測量得到如下數(shù)據(jù)：
[0029]波前畸變信息：{ai，…，ak}，其中ak為Zernike多項(xiàng)式系數(shù)，本實(shí)施方式中優(yōu)選取k = 35;波前可表示
'215(1，7)為2611111^多項(xiàng)式第1^項(xiàng)基元波面，1，7 為瞳面坐標(biāo)。
[0030]光軸抖動(dòng)測量信息：{(jxi, jyi)，…，（jxi, jyi)}，其中（jxi, jyi)表示曝光時(shí)間內(nèi)第 i個(gè)采樣點(diǎn)光軸相對(duì)于曝光起始時(shí)刻的像面偏移量。本專利中光軸抖動(dòng)測量采樣頻率為 600Hz〇
[0031 ]步驟二、利用波前畸變測量數(shù)據(jù)，計(jì)算波前畸變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF1;
[0032]由于波前分布為二維光程差分布，對(duì)于不同波長的光，對(duì)應(yīng)不同的相位差分布，計(jì) 算得到不同的單色點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSFUu，v);
[0034] 其中，A(x，y)為瞳面光波振幅，根據(jù)光瞳形狀確定，有效通光位置取值為1，其余取
為焦距，λ為單色光波長，（u，v)為像面坐標(biāo)，（x，y)為瞳面坐標(biāo)。
[0035] 對(duì)單色點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，即為白光點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF1;
[0037] 其中，〇^為太陽光譜分布、目標(biāo)光譜反射率、光電探測器光譜響應(yīng)的乘積，太陽光 譜分布、目標(biāo)光譜反射率、光電探測器光譜響應(yīng)由實(shí)際使用條件確定。
[0038] 步驟三、根據(jù)曝光時(shí)間內(nèi)測量的光軸抖動(dòng)信息計(jì)算點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF2;
[0040]其中，N表示曝光時(shí)間內(nèi)采樣點(diǎn)的總數(shù)，n(u，v)表示落入像面(u，v)位置的采樣點(diǎn) 數(shù)。
[0041 ]步驟四、綜合波前畸變點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF1和光軸抖動(dòng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF2獲取成像系統(tǒng) 的總退化PSF;
[0042]將步驟2,步驟3獲取的基于波前測量數(shù)據(jù)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF1和基于光軸抖動(dòng)測量 數(shù)據(jù)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF2，二者卷積后獲取成像系統(tǒng)的總退化PSF;
[0043]步驟五、根據(jù)所述總退化PSF，進(jìn)行非盲圖像復(fù)原處理；
[0044]通過波前畸變和光軸抖動(dòng)測量信息計(jì)算得到圖像退化綜合點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)PSF，可以 直接利用反卷積、維納濾波或RL等算法進(jìn)行圖像恢復(fù);為消除PSF計(jì)算誤差及噪聲等影響， 可以對(duì)復(fù)原過程施加正則化;也可以采用已有的振鈴抑制方法，降低圖像振鈴，提高復(fù)原圖 像質(zhì)量。以Richardson-Lucy(RL)算法為例，圖像復(fù)原過程可表示為：
[0046]其中，g，f分別代表模糊圖像，復(fù)原圖像，h表示PSF的循環(huán)矩陣形式，m表示迭代次 數(shù)。
[0047] 實(shí)施例2
[0048]本實(shí)施例描述了對(duì)于推掃型空間相機(jī)的圖像質(zhì)量提升處理方法。在本實(shí)施例2中， 所述光學(xué)系統(tǒng)1將光線傳送至推掃型空間相機(jī)上，通過推掃型相機(jī)形成圖像。所述推掃型空 間相機(jī)的視