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TDI CCD相机凭借其多级积分的成像特点,已成为目前高分辨率光学遥感器成像系统的主流传感器,但在其成像过程中,若存在平台震颤,会造成图像的模糊,影响成像质量。首先,从TDI CCD相机的成像原理入手,分析了平台震颤对成像质量的影响,并根据震颤检测得到的震颤像移轨迹,提出一种震颤影像去模糊方法,以消除震颤引起的图像退化,最后,利用资源三号多光谱影像进行了实验。实验结果表明,经该方法处理后的震颤影像,图像的各项定量评价指标显著提升,从而验证了方法的有效性。
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2017 年 10 月 Journal on Communications October 2017
2017252-1
第 38 卷第 Z1 期 通 信 学 报 Vol.38
No.Z1
卫星平台震颤影像的去模糊方法
宋晓林,方忠浩,潘俊
(武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室,武汉 湖北 430079)
摘 要:TDI CCD 相机凭借其多级积分的成像特点,已成为目前高分辨率光学遥感器成像系统的主流传感器,但
在其成像过程中,若存在平台震颤,会造成图像的模糊,影响成像质量。首先,从 TDI CCD 相机的成像原理入
手,分析了平台震颤对成像质量的影响,并根据震颤检测得到的震颤像移轨迹,提出一种震颤影像去模糊方法,
以消除震颤引起的图像退化,最后,利用资源三号多光谱影像进行了实验。实验结果表明,经该方法处理后的震
颤影像,图像的各项定量评价指标显著提升,从而验证了方法的有效性。
关键词:TDI CCD 相机;平台震颤;像移;去模糊
中图分类号:P236 文献标识码:A
Image deblurring method for satellite
platform caused by jitter
SONG Xiao-lin, FANG Zhong-hao,
PAN Jun
(State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China)
Abstract: TDI CCD camera with its multi-level integral imaging features has become the mainstream sensor of current
high-resolution optical remote sensor imaging system, but if there is platform tremor in its imaging process, it will pro-
duce images blur, affecting image quality. The influence of platform tremor on imaging quality based on the imaging
principle of TDI CCD camera was analyzed. According to the jitter image trajectory obtained by jitter detection, a method
was proposed to eliminate image degradation caused by jitter. ZY-3 multi-spectral images were experimented. The expe-
rimental results show that the quantitative evaluation index of the image after the jitter image is improved, and the validi-
ty of the method is verified.
Key words: TDI CCD camera, platform jitter, image shift, deblurring
1 引言
卫星平台震颤又称微振动、颤振等,是指卫星在
轨运行期间,由于卫星平台的姿态调整、星上运动部
件的周期性运动等引起的一种幅值较小、频率较高的
震颤响应
[1,2]
。卫星平台震颤具有微小性、难控性、敏
感性等特点,当其传递到像面会引起像的振动,即震
颤像移,震颤像移将直接导致成像质量的下降。
时间延迟积分电荷耦合器件(TDI CCD)是 一 种
以时间延迟积分(TDI)技术工作的线阵 CCD,由对同
一目标进行多次曝光来增加光能的概念发展而来
[3]
。通
过 TDI 技术来延长积分曝光时间,在提高光通量的同
时,也提高了相机的灵敏度与信噪比,已成为目前高
分辨率光学遥感器成像系统的主流传感器。不同频率
的平台震颤均可引起 TDI CCD 的成像模糊,随着光
学遥感卫星分辨率的提高,这种影响将越发明显。
Hochman
[4,5]
从点扩散函数角度出发,分析了成像过程
中震颤对 TDI CCD 相机的成像质量的影响,且总结
出振动对图像造成模糊的 3 种情况,即阶梯效应,几
