光学遥感卫星在轨动态场景实时匹配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学遥感信息获取与处理技术领域，设及一种场景动态范围实时测量 及相机在轨参数与场景动态范围的实时匹配方法，可有效支撑卫星在轨动态场景的实时匹 配。
【背景技术】
[0002] 我国对高分辨率、高质量的光学遥感卫星遥感图像需求迫切。然而，尽管目前已研 制并在轨运行了多颗光学遥感卫星，解决了遥感图像的"有、无"问题，图像质量不断实现 "由低到高"逐步提升，但从已在轨的卫星来看，卫星成像质量仍不够理想，尽管在卫星研制 中各成像环节的客观性能指标都满足技术要求，但在轨卫星仍存在图像动态范围偏窄、直 方图集中、灰度层次不够丰富，暗场景影像细节分辨能力不强等问题，运说明除了成像环节 本身的因素限制，相机在轨参数和场景动态范围的实时匹配性也是影响卫星在轨成像质量 的重要因素。
[0003]然而，自然场景的动态范围可W高达108,而受到相机本身的限制，实际光学遥感 卫星相机的动态范围通常为IO3W内，因此光学遥感成像系统很难完整地兼顾被摄场景中 的高亮度区域和低光照区域。因此，卫星在轨运行过程中准确测量地面场景的动态范围，并 W此为依据，合理地设置拍照相机的曝光时间和增益，实现目标场景信息的最大化获取对 大幅提高图像质量具有重要意义。然而，目前在光学遥感领域，该方面的研究未见报道。
【发明内容】
[0004]针对目前国内在轨卫星存在的图像动态范围偏窄、直方图集中、灰度层次不够丰 富、暗场景图像细节分辨能力不强的问题，本发明提供了一种光学遥感卫星在轨动态场景 实时匹配方法。该方法能够利用测光相机拍摄图像的直方图特征W及测光相机与拍照相机 的福射响应关系实时测量场景动态范围，并W此为依据合理设置拍照相机的曝光时间与增 益，实现相机在轨运行过程中设置的在轨参数与所摄地面场景动态范围的实时最优匹配。 [000引本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0006] -种光学遥感卫星在轨动态场景实时匹配方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤1:对相机动态范围进行测量；
[0008]步骤2:对测光相机与拍照相机的福射响应关系进行标定；
[0009]步骤3:利用测光相机至多=次拍摄场景获取的图像测量当前场景动态范围；
[0010] 步骤4:根据场景动态解算拍照相机的在轨参数，实现相机与场景动态的实时匹 配。
[0011] 本发明针对光学遥感卫星在轨动态场景实时测量及相机在轨参数的实时解算问 题，提出了一种卫星动态场景实时匹配方法，该方法具有如下优点：
[0012] 1、结合测光相机与拍照相机福射响应关系的标定W及不同时刻拍照导致同一场 景在像面发生偏移的像移补偿，通过测光相机至多=次拍摄地面场景，实现场景动态范围 的实时测量；
[0013]2、针对地面场景动态范围通常超出相机动态的问题，设计并提出了基于高亮度、 低亮度和中点匹配的相机与场景动态范围匹配方案，同时给出了不同情况下的相机在轨参 数解算方法；
[0014]3、利用该方法可根据卫星在轨实时拍摄的地面景物，合理地设置相机曝光时间和 增益，实现相机与场景动态范围的最佳匹配，从而达到最大化与最优化获取场景有效信息 的目的。
【附图说明】
[0015]图1为本发明光学遥感卫星在轨动态场景实时匹配方法的整体流程图；
[0016]图2为场景动态范围测量方法的流程图；
[0017]图3中灰度曝光时间计算流程图；
[0018]图4为场景动态范围计算流程图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本 发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖 在本发明的保护范围中。
