抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法及装置

技术领域

本发明属于航空遥感成像领域，涉及一种抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法及装置，特别针对航空相机斜视远距离成像对大气激发的散粒噪声的抑制。

背景技术

航空遥感设备在远距离成像时，受到大气路径辐射的影响，图像的信噪比都比较差，特别是成像距离为30km以上的斜视远距离成像大气影响更加显著。航空遥感设备的噪声源主要是散粒噪声，当光电探测器接收到电子数为μ

发明内容

本发明实施例提供了一种抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法及装置，以至少解决现有航空遥感设备在远距离成像时存在大量散粒噪声的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法，包括以下步骤：

S101:对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像；

S102:对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声。

进一步地，步骤S101具体包括：

对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，并对帧内多次曝光图像进行平均化处理，获取同一目标的多帧图像。

进一步地，通过航空对地固定目标凝视的方式，实现对地面同一目标的多次拍照。

进一步地，步骤S102具体包括：

提取不同帧图像数据中相同的地面固定目标，对同一目标的多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声。

进一步地，单帧曝光时间≤20ms。

进一步地，方法在步骤S101之前还包括步骤：

S100:实时采集飞机的经度、纬度和高度信息，并由相机控制器解算出对应的航空相机的相机框架角，航空相机的伺服系统依据相机控制器发送的目标角度控制俯角和位角运动到指定位置，此时航空相机的视轴将指向目标位置。

进一步地，使用高帧频可见探测器对地面同一目标进行多次曝光拍照。

根据本发明的另一实施例，提供了一种抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的装置，包括：

帧内图像平均处理单元，用于对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像；

图像目标区域提取处理单元，用于对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声。

进一步地，装置还包括：

综合控制单元，用于实时采集飞机的经度、纬度和高度信息，并由相机控制器解算出对应的航空相机的相机框架角，航空相机的伺服系统依据相机控制器发送的目标角度控制俯角和位角运动到指定位置，航空相机的视轴指向目标位置。

进一步地，综合控制单元依据航空相机的经度、纬度、高度、俯仰角、横滚角、航向角、相机原框架角位置计算新的航空相机框架角，使得在成像过程中航空相机视轴指向地面固定目标；并依据航空遥感设备的工作时序向帧内图像平均处理单元发送曝光控制信号。

本发明实施例中的抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法及装置，通过对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像，并对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声，可以有效降低图像的散粒噪声影响，提高图像的信噪比，同时解决航空斜视遥感图像探测器选型中存在的小像元尺寸与大满阱电子数需求之间的矛盾，可以有效增大成像探测的极限距离，实现对更小的目标背景反射率差目标的探测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明抑制航空斜视远距离成像图像散粒噪声的方法的流程图；

图2为本发明抑制航空斜视远距离成像图像散粒噪声的装置的模块图；

图3为本发明中航空遥感设备凝视成像示意图；

图4为本发明中航空遥感设备凝视成像视轴指向修正流程图；

图5为本发明中具体实施例中不同PRNU对信噪比影响曲线图；

图6为本发明中具体实施例信噪比提升曲线图；

图7为本发明抑制航空斜视远距离成像图像散粒噪声的方法的具体流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

根据本发明一实施例，提供了一种抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法，参见图1，包括以下步骤：

S101:对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像；

S102:对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声。

本发明实施例中的抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法，通过对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像，并对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声，可以有效降低图像的散粒噪声影响，提高图像的信噪比，同时解决航空斜视遥感图像探测器选型中存在的小像元尺寸与大满阱电子数需求之间的矛盾，可以有效增大成像探测的极限距离，实现对更小的目标背景反射率差目标的探测。

其中，步骤S101具体包括：

对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，并对帧内多次曝光图像进行平均化处理，获取同一目标的多帧图像。

其中，通过航空对地固定目标凝视的方式，实现对地面同一目标的多次拍照。

其中，步骤S102具体包括：

提取不同帧图像数据中相同的地面固定目标，对同一目标的多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声。

其中，单帧曝光时间≤20ms。

其中，参见图7，方法在步骤S101之前还包括步骤：

S100:实时采集飞机的经度、纬度和高度信息，并由相机控制器解算出对应的航空相机的相机框架角，航空相机的伺服系统依据相机控制器发送的目标角度控制俯角和位角运动到指定位置，此时航空相机的视轴将指向目标位置。

