一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法
阅读：815发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种滤光片 光谱 偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法涉及光学遥感技术领域，该方法包括如下步骤：设计或获取空间光学遥感器各谱段的谱段范围、中心 波长 及带宽的 光谱特性 参数；获取典型地物的地表反射率曲线；根据空间光学遥感器各谱段的光学特性参数和典型地物的地表反射率曲线，计算不同典型地物在空间光学遥感器各谱段光谱带宽范围的等效反射率；利用大气 辐射 传输模型模拟典型光照条件下不同典型地物等效反射率对应的空间光学遥感器入瞳处的太阳辐 亮度 ；根据 太阳辐射 亮度和空间光学遥感器辐射转换模型，计算图像灰度值；对空间光学遥感器各谱段的中心波长或带宽进行偏移，计算不同地物分别对应的图像灰度响应偏差。，下面是一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法专利的具体信息内容。
1.一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤一：设计或获取空间光学遥感器各谱段的谱段范围、中心波长及带宽的光谱特性参数；
步骤二：获取典型地物的地表反射率曲线；
步骤三：根据步骤一获得的空间光学遥感器各谱段的光学特性参数和步骤二获取典型地物的地表反射率曲线，计算不同典型地物在空间光学遥感器各谱段光谱带宽范围的等效反射率；
步骤四：利用大气辐射传输模型模拟典型光照条件下不同典型地物等效反射率对应的空间光学遥感器入瞳处的太阳辐亮度；
步骤五：根据步骤四得到的太阳辐射亮度和空间光学遥感器辐射转换模型，计算图像灰度值；
步骤六：对空间光学遥感器各谱段的中心波长或带宽进行偏移，计算不同地物分别对应的图像灰度响应偏差。
2.根据权利要求1所述的一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法，其特征在于，所述典型地物为水体、土壤、植被。
一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析
方法
技术领域
背景技术
[0002] 空间光学遥感器的成像过程是将输入辐射转换为图像输出，图像的DN 值是由光学系统、滤光片、焦平面探测器与输入辐射综合作用的结果。其中，滤光片作为遥感图像成像链路中的关键器件，承担谱带滤光的功能，直接影响遥感器成像系统的光谱响应性能。
[0003] 在实际工程应用中，滤光片的滤光类型一般通过镀膜来实现，然而，基于目前的镀膜工艺，实际加工生产出滤光片的光谱特性与其设计值之间存在误差。因此，如何确定合理的误差范围，以保证既能满足遥感器成像的光谱性能要求，同时尽可能降低滤光片的加工难度与成本，则是遥感器成像系统研制过程中不可避免的技术问题。
[0004] 当前，在空间光学遥感成像系统的性能分析中，成像链路各环节自身性能指标与最终的影像辐射质量间难以建立明确的定量关系，且针对空间光学遥感器滤光片光谱特性的研究多集中在滤光片的设计方法与研制技术手段以及对已有滤光片光谱特性的测试、分析与考核等方面。而在实际工程应用中，在完成滤光片的谱段设计之后，如何确定滤光片的镀膜技术要求，如何定量分析滤光片光谱特性偏差对遥感器成像的影响，并没有可供参考的标准或文献依据。发明内容
[0005] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法，解决了在空间光学遥感器设计阶段对滤光片光谱特性的误差分配问题，可在设计阶段为滤光片光谱特性技术要求的设定提供一定的参考依据。
[0006] 本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007] 一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法，该方法包括如下步骤：
[0008] 步骤一：设计或获取空间光学遥感器各谱段的谱段范围、中心波长及带宽的光谱特性参数；
[0009] 步骤二：获取典型地物的地表反射率曲线；
[0010] 步骤三：根据步骤一获得的空间光学遥感器各谱段的光学特性参数和步骤二获取典型地物的地表反射率曲线，计算不同典型地物在空间光学遥感器各谱段光谱带宽范围的等效反射率；
[0011] 步骤四：利用大气辐射传输模型模拟典型光照条件下不同典型地物等效反射率对应的空间光学遥感器入瞳处的太阳辐亮度；
[0012] 步骤五：根据步骤四得到的太阳辐射亮度和空间光学遥感器辐射转换模型，计算图像灰度值；
[0013] 步骤六：对空间光学遥感器各谱段的中心波长或带宽进行偏移，计算不同地物分别对应的图像灰度响应偏差。
