晨昏軌道微光相機(jī)成像策略研究及仿真驗證

李立金 李浩洋 徐彭梅 王宇

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晨昏軌道微光相機(jī)成像策略研究及仿真驗證

李立金 李浩洋 徐彭梅 王宇

（北京空間機(jī)電研究所，北京100094）

為滿足晨昏軌道微光相機(jī)大動態(tài)范圍成像要求，針對EMCCD器件，提出一種微光相機(jī)成像策略。該策略通過對積分時間及電子倍增數(shù)的設(shè)計及選取，制定若干成像檔位，相機(jī)成像過程中，利用文章中提出的圖像灰度最大值法實時計算結(jié)果決定檔位動作，實現(xiàn)微光相機(jī)成像參數(shù)實時調(diào)整。通過地面仿真及在軌驗證，該策略能夠保證微光相機(jī)在大動態(tài)范圍內(nèi)獲取高信噪比、高品質(zhì)圖像，具有良好的實時性、魯棒性和有效性。

晨昏軌道 微光相機(jī) 成像策略 航天遙感

0 引言

晨昏軌道微光相機(jī)是指工作于太陽同步近極地軌道中，軌道降交點地方時間在6:00左右，在夜間和晨昏等低照度條件下獲得可見光圖像的相機(jī)，以其重訪周期短、覆蓋范圍寬、長時段工作等諸多優(yōu)點成為航天領(lǐng)域一個重要的研究方向[1]。由于微光相機(jī)的成像特點，能夠?qū)崿F(xiàn)多種光照條件下低云、大霧的監(jiān)測，同時在微光技術(shù)基礎(chǔ)上形成的微光立體相機(jī)還可以構(gòu)造出云的三維模型，對天氣系統(tǒng)的分析和準(zhǔn)確預(yù)報具有重要意義[2]。目前可以在軌開展微光云圖探測的載荷包括“美國國防氣象衛(wèi)星”（DMSP）Block上的業(yè)務(wù)線掃描系統(tǒng)（OLS）[3-4]及“國家極軌業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星系統(tǒng)準(zhǔn)備項目”（NPP）上搭載的可見光紅外成像儀/輻射計組（VIIRS）[5]，可以獲得夜間1/4月光條件下微光可見光云圖，彌補了傳統(tǒng)夜間可見光通道無法探測的缺點，獲取晝夜不間斷的氣象信息。

晨昏軌道微光相機(jī)的特點是觀測時間總是在凌晨和傍晚，由于光照條件較差，成像能力受到限制。隨著EMCCD等微光探測器件的發(fā)展，微光成像技術(shù)日趨成熟，除了能夠在白天成像外，在夜間和黃昏也能夠利用微弱的太陽光或者月光獲得可見光圖像，從而大大地延長了可見光成像時間[6]。但要想在無月晴朗夜晚、1/4月晴朗、黎明、黃昏等多種不同入瞳輻亮度條件下均能保證信噪比，獲得高品質(zhì)圖像，就需要制定相應(yīng)的成像策略，使相機(jī)能夠根據(jù)在軌運行過程中入瞳輻亮度的變化自動調(diào)整成像參數(shù)[7-11]，從而實現(xiàn)大動態(tài)范圍成像的目的[12]。本文針對工作于晨昏軌道的微光相機(jī)成像策略進(jìn)行研究，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真驗證，為在研型號提供理論依據(jù)，并通過對在軌圖像的分析驗證算法的有效性。

1 成像策略設(shè)計

月光、星光和大氣輝光等微弱的夜間可見光，統(tǒng)稱微光。晨昏軌道微光相機(jī)工作于太陽同步近極地軌道，采用線陣推掃方式成像，如圖1所示，成像原理與可見光成像基本相同，只是在獲取無月晴朗夜晚、1/4月晴朗、黎明、黃昏等多個時段典型光照條件下的圖像時，光源復(fù)雜，入瞳輻亮度變化非常大。根據(jù)以上成像特點，本文結(jié)合微光探測器EMCCD的特點[13-14]，對電子倍增倍數(shù)及積分時間進(jìn)行合理的選取，制定成像策略，實現(xiàn)成像參數(shù)自動調(diào)整。

圖1 工作原理

微光相機(jī)實現(xiàn)自動參數(shù)調(diào)整需解決三個問題：①劃分檔位，設(shè)置每檔成像參數(shù)；②制定成像檔位切換策略，確定檔位閾值；③確定根據(jù)在軌圖像實時進(jìn)行檔位調(diào)整的方法。

1.1 成像檔位參數(shù)設(shè)置

由于微光探測器件成像參數(shù)中的積分時間及電子倍增數(shù)可調(diào)整，因此可以為微光相機(jī)劃分成像檔位，不同檔位設(shè)置不同的成像參數(shù)，從而實現(xiàn)長時段、大動態(tài)范圍成像。成像參數(shù)的確定過程如下：

1）根據(jù)衛(wèi)星速高比計算最大積分時間max，參數(shù)設(shè)置不得超過該值；

2）根據(jù)微光器件工作溫度確定最大電子倍增數(shù)max，參數(shù)設(shè)置不得超過該值；

3）根據(jù)已知軌道仿真相機(jī)入瞳輻亮度s范圍[15]，約為4×10–9~1.6×10–4W/（cm2·sr）；

4）將選定的積分時間in初始值、電子倍增數(shù)初始值及入瞳輻亮度s代入下式，計算探測器的光生電荷數(shù)，得到相應(yīng)的能量[16]

式中s為信號電子數(shù)；DN為像元灰度值；為像元大小；為光圈F數(shù)；0為相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)透過率；為中心波長；為普朗克常量；為光速；為探測器量子效率；為遮攔比；為半視場角；為電子倍增數(shù)；為探測器電荷電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)；為量化系數(shù)；為電路AD增益；為運放倍數(shù)；為量化位數(shù)；為信號輸出最大幅度。