其中，使用高帧频可见探测器对地面同一目标进行多次曝光拍照。

下面以具体实施例，对本发明的抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的方法进行详细说明：

针对大气路径辐射对航空斜视远距离成像信噪比的影响，本发明提出了一种抑制航空斜视远距离成像图像散粒噪声的方法，通过帧内多次曝光与多帧图像时域平均相结合的方法降低航空斜视远距离成像时的图像散粒噪声，进而提高图像的信噪比，提升成像探测距离。在航空成像过程中，通过航空对地固定目标凝视的方式，实现对地面同一目标区域的多次拍照，首先通过选用高帧频可见探测器实现帧内多次曝光，对帧内多次曝光图像进行平均化处理初步提高当前帧图像的信噪比，为后期地面固定目标提取奠定基础；然后对地面定点凝视成像获取的多帧图像进行处理，提取不同帧数据中相同的地面固定目标，再进行多帧平均，降低图像的散粒噪声，进而提高图像的信噪比。

本发明解决的技术问题是抑制航空遥感设备的散粒噪声，尤其是大气路径辐射激发的散粒噪声对航空斜视远距离成像图像信噪比的影响。通过对地面目标凝视定点成像的方法，采用帧内多次曝光方法及对获取的多帧图像进行平均，可以有效降低图像的散粒噪声影响，提高图像的信噪比，同时解决航空斜视遥感图像探测器选型中存在的小像元尺寸与大满阱电子数需求之间的矛盾，可以有效增大成像探测的极限距离，实现对更小的目标背景反射率差目标的探测。

本发明采用的技术方案，具体实施如图2所示：航空相机一般由俯角(外框架)轴系和位角(内框架)轴系构成，在航空成像过程中，依据飞机和目标的相对位置关系，通过调整航空相机俯角轴系指向和位角轴系指向将航空相机的视轴指向目标位置，并对目标进行拍照。实际工作过程中，飞机的位置不断变化，因此需要实时采集飞机的经度、纬度和高度信息，并由相机控制器解算出对应的相机框架角，航空相机的伺服系统依据相机控制器发送的目标角度控制俯角和位角运动到指定位置，此时视轴将指向目标位置。受大气路径辐射的影响，航空遥感设备接收到的光能量中目标占比很小，大气路径辐射激发大量散粒噪声严重影响图像的信噪比，因此通过选择高帧频可见探测器，在收到曝光信号后可以单帧内实现地面目标的多次曝光，对帧内图像进行多次曝光图像平均化处理，可以抑制散粒噪声，初步提高信噪比，为后期目标区域图像提取奠定基础。提取出地面定点凝视成像获取的多帧图像中相同区域目标，再对该区域的目标图像进行时域平均，可有效抑制航空遥感设备大斜视远距离成像图像的散粒噪声，提高图像信噪比。本方法对于地面或航空逆光成像也有很好的散粒噪声抑制。

下面以航空相机作为实施例对本发明的具体实施方案进行详细说明。图2中综合控制单元主要负责依据载机(航空相机)的经度、纬度、高度、俯仰角、横滚角、航向角、相机原框架角位置计算新的航空相机框架角，以保证在成像过程中航空相机视轴指向地面固定目标。此外，综合控制单元依据航空遥感设备的工作时序向帧内图像平均处理单元发送曝光控制信号，帧内图像平均处理单元接收到曝光控制信号后，在单帧曝光时间(一般不超过20ms)内向高帧频可见探测器发送多次曝光信号，帧内曝光次数由航空相机的像移补偿能力和单次曝光时间决定。高帧频可见探测器在接收到帧内曝光控制信号后，将获取的图像发送给帧内图像平均处理单元，后者对帧内多次曝光的图像进行平均化处理，然后将处理的结果发送给图像目标区域提取处理单元，图像目标区域提取处理单元在接收到不同帧图像中提取公共的地面目标信息，并将该公共的目标信息进行时域平均处理。成像示意图如图3所示，相机框架角计算流程如图4所示，按照该流程指定经度、纬度及高度的地面目标，可以实现视轴持续指向地面该目标，实现凝视成像功能。EMVA1288标准中给出的图像信噪比公式为：

公式中分子为接收到的光子激发的电子数，分母中包含了暗场时域噪声、暗场空域噪声、量化噪声、散粒噪声和响应非均匀性噪声，该公式适用于试验室近景成像时描述图像的信噪比，对于航空斜视远距离成像时，大气路径辐射激发大量散粒噪声且对信号无任何贡献。因此在分母中引入大气路径辐射激发散粒噪声，用电子数表示的信噪比公式为