[0015] 本发明的有益效果是：本发明提出了一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法，可直观衡量空间光学遥感器成像系统光谱特性变化导致的输出图像灰度值的差异，有助于解决在空间光学遥感器设计阶段对滤光片光谱特性的误差分配问题，使遥感器在满足成像性能要求的前提下，合理降低器件加工的难度与成本。利用大气辐射传输模型与遥感器辐射转换模型建立了空间光学遥感器输入辐射与输出图像灰度值之间的联系，可作为一种对空间光学遥感器成像链路各环节性能指标对系统成像影响的仿真分析手段，仿真结果可为遥感器的设计提供一定的参考依据。附图说明
[0016] 图1为本发明的滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法的遥感器光谱响应曲线。
[0017] 图2为本发明的滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法的典型地物地表反射率曲线。
[0018] 图3为本发明的滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法的遥感器入瞳处辐亮度曲线。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0020] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0021] 一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法，包括如下的步骤：
[0022] 步骤一：设计或获取空间光学遥感器的光谱特性参数(设计值)，以某型号空间光学遥感器为例，其光谱范围的设计值如表1所示，为方便分析，简化光谱响应曲线如图1所示。
[0023] 表1 某型号空间光学遥感器光谱设计范围
[0024]谱段 谱段范围/nm 中心波长/nm 带宽/nm
全色Pan 450～800 625 350
Band1(Blue) 450～510 480 60
Band2(Green) 510～580 545 70
Band3(Red) 630～690 660 60
Band4(NIR) 770～895 832.5 125
全色Pan 450～800 625 350
Band1(Blue) 450～510 480 60
Band2(Green) 510～580 545 70
Band3(Red) 630～690 660 60
Band4(NIR) 770～895 832.5 125
[0025] 步骤二：利用ENVI地物波谱库，获取典型地物如水体、土壤、植被等的地表反射率曲线，如图2所示。
[0026] 步骤三：根据步骤一中提供的空间光学遥感器光谱特性参数及步骤二中获取的典型地物反射率曲线，计算不同的典型地物在空间光学遥感器各谱段光谱带宽范围的等效反射率ρi，为：
[0027]
[0028] 式中，ρ(λ)为典型地物的地表反射率；Si(λ)为空间光学遥感器在波段i的光谱响应函数，波段响应范围为λ1和λ2，在这个范围外的响应等于0。
[0029] 步骤四：根据步骤三计算得到的典型地物等效反射率，利用大气辐射传输模型Modtran4计算某一太阳高度角下不同典型地物等效反射率对应的空间光学遥感器入瞳处的太阳辐亮度。
[0030] 如图3所示，为太阳高度角为60°，典型地物等效反射率为0.3时，利用Modtran4模拟得到的地球中纬度地区夏季的太阳辐射能量经地面反射后在大气层顶的太阳辐亮度曲线。
[0031] 步骤五：建立空间光学遥感器的辐射转换模型，具体如下：
[0032] 在空间光学遥感器成像过程中，相机入瞳处太阳辐亮度经光学系统后照射在探测器上，探测器经光电转换将接收到的光学信号转换为电子信号，再通过信号处理电路进行放大和处理，并最终量化输出为图像像元的灰度(DN) 值。
[0033] 探测器每个探元接收的光谱通量Φ(λ)可表示为：
[0034]
[0035] 式中，Ad为探测器像元面积，F为光学系统相对孔径，L(λ)为遥感器入瞳处太阳辐亮度，τ0为光学系统透过率。
[0036] 各探元在光电转换过程中，成像曝光时间内积累的电子数Se可表示为：
[0037]
[0039] 图像的DN值，可表示为：
[0040] DN＝gain×Se
[0041] 综上，图像的DN值与输入太阳辐亮度的关系可表示为：
[0042]
[0043] 其中，
[0044] 步骤六：分别对空间光学遥感器各谱段的中心波长和带宽进行偏移，计算不同地物分别对应的图像灰度偏差：
[0045]
[0046] 实现了一种滤光片光谱偏移对空间光学遥感器成像影响的定量分析方法。
[0047] 式中，DN(Rδ)为带有偏差的空间光学遥感器光谱特性参数计算得到的图像DN值，DN(R0)为按照空间光学遥感器光谱特性参数设计值计算得到的图像DN值。
[0048] 1)谱段中心波长偏移影响分析
[0049] 保持各个谱段带宽不变，将中心波长分别偏移±10nm，计算不同典型地物对应的图像灰度偏差。以Coarse Granular Snow(粗粒雪)、Giant Wildrye(草)、 Grayish brown loam(裸土)、Sandstone(砂岩)、Seawater_Open_Ocean(海水)为例，计算结果如表2～表6所示。
[0050] 表2 粗粒雪Coarse Granular Snow中心波长偏移影响
[0051]
[0052] 表3 草Giant Wildrye中心波长偏移影响
[0053]
