一种实时大气点扩散标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种大气点扩散函数实时标定方法。本发明包括如下步骤：（1）系统脉冲激光发射；（2）光束经过大气的下行散射，地面反射和大气的上行散射，最终返回到系统的光学接受部分；（3）经过线阵光子探测器采集的信号，通过和原始的发射光波的函数利用傅里叶变换进行解算获取像素级的点扩散函数；（4）通过用广义高斯分布来进行插值我们可以得到亚像素进度的点扩散函数。本发明基于激光直接探测的方法来实时的获取大气中的点扩散函数，并通过对于最终点扩散函数的曲线拟合和插值，获取亚像素级精度的点扩散函数。本发明方法可应用于遥感高精度成像领域，为星载图像的高分辨率校正提供准确的点扩散函数。
【专利说明】一种实时大气点扩散标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于遥感探测【技术领域】，涉及一种利用激光探测的实时大气点扩散标定方法。
【背景技术】
[0002]在遥感成像的过程中，光辐射不仅仅依赖于观测目标，同时它还受到大气中的各种气体和气溶胶粒子的吸收和散射影响。成像过程中不可避免的大气干扰，通常会导致成像质量的退化，尤其是基于卫星、平流层、航空平台的光学遥感对地观测(特别是侧摆、倾斜拍摄)情况下，成像距离非常远从而使得大气光学厚度增加，导致捕获图像的对比度、色彩饱和度下降，目标细节信息丢失，从而大大降低景物的可识别度。因此，为了从图像中获得更多有用的信息，必须进行图像的复原操作，补偿大气造成的退化影响。而对于由于大气的衰减和散射造成的影响，通常可以用如下模型进行表示:
[0003]g = (f0.t)*h0+[B.(l-t)]*ha
[0004]式中f。为物体反射辐射量，g为最终探测到的辐射量，t为场景透过利率，h。和ha是点扩散函数，B为天光辐射。通常分为以下两种方法来求取模型中的参数来进行图像恢复，一种是基于图像处理的参数计算，一种是基于天基仪器的物理探测的参数获取。而基于图像处理的参数计算，往往需要一些先验假设，从而使得结果含有假设的误差，同时基于图像处理的方法往往计算复杂度高，使得系统的实时性不高。而基于物理探测的参数获取方法，主要分为基于激光雷达探测消光系数和基于光谱辐射计探测光学厚度。而以上两种系统往往结构复杂，仪器尺寸大，很难整合到主成像系统中为提升成像质量服务，同时上述两种仪器获取的数据是基于长期的统计规律和假设来反演光学参数，因此获取的大气有效光学数据的可靠性、准确性就比较低。因此对于如何快速准确有效的探测大气的点扩散函数，并且构建轻便系统和星载成像系统联合使用，为星载图像的高分辨率校正提供服务，成为了当前的重要需求。
【发明内容】
[0005]本发明提出一种实时大气点扩散标定方法，整个系统硬件的工程要求低，能和天基其他主载荷联合使用。通过直接测量地面上反射激光点透过大气后的散射像，从而求出整个大气层的点扩散函数。点扩散计算过程中不依赖大气散射模型，不引入模型假设和近似，直接探测解算从而使得结果有很高的精度。
[0006]本发明实时大气点扩散标定方法主要思路是:
[0007](I)从卫星上向地面发射一束窄脉冲准平行激光束，该光束进入大气层后受到大气的散射作用，最终达到地面形成一个光斑，因为散射作用微弱。光斑经地面反射后对于最终的探测系统形成了一个类点源目标。
[0008](2)该点源目标反射的光再次通过大气层，并受到大气的散射作用最终穿过大气层到达卫星上的光学接受系统。这样最后的接受信号就是出射的光脉冲分别经过下行大气散射和上行大气散射后点扩散信号。
[0009](3)假定大气散射引起的扩散是圆对称的，在接受面上采用32个矩形像素进行一维方向探测，这样可以增加接受信号，而同时又不影响接受信号的解析性，最后用通用高斯分布进行插值旋转获取最终的探测信号，然后利用卷积的傅里叶性质可以求取出点扩散函数。
[0010](4)利用广义高斯分布进行曲线拟合和插值，获取亚像素级的分辨率。