μ

综上所述，本发明的方法由帧内多次曝光方法、定点凝视成像、目标图像时域平均处理等3个关键部分构成。受到大气路径辐射效应的影响，航空遥感斜视远距离成像设备获取的图像信噪比明显偏低，主要原因是大气路径辐射激发了大量的散粒噪声。本方法中帧内多次曝光方法通过选择高帧频可见探测器实现，当接收到系统发送的曝光信号后，在遥感设备像移补偿能力范围内进行多次曝光，每次曝光获取的图像发送后进行处理，将帧内获取的图像进行平均处理，将平均的结果发送给目标图像区域提取处理单元。使用对地面固定目标凝视的方式进行成像，获取地面同一目标多帧图像，通过提取图像中的同一目标区域图像，并对该目标区域图像进行时域平均处理，处理后图像的散粒噪声将得到显著抑制，图像信噪比明显提升。本方法可以明显抑制图像的散粒噪声，提高图像的信噪比；本方法解决了大斜视远距离成像的航空遥感设备中可见探测器选型中面临的小像元尺寸和大满阱之间的矛盾；本方法可以突破图像最大信噪比为信号电子数均方根的理论限制。

实施例2

根据本发明的另一实施例，提供了一种抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的装置，参见图2，包括：

帧内图像平均处理单元，用于对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像；

图像目标区域提取处理单元，用于对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声。

本发明实施例中的抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的装置，通过对地面同一目标通过帧内多次曝光的方法进行多次拍照，获取同一目标的多帧图像，并对多帧图像进行时域平均处理降低图像的散粒噪声，可以有效降低图像的散粒噪声影响，提高图像的信噪比，同时解决航空斜视遥感图像探测器选型中存在的小像元尺寸与大满阱电子数需求之间的矛盾，可以有效增大成像探测的极限距离，实现对更小的目标背景反射率差目标的探测。

其中，装置还包括：

综合控制单元，用于实时采集飞机的经度、纬度和高度信息，并由相机控制器解算出对应的航空相机的相机框架角，航空相机的伺服系统依据相机控制器发送的目标角度控制俯角和位角运动到指定位置，航空相机的视轴指向目标位置。

其中，综合控制单元依据航空相机的经度、纬度、高度、俯仰角、横滚角、航向角、相机原框架角位置计算新的航空相机框架角，使得在成像过程中航空相机视轴指向地面固定目标；并依据航空遥感设备的工作时序向帧内图像平均处理单元发送曝光控制信号。

下面以具体实施例，对本发明的抑制航空斜视远距离成像遥感图像散粒噪声的装置进行详细说明：

针对大气路径辐射对航空斜视远距离成像信噪比的影响，本发明提出了一种抑制航空斜视远距离成像图像散粒噪声的装置，通过帧内多次曝光与多帧图像时域平均相结合的方法降低航空斜视远距离成像时的图像散粒噪声，进而提高图像的信噪比，提升成像探测距离。在航空成像过程中，通过航空对地固定目标凝视的方式，实现对地面同一目标区域的多次拍照，首先通过选用高帧频可见探测器实现帧内多次曝光，对帧内多次曝光图像进行平均化处理初步提高当前帧图像的信噪比，为后期地面固定目标提取奠定基础；然后对地面定点凝视成像获取的多帧图像进行处理，提取不同帧数据中相同的地面固定目标，再进行多帧平均，降低图像的散粒噪声，进而提高图像的信噪比。

本发明解决的技术问题是抑制航空遥感设备的散粒噪声，尤其是大气路径辐射激发的散粒噪声对航空斜视远距离成像图像信噪比的影响。通过对地面目标凝视定点成像的方法，采用帧内多次曝光方法及对获取的多帧图像进行平均，可以有效降低图像的散粒噪声影响，提高图像的信噪比，同时解决航空斜视遥感图像探测器选型中存在的小像元尺寸与大满阱电子数需求之间的矛盾，可以有效增大成像探测的极限距离，实现对更小的目标背景反射率差目标的探测。