何形变以及像点模糊;浙江大学应用光学与仪器国家
重点实验室提出了 TDI CCD 振动图像复原方法,该
方法在已知运动的瞬时速率情况下,求取每一行影像
收稿日期:2017-09-12
通信作者:潘俊,panjun1215@whu.edu.cn
基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.91438112)
Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (No.91438112)
doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2017252
第 Z1 期 宋晓林等:卫星平台震颤影像的去模糊方法 ·187·
对应的点扩散函数,逐行进行震颤图像的复原
[6]
;文
献[7,8]从振动函数出发,假设图像每一行成像过程中
平台震颤为匀速直线运动来计算运动点扩散函数
(PSF, point spread function),用匀速运动点扩散函数
逐行复原 TDI CCD 图像,简化了运算过程,但降低
了复原精度。
随着平台震颤测量技术的发展,已有多种高精
度的平台震颤测量方法,如基于姿态传感器的震颤
测量、基于影像的平台震颤检测以及通过增加辅助
设备进行震颤测量的方法等
[9]
。本文主要针对已知
震颤像移轨迹的震颤影像展开影像去模糊的工作。
首先,从 TDI CCD 相机的成像原理着手,分析平
台震颤对成像质量的影响,并根据影像的退化过
程,提出一种针对震颤像移轨迹的卫星平台震颤影
像去模糊方法,最后,利用资源三号多光谱影像进
行实验来验证本文方法的有效性。
2 卫星平台震颤对 TDI CCD 成像质量的影响
2.1 TDI CCD 成像原理
TDI CCD 是一种采用时间延迟积分(TDI, time
delay integration)技术的面阵 CCD,而从功能上来
讲它是一个线阵 CCD 器件,它是基于对同一目标
进行多次曝光来增加光能的概念发展而来
[3]
。相比
常规的扫描方式,TDI CCD 由于采用了 TDI 的方
法,具有更高的系统灵敏度,在光照度一定的条件
下,扫描速度更高,或照度很低的情况下可以以常
规的速度来进行扫描,并且其输出图像可通过多级
积分叠加来增强光能的吸收,可以有效解决灵敏度
及分辨率之间的矛盾
[10]
,同时减小了像元之间响应
不均匀性,增强信噪比。
TDI CCD 的结构如图 1 所示。其中,M 代表图
像中一行的列数,N 代表 TDI 的积分级数,从下至
上依次为 1, 2, 3,…,N 级,TDI CCD 实际的积分级数
N 是可调整的,可取 1、4、8、16、32、48 等,由
实际的成像条件所决定。成像时 TDI CCD 的多行
线阵 CCD 依次对目标进行曝光,在每次曝光后,
将电荷转移到下一级,最终将电荷累加至第一级作
为该目标的成像能量进行线阵输出。理想成像条件
下每一级积分都是对应同一区域进行曝光,当存在
震颤的影响下,会造成多个不同区域的电荷混淆,
从而产生了图像的模糊。
2.2 震颤像移分类及其影响分析
根据不同方向像移的成因,可以将 TDI CCD
的图像退化分为空间不变类(正常推扫像移)以及
空间变化类
[11]
(震颤像移)。
图 1 TDI CCD 面阵结构
1) TDI 方向
该方向的正常像移是由于正常推扫产生的一
种线性像移,即使没有震颤运动的影响,TDI 每一
级积分过程中也都会匀速扫过一定的距离,假设扫
过的距离为 d,推扫速度为 v,则 vT=d,因此,正
常像移产生的图像降质是空间不变的,此时,若同
时存在非正常像移,则每一级积分时扫过的区域不
一致,使电荷的能量发生混淆,轻则导致图像模糊,
重则导致 TDI 方向图像的拉伸与压缩。
2) 垂直 TDI 方向
该方向非正常像移的存在会使图像不同行之
间存在一定错位,如果震颤运动的频率高且振幅小
则不会造成成像中心的偏移,仅会造成图像模糊,
如果频率低振幅大,则不同行之间将会产生错位。
3 基于震颤像移轨迹的卫星平台震颤影像
去模糊
3.1 TDI CCD 图像退化模型
假定成像系统的退化过程是一个线性移不变
系统,f(x,y)为理想的、没有退化的图像, (, )
g
xy 为
退化图像,则可以将退化后图像 (, )
g
xy 表示为
[12]
(, ) (, ) (, )
g
xy hxy f xy
=
∗ (1)
其中,*代表卷积操作, (, )hxy 称为点扩散函数,
它代表点光源成像之后的亮度分布。根据冲激函数
δ
的性质,f(x,y)可以表示为
(, ) ( , )( , )d dfxy f x y
α
βδ α β α β
+∞ +∞
−∞ −∞
=−−
∫∫
(2)
由狄拉克函数的采样性(或筛选性)可将式(2)
写为
( )()()
(, ) , , , d dgxy x y f h
δ
αβ αβαβαβ
+∞ +∞
−∞ −∞
=−−⎡ ⎤
⎣⎦
∫∫
()()
=,,ddfx y h
α
βαβαβ
+∞ +∞
−∞ −∞
−−
∫∫
(3)
201
7
252-2
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