采樣式航天光學(xué)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(guó)空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology采樣式航天光學(xué)遙感成像系統(tǒng)混疊噪聲姜偉1陳世平2(1北京空間機(jī)電研究所，北京100076)(2中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100081)摘要為了準(zhǔn)確計(jì)算采樣式航天光學(xué)遙感成像系統(tǒng)中混疊噪聲的權(quán)重和分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，采用經(jīng)驗(yàn)景物模型，模擬成像系統(tǒng)主要噪聲源的統(tǒng)計(jì)特性，提出了一種含混疊的成像系統(tǒng)噪聲計(jì)算模型。采用該模型，以某衛(wèi)星高分辨率相機(jī)成像系統(tǒng)為例，計(jì)算混疊噪聲功率占總噪聲功率的百分比，并對(duì)不同AF／p參數(shù)和

2、不同景物參數(shù)的情況進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：該衛(wèi)星高分辨率相機(jī)成像系統(tǒng)中，混疊噪聲占較大比重；當(dāng)提高AF／p時(shí)，可有效降低混疊噪聲。關(guān)鍵詞光學(xué)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(xué)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(xué)相機(jī)和衛(wèi)星平臺(tái)、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(xué)遙感成像系統(tǒng)包含采樣環(huán)節(jié)。目前在軌運(yùn)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(huì)造成超過(guò)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(lái)圖像混疊?；殳B后難以還原真實(shí)圖像，因而，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和圖像處理，混疊可認(rèn)為是一種信號(hào)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(duì)判讀有影響[3。5]。文獻(xiàn)[3]將采樣重建引起的虛假響應(yīng)分為帶內(nèi)虛假響應(yīng)(混疊)和帶外虛假響應(yīng)兩部分，進(jìn)行主觀感知試驗(yàn)研究了兩者對(duì)目標(biāo)識(shí)別的影響，指出帶內(nèi)虛假響應(yīng)表現(xiàn)為目標(biāo)點(diǎn)、線、邊的位移，目標(biāo)視在寬度的改變，或點(diǎn)探測(cè)目標(biāo)的消失，對(duì)于中低級(jí)感知任務(wù)有較大影響。文獻(xiàn)[4]研究了采樣相位對(duì)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(duì)比度目標(biāo)位置偏移，而多光譜圖像的分類，對(duì)點(diǎn)、線、邊等高對(duì)比特征目標(biāo)的位置移動(dòng)十分敏感，位移會(huì)導(dǎo)致明顯的誤匹配，從而導(dǎo)致誤分類。文獻(xiàn)[5]研究了遙感圖像復(fù)原引起混疊噪聲放大的問(wèn)題。Huck等人將信息理論應(yīng)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(yīng)用該模型進(jìn)行的分析表明，混疊會(huì)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(méi)有包含散彈噪聲項(xiàng)，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(jì)算機(jī)仿真研究了遙感成像系統(tǒng)的AF／p參數(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的影響，參數(shù)中，．：I為波長(zhǎng)，F(xiàn)為光學(xué)系統(tǒng)焦距廠與孔徑D之比，戶為探測(cè)器像元尺寸【8]。AF／夕代表了探測(cè)器采樣頻率與光學(xué)系統(tǒng)截止頻率之比，其研究沒(méi)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(xué)遙感成像系統(tǒng)的散彈噪聲等主要噪聲源，計(jì)算采樣式航天光學(xué)遙感成像系統(tǒng)混疊噪聲的權(quán)重和分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guó)空間科學(xué)技術(shù)2011年12月2航天光學(xué)遙感成像系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型從連續(xù)景物發(fā)

6、出輻亮度為L(zhǎng)的空間分布光信號(hào)。光信號(hào)通過(guò)大氣、衛(wèi)星平臺(tái)、光學(xué)相機(jī)鏡頭等，得到模糊圖像Ls。L-經(jīng)探測(cè)器(CCD器件)同時(shí)產(chǎn)生3個(gè)效應(yīng)：1)光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生模擬電信號(hào)KL“；2)電路噪聲Ne和光電子散彈噪聲N婦；3)探測(cè)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(tái)、光學(xué)相機(jī)鏡頭、探測(cè)器等對(duì)傳遞函數(shù)的貢獻(xiàn)。采樣過(guò)程引起頻譜折疊，根據(jù)香農(nóng)采樣定理，欠采樣會(huì)產(chǎn)生重建混疊噪聲帆b。經(jīng)探測(cè)器離散化后的采樣圖像，通過(guò)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(guò)圖像壓縮進(jìn)行傳輸。圖像解壓后進(jìn)行大氣校正、輻射校正、幾何校正、調(diào)制傳遞函數(shù)補(bǔ)償(MTFC)等數(shù)字處理。在最后輸出圖像之前可進(jìn)行插值處理，插值處理后由顯示設(shè)備重建圖像。航天光學(xué)遙感成像系統(tǒng)各組成部分?jǐn)?shù)學(xué)模型如圖1所示。連續(xù)．景物斗L圖1航天光學(xué)遙感成像系統(tǒng)模型Fig．1Modelofopticalimagingsystemforspaceremotesensing因?yàn)楸疚闹饕芯炕殳B噪聲的影響，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，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(xué)噪聲N。、混疊噪聲N?！爰傲炕肼昇。。假設(shè)噪聲之間互相統(tǒng)計(jì)獨(dú)立。采樣前MTF(MTF。。)與AF／戶有關(guān)[8]，主要由光學(xué)相機(jī)靜態(tài)MTF(MTF—。)和在軌動(dòng)態(tài)影響因子K("，v)(平臺(tái)和大氣影響)組成：MTF。。(“，口)=MTF。。。。(“，鉚)·K(“，口)顯示圖像的頻域表達(dá)式：Jdi。pl。y(“，口)一Lb(“，口)+N(“，口)1，．，對(duì)(