本发明采用的技术方案，具体实施如图2所示：航空相机一般由俯角(外框架)轴系和位角(内框架)轴系构成，在航空成像过程中，依据飞机和目标的相对位置关系，通过调整航空相机俯角轴系指向和位角轴系指向将航空相机的视轴指向目标位置，并对目标进行拍照。实际工作过程中，飞机的位置不断变化，因此需要实时采集飞机的经度、纬度和高度信息，并由相机控制器解算出对应的相机框架角，航空相机的伺服系统依据相机控制器发送的目标角度控制俯角和位角运动到指定位置，此时视轴将指向目标位置。受大气路径辐射的影响，航空遥感设备接收到的光能量中目标占比很小，大气路径辐射激发大量散粒噪声严重影响图像的信噪比，因此通过选择高帧频可见探测器，在收到曝光信号后可以单帧内实现地面目标的多次曝光，对帧内图像进行多次曝光图像平均化处理，可以抑制散粒噪声，初步提高信噪比，为后期目标区域图像提取奠定基础。提取出地面定点凝视成像获取的多帧图像中相同区域目标，再对该区域的目标图像进行时域平均，可有效抑制航空遥感设备大斜视远距离成像图像的散粒噪声，提高图像信噪比。本装置对于地面或航空逆光成像也有很好的散粒噪声抑制。

下面以航空相机作为实施例对本发明的具体实施方案进行详细说明。图2中综合控制单元主要负责依据载机(航空相机)的经度、纬度、高度、俯仰角、横滚角、航向角、相机原框架角位置计算新的航空相机框架角，以保证在成像过程中航空相机视轴指向地面固定目标。此外，综合控制单元依据航空遥感设备的工作时序向帧内图像平均处理单元发送曝光控制信号，帧内图像平均处理单元接收到曝光控制信号后，在单帧曝光时间(一般不超过20ms)内向高帧频可见探测器发送多次曝光信号，帧内曝光次数由航空相机的像移补偿能力和单次曝光时间决定。高帧频可见探测器在接收到帧内曝光控制信号后，将获取的图像发送给帧内图像平均处理单元，后者对帧内多次曝光的图像进行平均化处理，然后将处理的结果发送给图像目标区域提取处理单元，图像目标区域提取处理单元在接收到不同帧图像中提取公共的地面目标信息，并将该公共的目标信息进行时域平均处理。成像示意图如图3所示，相机框架角计算流程如图4所示，按照该流程指定经度、纬度及高度的地面目标，可以实现视轴持续指向地面该目标，实现凝视成像功能。EMVA1288标准中给出的图像信噪比公式为：

公式中分子为接收到的光子激发的电子数，分母中包含了暗场时域噪声、暗场空域噪声、量化噪声、散粒噪声和响应非均匀性噪声，该公式适用于试验室近景成像时描述图像的信噪比，对于航空斜视远距离成像时，大气路径辐射激发大量散粒噪声且对信号无任何贡献。因此在分母中引入大气路径辐射激发散粒噪声，用电子数表示的信噪比公式为

μ

综上所述，本发明的装置由帧内多次曝光方法、定点凝视成像、目标图像时域平均处理等3个关键部分构成。受到大气路径辐射效应的影响，航空遥感斜视远距离成像设备获取的图像信噪比明显偏低，主要原因是大气路径辐射激发了大量的散粒噪声。本装置中帧内多次曝光方法通过选择高帧频可见探测器实现，当接收到系统发送的曝光信号后，在遥感设备像移补偿能力范围内进行多次曝光，每次曝光获取的图像发送后进行处理，将帧内获取的图像进行平均处理，将平均的结果发送给目标图像区域提取处理单元。使用对地面固定目标凝视的方式进行成像，获取地面同一目标多帧图像，通过提取图像中的同一目标区域图像，并对该目标区域图像进行时域平均处理，处理后图像的散粒噪声将得到显著抑制，图像信噪比明显提升。本装置可以明显抑制图像的散粒噪声，提高图像的信噪比；本装置解决了大斜视远距离成像的航空遥感设备中可见探测器选型中面临的小像元尺寸和大满阱之间的矛盾；本装置可以突破图像最大信噪比为信号电子数均方根的理论限制。

本发明的创新技术点及有益效果至少在于：

(1)以EMVA1288标准中的信噪比公式为基础，提出了适用于描述航空遥感设备大斜视远距离成像的信噪比公式。

(2)航空成像真正信号应该为相邻目标的反射率差产生的反射能量差压。

(3)给出了响应非均匀性PRNU对增加信号电子数提升信噪比的限制描述，当PRNU水平大于1％时，在15ke-以上区域增加信号电子数对信噪比提升作用微弱。

(4)选用高帧频可见探测器实现帧内图像的多次曝光，对帧内曝光的图像进行平均化处理，可以提高当前帧的图像信噪比，为后期针对地面定点凝视成像中的不同帧数据目标图像提取提供更好基础。

(5)描述了时域平均图像帧数与散粒噪声抑制能力之间关系。

(6)本装置可以突破图像最大信噪比为信号电子数均方根的理论限制。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。