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大视场多光谱空间相机在轨自动相对辐射校正研究

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  • 发布时间:2017-02-12
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目前空间遥感相机正朝着高分辨率、大视惩多光谱的方向发展,即在保证-定空间分辨率的前提下,还要提高时间分辨率和光谱分辨率,以缩短重访周期,更加精细地识别地物属性 。为了实现多光谱成像,通常采用多线阵电荷合元件(charge coupled device,CCD)作为多光谱空间遥感相机的图像传感器。多线阵CCD在单片CCD上集成了多条线阵 CCD,并在其上覆以滤光片,使每条线阵对应不同的光谱谱段 。在轨道高度-定的前提下,空间相机地面像元分辨率的提高导致相机焦距的增长,而焦距的增长和视城的增大导致需要采用多片多线阵 CCD拼接来组成大视场多光谱空间相机的焦平面。

大视场多光谱相机 CCD不同像元的光响应非-致性、读出电路自身及其与 CCD耦合的非-致性、不同通道放大电路的非-致性、光学系统的加工精度等原因导致各谱段图像存在条带现象 ,当直接合成为彩色图像时,各个谱段图像的条带叠加后导致合成的彩色图像出现严重的色带 ,导致 目标失真和视觉效果变差,影响对目标的分辨与解释。大视场多光谱相机焦面由多片多线阵 CCD拼接而成,不同片 CCD由于制造时的个体差异,响应度相差较大,导致不同片CCD合成的彩色图像存在较大的颜色偏差。

目前主要通过地面应用系统接收卫星下传的图像后在地 面进行相 对辐射 校正来 去 除彩色 图像 中的色带 。然而随着大视场多光谱相机空问分辨率、视场和光谱分辨率的提升,下传的图像数据量不断增加,获得经过地面应用系统相对辐射校正后的遥感图像需要更长的时间。在发生战争或地震等自然灾害时,分秒的时间就可能意味着胜败和无数生命的生死。为此提出-种大视场多光谱相机的在轨 自动相对辐射校正方法,实现大视场多光谱相机的在轨实时自动相对辐射校正,卫星地面站接收到的就是已经校正后去除色带和片间色差的遥感图像,从而实现对感兴趣目标快速及时地分辨和识别,为决策和行动赢得更多时间。

2 在轨自动相对辐射校正方法在大视场多光谱空间相机的成像链路中,光信号依次经过光学系统、滤光片、CCD、读出电路、预放大电路和视频处理器等才最终转换为数字图像信号。光学系统的加工与装调误差 、大视场系统中不同 CCD像元相对光轴的偏离角度、滤光片的制造误差、CCD制造过程中各像元有效感光面积与半导体参杂的差异、读出电路与预放大电路中元器件参数的个体差异等因素都会导致相同的入射光在不同像元位置产生的数字图像信号不同,从而导致各谱段图像中出现条带现象,直接合成后出现严重的色带和片间色差。

在空间相机常用的图像传感器中,红外焦平面阵列随目标温度的大范围分布和环境温度的变化呈现较大的非线性 ,光谱范围为可见光和近红外谱段的 CCD通常具有较好的光响应线性关系。根据大视场多光谱相机使用的多线阵 CCD AT71547手册,多线阵CCD的线性度误差不超过 2%,而本文在实验室绝对辐射定标实验中证实,大视场多光谱相机在可见光到近红外谱段都呈现良好的光响应线性关系。由于导致色带和片问色差的因素都表现为固定的乘性分量和加减分量,即都是线性的,因此便于通过硬件实现在轨实时相对辐射校正。

设多线阵 CCD由 M条线阵组成,依次对应 M个谱段,每条线阵有 Ⅳ个像元。则相机在均匀辐射背景下的输出可以由式(1)表示:DN ( )A L曰 (i1,,M;j1,,Ⅳ)(1)式中: 为相机入瞳辐亮度,DN ( )为第 i谱段第 个像元输出的灰度值。A 为第 i谱段第j个像元的响应度 ,曰为第 i谱段第 个像元的暗信号偏移量。则理论上已知相机入瞳辐亮度 L。和 ,及其对应的输出DN (L )和DN (L。),通过解方程组(2)即可求得A 和 曰DN (L1)A ·Ll日LDⅣ,( 2)A L2B(i1,,M;. 1,,Ⅳ) (2)在实验室辐射定标 中,以积分球为光源获取多个亮度等级的图像 。 ,采用最小二乘法拟合直线计算 A 和日 来减小实验误差。对于大视场多光谱相机,由于采用离轴三反光学系统,在实验室辐射定标时需采用长方形开口积分球,并将照明灯依开口形状排布,来消除余弦特性误差 。

