采樣式航天光學遙感成像系統(tǒng)混疊噪聲

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1、2011年12月第6期中國空間科學技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology采樣式航天光學遙感成像系統(tǒng)混疊噪聲姜偉1陳世平2(1北京空間機電研究所，北京100076)(2中國空間技術(shù)研究院，北京100081)摘要為了準確計算采樣式航天光學遙感成像系統(tǒng)中混疊噪聲的權(quán)重和分析系統(tǒng)設計參數(shù)的影響，采用經(jīng)驗景物模型，模擬成像系統(tǒng)主要噪聲源的統(tǒng)計特性，提出了一種含混疊的成像系統(tǒng)噪聲計算模型。采用該模型，以某衛(wèi)星高分辨率相機成像系統(tǒng)為例，計算混疊噪聲功率占總噪聲功率的百分比，并對不同AF／p參數(shù)和

2、不同景物參數(shù)的情況進行了仿真。結(jié)果表明：該衛(wèi)星高分辨率相機成像系統(tǒng)中，混疊噪聲占較大比重；當提高AF／p時，可有效降低混疊噪聲。關(guān)鍵詞光學采樣成像系統(tǒng)混疊噪聲航天遙感DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．06．0071引言航天光學遙感成像系統(tǒng)由獲取圖像的所有硬件和軟件部分按照一定的配置組成，包括光學相機和衛(wèi)星平臺、數(shù)據(jù)壓縮和解壓縮、數(shù)據(jù)傳輸及地面后處理等LlJ。采樣式航天光學遙感成像系統(tǒng)包含采樣環(huán)節(jié)。目前在軌運行的系統(tǒng)都是欠采樣成像系統(tǒng)，根據(jù)采樣定理，欠采樣會造成超過奈奎斯特頻率的

3、高空間頻率成分向低空間頻率的折疊，即欠采樣帶來圖像混疊?；殳B后難以還原真實圖像，因而，對于系統(tǒng)設計和圖像處理，混疊可認為是一種信號依賴型的附加噪聲L2J?；殳B在圖像中的主要表現(xiàn)是引起偽像和畸變，對判讀有影響[3。5]。文獻[3]將采樣重建引起的虛假響應分為帶內(nèi)虛假響應(混疊)和帶外虛假響應兩部分，進行主觀感知試驗研究了兩者對目標識別的影響，指出帶內(nèi)虛假響應表現(xiàn)為目標點、線、邊的位移，目標視在寬度的改變，或點探測目標的消失，對于中低級感知任務有較大影響。文獻[4]研究了采樣相位對圖像混疊的影響，指出混疊圖像中存在

4、明顯的依賴于采樣相位的高對比度目標位置偏移，而多光譜圖像的分類，對點、線、邊等高對比特征目標的位置移動十分敏感，位移會導致明顯的誤匹配，從而導致誤分類。文獻[5]研究了遙感圖像復原引起混疊噪聲放大的問題。Huck等人將信息理論應用到采樣成像系統(tǒng)的研究中，提出了互信息的概念，建立了采樣成像系統(tǒng)的信息理論模型【6j。應用該模型進行的分析表明，混疊會影響圖像互信息的大小，由于混疊的存在，調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)并不是越大越好[川。但是Huck的模型沒有包含散彈噪聲項，而散彈噪聲是光電成像系統(tǒng)中的重要噪聲源。Fiete采

5、用計算機仿真研究了遙感成像系統(tǒng)的AF／p參數(shù)對圖像質(zhì)量的影響，參數(shù)中，．：I為波長，F(xiàn)為光學系統(tǒng)焦距廠與孔徑D之比，戶為探測器像元尺寸【8]。AF／夕代表了探測器采樣頻率與光學系統(tǒng)截止頻率之比，其研究沒有給出混疊大小的定量表征。因此，有必要全面考慮采樣式航天光學遙感成像系統(tǒng)的散彈噪聲等主要噪聲源，計算采樣式航天光學遙感成像系統(tǒng)混疊噪聲的權(quán)重和分析系統(tǒng)設計參數(shù)AF／戶的影響。收稿日期I2011一01—24。收修改稿H期：2D11_04—14中國空間科學技術(shù)2011年12月2航天光學遙感成像系統(tǒng)數(shù)學模型從連續(xù)景物發(fā)

6、出輻亮度為L的空間分布光信號。光信號通過大氣、衛(wèi)星平臺、光學相機鏡頭等，得到模糊圖像Ls。L-經(jīng)探測器(CCD器件)同時產(chǎn)生3個效應：1)光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生模擬電信號KL“；2)電路噪聲Ne和光電子散彈噪聲N婦；3)探測器陣列積分采樣，產(chǎn)生空間離散的二維采樣圖像。采樣前的系統(tǒng)傳遞特性由MTR。表示，包含大氣、衛(wèi)星平臺、光學相機鏡頭、探測器等對傳遞函數(shù)的貢獻。采樣過程引起頻譜折疊，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，欠采樣會產(chǎn)生重建混疊噪聲帆b。經(jīng)探測器離散化后的采樣圖像，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)將連續(xù)量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。量化以后的數(shù)字圖像

7、經(jīng)過圖像壓縮進行傳輸。圖像解壓后進行大氣校正、輻射校正、幾何校正、調(diào)制傳遞函數(shù)補償(MTFC)等數(shù)字處理。在最后輸出圖像之前可進行插值處理，插值處理后由顯示設備重建圖像。航天光學遙感成像系統(tǒng)各組成部分數(shù)學模型如圖1所示。連續(xù)．景物斗L圖1航天光學遙感成像系統(tǒng)模型Fig．1Modelofopticalimagingsystemforspaceremotesensing因為本文主要研究混疊噪聲的影響，為簡化起見，忽略壓縮／解壓、數(shù)字處理、圖像插值、圖像顯示的影響，模型中主要包含了5種影響像質(zhì)的因素：采樣前MTF(M

8、TF。。)、散彈噪聲N蜥、電子學噪聲N。、混疊噪聲N?！爰傲炕肼昇。。假設噪聲之間互相統(tǒng)計獨立。采樣前MTF(MTF。。)與AF／戶有關(guān)[8]，主要由光學相機靜態(tài)MTF(MTF—。)和在軌動態(tài)影響因子K("，v)(平臺和大氣影響)組成：MTF。。(“，口)=MTF。。。。(“，鉚)·K(“，口)顯示圖像的頻域表達式：Jdi。pl。y(“，口)一Lb(“，口)+N(“，口)1，．，對(