[0020] 如图1所示，本发明提供了一种光学遥感卫星在轨动态场景实时匹配方法，具体实 施步骤如下：
[0021] 步骤1:对相机动态范围进行测量；
[0022] 相机的动态范围定义为饱和信号量与噪声之比。当相机无任何光照输入时，获得 图像中仅包含暗电流和随机噪声。
[0023] 步骤1-1:计算像元信号平均值；
[0024]设图像传感器像元个数为MXN，在无任何光照的情况下获得P张图片。则坐标为 (m，n)的像元信号平均值为：
[0026] 其中，Q(m，n，i)为第i张图片在坐标(m，n)处的像元信号值，i为图片数；
[0027]步骤1-2:计算各像元信号残差；
[0028] e{m,n,i)=Q{m,n,i) -Q{m,n) i=h'.P;
[0029]步骤1-3:计算像元信号标准差；
[0030]相机的标准差即为获得图像所有残差的均方根值，即：
[0032]步骤1-4:计算相机的动态范围。
[0034]其中，b是量化位数。
[0035]步骤2:对测光相机与拍照相机的福射响应关系进行标定；
[0036]本发明采用一个独立与拍照相机的成像系统对地面场景的动态范围进行测量，称 为测光相机。测光相机与拍照相机使用的传感器可能是不同的。为了使测光相机得到的动 态范围可W被拍照相机所用，必须对两台相机的福射响应关系进行换算，即福射响应关系 标定。
[0037]在动态范围的计算及匹配过程中，始终需要使用到的是传感器表面相对福照度值 E'dE'值的换算仅需要求解特征增益的比值，设E's为拍照相机的相对福照度值，设E'm为测 光相机的相对福照度值，当两台相机的传感器获得相同的福照度，则相对福照度的换算方 法为：
[0039]测光相机与拍照相机的福射响应关系标定实施方法如下：
[0040]步骤2-1:选取发光亮度均匀且不变的光源；
[0041]步骤2-2:分别用测光相机和拍照相机对选定光源进行成像；
[0042]注意调整曝光时间，使传感器输出灰度在灰度中值附近。
[0043]步骤2-3:计算测光相机和拍照相机的福照度E'm和E'S;
[004引其中，Vm是测光相机测得图像(步骤2-2获取图像)饱和灰度值，Ovm为测光相机直流 偏置，U为测光相机曝光时间，gvm是测光相机VGA增益；
[0047]其中，Vs是拍照相机测得图像饱和灰度值，Ovs为拍照相机直流偏置，ts为拍照相机 曝光时间，gvs是拍照相机VGA增益；
[0048]步骤2-4:计算得出拍照相机与测光相机的特征增益比值，如下式：
[0050]其中，gts、gtm分别代表拍照相机与测光相机的特征增益值。
[0051]步骤3:利用测光相机至多=次拍摄场景获取的图像测量当前场景动态范围；
[0052]如图2所示，本发明通过调整曝光时间至多S次拍照，获得同一场景的一组图像， 并利用该组图像直方图特性计算场景动态范围，具体方法为：
[0053] 步骤3-1:对场景第一次成像；
[0054]为了获得场景亮度的基本分布情况，第一次成像使用较小的曝光时间ti，该时间 由相机和被摄场景两方面确定，确定原则为获得图像灰度为0的像素数量不能超过总像素 数量的20%。本次成像获得的图像将是一张欠曝光的图像。
[0055] 步骤3-2:当第一次成像获取图像中含有灰度为0的像素时，对场景第二次成像，否 则执行步骤3-6;
[0056] 如果第一次对场景成像获取的图像含有灰度为0的像素，则需要进行第二次成像， 因而需要计算第二次成像曝光时间，具体方法如下：
[0057] 步骤3-2-1:计算最大曝光时间：
[0059] 其中，n为目标场景所成的像覆盖像元的个数，L为被摄物体至镜头的距离，AO为 像元间距，V为相机移动速度，f为镜头焦距。
[0060] 当第一次成像