对于单片多线阵CCD,通过辐射定标得到绝对辐射定标系数A 和日 后,相对辐射校正系数 G 和 Q 可以用式(3)和式(4)计算:G : ( 1,, ; :1,,Ⅳ) (3)∑∑AJ1 i1Q B (i1,,M;./:1,,Ⅳ) (4)而大视场多光谱相机由多片多线阵 CCD拼接而成,不同片 CCD存在较大的响应度差异,如果只进行单片CCD片内相对辐射校正,会导致不同片 CCD合成后的彩色图像存在较大的颜色偏差。为了解决这-问题,本文在此给出利用最小二乘法获取的绝对辐射定标系数计算106 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷消除片间色差的相对辐射校正系数的公式。

设大视场多光谱相机的焦平面由 P片多线阵 CCD拼接而成,A:和B 分别为通过实验室绝对辐射定标实验获取的第 k(k1,,P)片CCD中第 i谱段第 J个像元的响应度和暗信号偏移量。则第 k片 CCD的相对辐射校正系数 G 和 Q 由式(5)和式(6)计算 :G : (5)∑ ∑∑AQ:B (6)式中:i1,,M;j1,,N;k1,,P。

设 DN (L)和 CN (L)分别为第 k片 CCD中第 i谱段第 个像元相对辐射校正前和校正后的灰度值,则CN (L)可以由式(7)计算得到,式(7)即为大视场多光谱相机的相对辐射校正公式:cNk (L): (7)L,图1为大视场多光谱空间相机在轨自动相对辐射校正原理 。

耋刻 兰竺 避: 信号I I -------------- L---- l I: I驱动器 I l相对辐射校正L- 图 1 大视场多光谱相机在轨 自动相对辐射校正原理Fig.1 On-orbit automatic relative radiometric corectionprinciple of multi-spectral camera with large field of view地面景物经过光学系统与滤光片后,成像在多线阵CCD上。多线阵 CCD将光信号转换为较弱的模拟电压信号,经过预放电路的放大后,送往视频处理器,视频处理器完成相关双采样、A/D转换、增益和偏置调整等功能,经过视频处理器后模拟信号转换为量化的图像数据。

数据缓存与整合拈接收各通道视频处理器输出的图像数据进行整合和存储。

在轨自动相对辐射校正拈对整合后的图像数据进行相对辐射校正,在发射前 ,利用实验室辐射定标的数据根据式(5)和式(6)计算相对辐射校正系数 G 和 Q 。

相对辐射校正系数存储在 FPGA的块随机存储器(简称Block RAM)中,在编写成像控制 FPGA程序时,利用. COE文件将Block RAM相应位置的初始化值设置为G:和 Q 。相机在轨摄影工作时,在成像控制 FPGA上电配置后,Block RAM的初始化值从配置 PROM中加载到Block RAM中,G:和Q 也加载到Block RAM的对应位置。在轨自动相对辐射校正拈从Block RAM中读取相对辐射校正系数,根据式(7)对每个像元对应的图像数据进行逐-校正。经过相对辐射校正后的图像数据通过数传接口发送给数传分系统。

当空间遥感相机在轨长时间工作后,传感器响应特性衰减、涂层和元器件老化等原因会导致系统响应特性的变化,因此通过实验室辐射定标得到的相对辐射校正系数可能需要进行修正。当发现相对辐射校正的效果变差时,利用遥感相机对地面相对辐射定标场的成像数据计算出新的相对辐射校正系数 ∮着通过程控指令将相对辐射校正系数修正值发送给相机下位机 ,相机下位机再转发给成像控制 FPGA。成像控制 FPGA将收到的相对辐射校正系数修正值存储在 Block RAM的对应位置。在摄影时在轨自动相对辐射校正拈利用更新后的校正系数进行校正。

由于在不同的季节地面目标所在位置的太阳高度角变化,相机入瞳幅亮度随之变化,为了避免获得的遥感图像整体过暗或过亮,需要对视频处理器增益、积分时间等成像工作参数进行定期调整。成像工作参数的调整带来绝对辐射定标系数的变化,而相对辐射校正系数是利用绝对辐射定标系数计算得到的。如果相对辐射校正系数也随成像工作参数而变化,在进行在轨相对辐射校正时,将需要根据成像工作参数的变化选取不同的校正系数。

本文通过实验发现,对于大视场多光谱空间相机 ,视频处理器增益等成像工作参数变化时,虽然绝对辐射定标系数发生变化,相对辐射校正系数基本不变。图2和图3分别为大视场多光谱空间相机第 1片多线阵 CCD蓝谱段前 100个像元在不同视频处理器增益下的相对辐射校正系数G 和Q:。