[0011]一种实时大气点扩散标定方法，包括如下步骤:
[0012](I)从卫星上向地面发射一束窄脉冲准平行激光束D(X，y)，该光束进入大气层后受到大气的散射作用，最终达到地面形成一个光斑f\(X，y)，即:
[0013]^(χ,Y) = D(x,y)*hv (x, y) (I)
[0014](2)因为散射作用微弱。光斑经地面反射后对于最终的探测系统形成了一个类点源目标f2(x，y)，即:
[0015]f2 (x, y) = C.f! (x, y) (2)
[0016]该反射点再次通过大气层，并受到大气的散射作用最终穿过大气层到达卫星上的光学接受系统，所以系统的整个过程可以用下式表示:
[0017]f(x,y) = C.D(x,y)*hv (x, y)*hΛ (x, y) (3)
[0018](3)根据以往的数据统计，大气散射引起的扩散基本具有圆对称性，所以在光学接受系统中采用线阵单光子探测阵列(32X1像元)来覆盖f(x，y)整个圆形图像，测量其一维方向的投影。
[0019](4)D(x, y)可以在地面事先探测好或者用晴朗天气下得到的f(x，y)近似替代。在f(x, y)和D(x，y)都知道的情况下，对式(2)进行一次傅里叶变化，得到:
[0020]F( ε , η) = C.D( ε , n ) H2 ( ε , η) (4)
[0021]于是点扩散函数的频谱Η(ε，n)可以通过简单的计算获取，然后再进行一次傅里叶反变换就可以得到点扩散函数。
[0022](5)由于探测器的限制，上述解算出来的点扩散函数是像素级精度，而根据统计发现，通常大气的点扩散函数可以用广义的高斯分布来表示，其二维形式如下:
[0023]
【权利要求】
1.一种实时大气点扩散标定方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤(1)从卫星上向地面发射一束窄脉冲准平行激光束D (x, y)，该光束进入大气层后受到大气的散射作用，最终达到地面形成一个光斑f\(X，y)，即:fI (x, y) = D(x, y)*h V (x, y) (I) 其中，D(x, y)表示了经过归一化后的激光原始光斑形状分布，hv (x, y)表示下行大气点扩散函数； 步骤(2)光斑经地面反射后形成了一个类点源目标f2(x，y)，即: f2 (χ, y) = c.f! (x, y) (2) 其中C为同地面反射率和大气衰减有关的系数； 该反射点再次通过大气层，并受到大气的散射作用最终穿过大气层到达卫星上的光学接受系统，整个过程用下式表示:
f(x, y) = C.D(x, y)*hv(x, y)*hA (x, y) (3)
hA (χ, y)分别表示上行的大气点扩散函数； 步骤(3)在光学接受系统采用线阵单光子探测阵列来覆盖f(x，y)整个圆形图像，测量其一维方向的投影； 步骤(4)对式(2)进行一次傅里叶变化，得到: F(e, η) = C*D(e, η)Η2(ε, η) (4) 式中F( ε，η)表示探测到的信号频谱，D(e, n)表示归一化激光原始光斑的频谱，Η( ε，η)表示大气点扩散函数的频谱；` 于是大气点扩散函数的频谱Η(ε，n)可以通过计算获取，然后再进行一次傅里叶反变换就可以得到点扩散函数； 步骤(5)对于步骤4中获得的点扩散函数，用二维的广义高斯分布进行曲线拟合，通过非线性最小二乘法优化获得函数参数，然后再用拟合出来的曲线进行亚像素插值，这样就可以获得亚像素精度的分辨率点扩散函数； 所述的广义高斯分布形式为:
2.根据权利要求1所述的一种实时大气点扩散标定方法，其特征在于:所述的线阵单光子探测阵列采用32X1像元。
【文档编号】G06T7/00GK103886584SQ201410051857
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年2月14日 优先权日:2014年2月14日
【发明者】徐之海, 林光, 张秀达, 严惠民, 倪旭强, 冯华君 申请人:浙江大学