[0054] 表4 裸土Grayish brown loam中心波长偏移影响
[0055]
[0056] 表5 砂岩Sandstone中心波长偏移影响
[0057]
[0058] 表6 海水Seawater_Open_Ocean中心波长偏移影响
[0059]
[0060] 2)谱段带宽偏移影响分析
[0061] 保持各个谱段中心波长不变，将带宽分别向短波长和长波长两个方向偏移0nm～10nm，计算不同典型地物对应的图像灰度偏差。以Coarse Granular Snow(粗粒雪)、Giant Wildrye(草)、Grayish brown loam(裸土)、Sandstone(砂岩)、Seawater_Open_Ocean(海水)为例，计算结果如表8～表12所示。
[0062] 表8 粗粒雪Coarse Granular Snow带宽差异影响
[0063]
[0064] 表9 草Giant Wildrye带宽差异影响
[0065]
[0066] 表10 裸土Grayish brown loam带宽差异影响
[0067]
[0068] 表11 砂岩Sandstone带宽差异影响
[0069]
[0070] 表12 海水Seawater_Open_Ocean带宽差异影响
[0071]
[0072] 根据上述仿真计算结果，可直观看出对于不同地物遥感器光谱特性偏差对图像灰度值的影响，进一步可分析得到如下结论：
[0073] 结论1：相比于中心波长的偏移，光谱带宽的偏差对图像灰度会产生更大的影响；
[0074] 结论2：光谱特性偏差在不同谱段对图像灰度的影响效果并不一致，Blue 和NIR谱段对中心波长的变化较为敏感，Blue、Green和Red谱段对带宽的变化较为敏感；
[0075] 结论3：中心波长偏移对不同典型地物图像灰度的影响不一致，如中心波长偏差为4nm时，不同地物的灰度偏差为：
[0076] 地物类型 B1(Blue) B2(Green) B3(Red) B4(NIR) Pan粗粒雪Coarse Granular Snow 4.43％ 2.24％ -0.31％ -4.15％ 0.46％ 草Giant Wildrye 3.54％ 1.50％ -0.81％ -3.20％ 1.08％
裸土Grayish brown loam 3.56％ 2.51％ -0.66％ -1.66％ 1.05％
岩沙Sandstone 3.51％ 1.40％ -0.70％ -3.38％ -0.19％
海水Seawater_Open_Ocean 2.67％ 1.31％ -0.87％ -3.56％ -0.37％ [0077] 结论4：带宽偏差对不同典型地物图像灰度的影响趋于一致，如带宽偏差为-3nm时，不同地物的灰度偏差为：
裸土Grayish brown loam 3.56％ 2.51％ -0.66％ -1.66％ 1.05％
岩沙Sandstone 3.51％ 1.40％ -0.70％ -3.38％ -0.19％
海水Seawater_Open_Ocean 2.67％ 1.31％ -0.87％ -3.56％ -0.37％ [0077] 结论4：带宽偏差对不同典型地物图像灰度的影响趋于一致，如带宽偏差为-3nm时，不同地物的灰度偏差为：
[0078] 地物类型 B1(Blue) B2(Green) B3(Red) B4(NIR) Pan粗粒雪Coarse Granular Snow -3.20％ -3.85％ -4.51％ -3.13％ -0.53％ 草Giant Wildrye -3.53％ -4.13％ -4.78％ -3.13％ 0.32％
裸土Grayish brown loam -3.53％ -4.14％ -4.70％ -1.57％ -0.83％ 岩沙Sandstone -3.55％ -4.16％ -4.73％ -3.28％ -0.86％
海水Seawater_Open_Ocean -4.31％ -4.20％ -4.81％ -3.40％ -0.95％ [0079] 此外，除上述结论，还可依据遥感器成像的具体性能指标，结合仿真数据分析结果，对滤光片加工的光谱特性技术要求提出合理建议。当前，各国空间光学遥感器影像的相对辐射精度基本可达到3％，据此，结合上述典型地物在不同光谱特性偏差下图像灰度响应变化的仿真计算结果，可建议滤光片光谱特性的加工误差范围为：中心波长±2nm，带宽±
1nm。
裸土Grayish brown loam -3.53％ -4.14％ -4.70％ -1.57％ -0.83％ 岩沙Sandstone -3.55％ -4.16％ -4.73％ -3.28％ -0.86％
海水Seawater_Open_Ocean -4.31％ -4.20％ -4.81％ -3.40％ -0.95％ [0079] 此外，除上述结论，还可依据遥感器成像的具体性能指标，结合仿真数据分析结果，对滤光片加工的光谱特性技术要求提出合理建议。当前，各国空间光学遥感器影像的相对辐射精度基本可达到3％，据此，结合上述典型地物在不同光谱特性偏差下图像灰度响应变化的仿真计算结果，可建议滤光片光谱特性的加工误差范围为：中心波长±2nm，带宽±
1nm。
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