图2 蓝谱段不同视频处理器增益下的 GFig.2 G for different gains of video processorin blue spectrum band第 l期 武星星 等 :大视场多光谱空间相机在轨自动相对辐射校正研究 107像元号N图 3 蓝谱段不同视频处理器增益下的 QFig.3 Q:for diferent gains of video procesor inblue spectrum band从图2和图3可以看出,G 和 Q 基本不随视频处理器增益而变化,因此在轨自动相对辐射校正时成像控制 FPGA的Block RAM中只需要保存-组相对辐射校正系数即可,这可以大大减少了所需的硬件资源,简化系统的设计。

3 FPGA实现在轨自动相对辐射校正大视场多光谱相机的在轨自动校正算法具体通过成像控制 FPGA中的在轨 自动相对辐射校正拈来实现。

成像控制FPGA包含 CCD时序产生、视频处理器控制、数据缓存与整合和数传接口时序产生等功能拈,在成像控制 FPGA中实现在轨 自动相对辐射校正,可以直接使用整合后的图像数据进行校正,校正后的数据也可以通过数传接 口直接发送给数传分系统,从而减少图像数据在不同控制运算部件间的传输带来的系统复杂性,使系统的集成度更高,节约空间和成本。由于多线阵 CCD的集成度很高,需要根据谱段对每条线阵进行校正。

图4为在轨自动相对辐射校正在 FPGA中的具体实现原理,相对辐射校正系数在 FPGA上电加载程序时,从配置PROM中加载到Block RA M中的指定位置。从式(7)中可以看出,校正依次进行了减法和除法运算,也可以看作依次进行了加法和乘法运算(加上-个负值和乘上-个倒数)。

地址控制, l iI I1Gisk):fl Ij,]BI。ckRAM --,- IFPGA片9bP,AM - 片内BOCkRAMl l 原始图像 -Q 1/Gi ll , 自 乘法器i校正后图像 H - 四舍五入图4 自动相对辐射校正在 FPGA中的实现原理Fig.4 Realization principle of automatic relativeradiometric correction in FPGA图5 自动相对辐射校正拈 RTL原理图Fig.5 RTL schematic diagram of automatic relative radiometric correction module108 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷在大视场多光谱空间相机摄影时,在地址控制逻辑的作用下,从 FPGA片外 RAM中读取原始图像数据,从FPGA的片内Block RAM中读取对应的-Q 和1/G:,依次通过加法器和乘法器完成式(7)中的校正算法,并对计算结果四舍五入后,得到校正后的图像数据,存回FP-GA片外 RAM中。

图5为 自动相对辐射校正拈在 XILINX ISE中综合后生成的 RTL原理图。

大视场多光谱相机的焦 面采取 9片多线阵 CCDAT71547拼接而成,AT71547分为4个谱段,每个谱段6 000像元。由于每个像元对应-对相对辐射校正系数 G 和 Q,共需要存储24 000对相对辐射校正系数。成像控制 FP-GA采用 XILINX的 XQ2V30OO芯片,每-片 XQ2V3000完成-片 CCD的控制。XQ2V3000内部集成了96个大小为18 Kb的Block RAM,本文利用IPCORE生成2个24 000 X18 b的单口RAM,分别存储1/G:和-Q 。1/G 的范围为(0,2),采用 17位无符号定点数,2位整数位,15位小数位。-Q 可正可负,因此采用 13位有符号定点数,1位符号位,10位整数位,2位小数位。1/G:和-Q:分别存储在18 b单口RAM的低 17位和低 13位。

原始图像采用 10 b量化,转换为 13位有符号定点数后,和从 Block RAM中读出的 -Q -起送至 13位有符号加法器,经过加法运算后的结果为 13位有符号数。

由于原始图像数据和 -Q 相加的结果必定为正值,因此加法器的输出结果在转换为 17位无符号定点数后,和从Block RAM中读出的1/G -起作为17位乘法器的输入,乘法器的输出结果为34 b无符号定点数,17位整数位,17位小数位。

由于最终通过数传分系统向卫星地面站传输的图像数据为 10 b,如果直接截取乘法器输出结果的第27-18位作为校正后的图像数据,会导致最大接近 1个 DN值的误差,因此本文在 FPGA中设计了四舍五入拈 ,对乘法的输出结果进行四舍五人,使计算结果的误差在 0.5个 DN值以内。

四舍五入拈的基本思想是,构造-个 10 b无符号加法器,加法器的输入分别为乘法器输出结果的第27-18位和第 17位。如果乘法器输 结果的第 17位为1,则说明输出结果中小数位之和大于或等于 0.5,对整数位加 1。如果乘法器输出结果的第 17位为 0,说明输卅结果中小数位之和小于 0.5,不对整数位加 1,加法器输 的10 b无符号数即为四舍五人后的自动相对辐射校正结果4 实验验证对于按照本文提出的方法实现了在轨自动相对辐射校正功能的大视场多光谱空间相机,依次通过时序仿真 、实验室均匀辐射背景成像实验、在轨成像实验对相机的自动相对辐射校正性能进行验证。

图6为使用Modelsim对自动相对辐射校正拈的工作时序进行仿真的结果。图 6中 CLK为系统时钟 ,Im-agein为以 10进制表示 的原始图像,-Qij为以 16进制表示的从 Block RAM中读出的 -Q ,1/Gij为以16进制表示的从 Block RAM中读出的 1/G ,Image-add为原始图像数据和 -Q 相加的结果 ,以 16进制表示。由于加法器的输出滞后输入 2个系统时钟的时间,因此将 1/G从 Block RAM读出后延时 2个系统时钟后再送往乘法器,1/Gij-delay为 1/Gij延时2个系统时钟的结果。Im-age-OO1TeCt为以 10进制表示的经过自动相对辐射校正后的图像数据,Addr为地址控制逻辑产生的 Block RAM的读取地址。

CLKlrnagein女审In1ageco”ect女每1/Gij审-QU女串l/Gij-delay女净Image-add女 AddrNOWCursor1l36 109 l36 2l I 36 I1360 l0 i I16l n 80 OA71A IOB982 IOA7lA i0AEDD IO8EB3 10AA00008 100008 101FEC 100004 0000C0B982 00000 0B982 10A71 A 10AEDD O8EB3IBC 000 :1BC 228 1DO [1乜8 l2 l 2 i3 4 5j1l1lllliI lI liIi 1I。

500ItS 1O0 200149ItS 149ns图6 自动相对辐射校正拈仿真结果Fig.6 Simulation results of automatic relativeradiometric corection module当地址控制逻辑产生的地址为 1时,对应蓝谱段的第 1个像素,当地址控制逻辑产生的地址为2时,对应绿谱段的第 1个像素,依次类推,当地址控制逻辑产生的地址为 24 000时对应近红外谱段的第 6 000个像素。蓝谱段的第 1个像素的原始图像数据为 109,相对辐射校正系数G:和Q 分别为0.69和-2.1,在Block RAM中按 17位无符号定点数格式存储的 l/G 为0B982H,按 17位无符号定点数格式存储的Q 为00008H,原始图像和 -Q相加得到的结果转换为 17位无符号定点数为 1 BCH,乘法器输出的结果为 160.869 56,假如没有四舍五入拈,校正后的图像数据为 160,经过四舍五入后拈后得到自动相对辐射校正后的图像数据为 161,使校正误差从0.869 56减/jxTi]了o.130 44,将校正误差控制在0.5个DN以内。从图6可以看出,校正后的图像数据 161和原始图像数据 109相比,滞后了 6个系统时钟。这是 由于加法器、乘法器以及四舍五入拈的输出各滞后输入 2110 仪 器 仪 表 学 报 第 3 4卷(b)自动相对辐射校正后合成彩色图像(b)The synthesized color image after automaticrelative radiometric correction图 10 在轨成像实验结果Fig.10 Results of on-orbit imaging experiments图l0为在轨成像结果,其中图(a)为未进行自动相对辐射校正时红、绿、蓝谱段合成的彩色图像,(b)为进行自动相对辐射校正后用红、绿、蓝谱段合成的彩色图像。

从图10可以看出,在未进行自动相对辐射校正时,由于各谱段图像中都存在条带现象,合成后的彩色图像出现色带,严重影响图像的解译。经过 自动相对辐射校正后直接合成的彩色图像去除了色带,图像质量明显提高,更加真实地反映了地物属性。对比不同片 CCD合成的彩色图像可以发现各片图像色彩-致,基本消除了片间色差。由于避免了耗时的地面校正过程,使得对感兴趣 目标分辨和识别更加快速及时。

5 结 论针对大视场多光谱空间相机获取的图像直接合成彩色图像后存在严重的色带和片间色差、地面处理数据量大且耗时长这-问题,提出了-种大视场多光谱遥感相机的在轨自动相对辐射校正方法,给出了利用最小二乘法获取的绝对辐射定标系数计算消除片间色差的相对辐射校正系数的公式,并在分析视频处理器增益等成像1二作参数变化对相对辐射校正系数的影响的基础上,将校正算法在成像控制FPGA中进行了具体实现。

实验室均匀辐射背景成像实验和仿真结果表明,自动相对辐射校正的结果和在地面进行相对辐射校正的结果-致,校正误差在0.5个 DN值以内,校正后的图像滞后原始图像 6个系统时钟,可以满足实时性要求。在轨成像实验结果表明,经过 自动相对辐射校正后直接合成的彩色图像去除了色带和片间色差,使得对感兴趣 目标分辨和识别更加快速及时。

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