5）計算相機(jī)信噪比（SNR）[17-18]，調(diào)整積分時間in及電子倍增數(shù)，使SNR滿足指標(biāo)要求，且在微光探測器件能量不發(fā)生飽和的前提下，SNR盡可能大。

6）在器件能力允許的情況下設(shè)置盡可能多的成像檔位來適應(yīng)大動態(tài)范圍成像需求。

根據(jù)以上原則，將微光相機(jī)成像檔位劃分為4檔，每一檔入瞳輻亮度覆蓋范圍（紅色部分）及各檔位輻亮度重合情況如圖2所示，動態(tài)范圍覆蓋4×10–9~1.6×10–4W/（cm2·sr）。

圖2 檔位劃分

1.2 成像檔位調(diào)整原則

微光相機(jī)采用“就高”的原則進(jìn)行相應(yīng)檔位的調(diào)整。“就高”是指成像時保證地面高輻亮度景物正常成像，不能保證或不完全保證低輻亮度景物。這種原則的優(yōu)點在于可避免CCD出現(xiàn)過飽和區(qū)域，延長器件使用壽命。

根據(jù)上述原則，可以得到對應(yīng)的成像參數(shù)檔位調(diào)整表，如表1所示。

表1 “就高”檔位調(diào)整表

Tab.1 “High level” switch threshold adjustment

注：1）灰度閾值1~灰度閾值6為1.1節(jié)劃分4個檔位后利用式（1）~式（3）計算的DN值大小，DNavg計算方法詳見1.3。

1.3 灰度最大值計算方法

成像參數(shù)自動調(diào)整過程中，需要計算實時圖像灰度最大值來確定成像參數(shù)檔位動作[19-20]，因此灰度最大值的計算結(jié)果關(guān)系到是否能夠及時、合理的調(diào)整成像參數(shù)。為了保證成像策略的實時性和魯棒性，灰度最大值計算方法需要考慮以下幾點：

1）計算取樣個數(shù)。計算取樣個數(shù)關(guān)系到計算結(jié)果是否具有代表性。若只取一行進(jìn)行計算，算法對輻亮度突變的景物過于敏感，檔位調(diào)整頻率過快，顯然不能滿足要求。若取多行處理，可避免亮度突變情況的影響，但是算法的實時性會受到影響。

2）均值計算權(quán)重分配。根據(jù)上述分析，灰度最大值計算時要取多行進(jìn)行計算得到均值。在計算時，每行的權(quán)重分配也關(guān)系到成像策略的有效性。若權(quán)重分配不合理會導(dǎo)致計算出的均值沒有代表性，影響算法的實現(xiàn)。

灰度最大值計算方法采用如下流程：

式中為權(quán)值，根據(jù)微光相機(jī)空間分辨率及云圖成像特點，經(jīng)仿真可認(rèn)為迭代8行以上可進(jìn)行檔位調(diào)整，因此選為0.8。

③下一行采取同樣處理方法。

④當(dāng)發(fā)生檔位變化后，算法初始化，以當(dāng)前行為第一行重新進(jìn)行計算。

2 成像策略仿真驗證

對相機(jī)成像策略進(jìn)行仿真驗證，步驟如下：

1）首先進(jìn)行初始化，設(shè)置初始檔位、成像參數(shù)調(diào)整原則等相關(guān)參數(shù)；

3）將DNavg與檔位調(diào)整表中的閾值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前檔位，并執(zhí)行相應(yīng)動作；

4）若不需要檔位變化，則繼續(xù)執(zhí)行迭代計算，若檔位發(fā)生變化，則以檔位變化后的第一行影像數(shù)據(jù)作為迭代計算的初始值，繼續(xù)迭代計算；

根據(jù)入瞳輻亮度變化規(guī)律，利用MATLAB軟件生成大小為1 024×2 000的jpg格式的無云的原始圖像，按照上述步驟對成像策略進(jìn)行仿真驗證。圖3（a）為假設(shè)地球為朗伯體且在無云情況下獲得的遙感影像，其理論成像檔位變化情況已知。圖3（b）為經(jīng)過成像參數(shù)調(diào)整后的遙感影像；理論檔位變化及實際檔位變化情況如圖4所示，可以看出：檔位變化最大延遲時間為微光成像儀推掃3行所需的時間。本文提出的成像策略具有良好的實時性，能夠滿足系統(tǒng)需求。

（a）原始影像 （b）經(jīng)成像參數(shù)調(diào)整后影像

圖4 檔位變化延遲情況（假設(shè)地球為朗伯體，無云）

根據(jù)入瞳輻亮度變化規(guī)律，利用MATLAB軟件生成大小為1 024×2 000的jpg格式的有云的原始圖像，按照上述步驟對成像策略進(jìn)行仿真驗證。圖5（a）為未經(jīng)成像參數(shù)調(diào)整的原始影像，可以看出該影像亮度很低，尤其在低輻亮度范圍視場內(nèi)景物幾乎不可見；圖5（b）為經(jīng)成像參數(shù)調(diào)整后獲得的影像，盡管曝光后存在亮度不均勻的問題，但是能夠獲取整個視場內(nèi)的景物信息；圖6為實際場景中檔位變化情況，可以看出并未發(fā)生頻繁的跳變現(xiàn)象，說明該策略具有很強(qiáng)的魯棒性。

（a）原始影像 （b）經(jīng)成像參數(shù)調(diào)整后影像

圖6 檔位變化情況

3 成像策略在軌驗證

相機(jī)經(jīng)過在軌測試與評價，設(shè)計的成像策略能夠?qū)崿F(xiàn)在軌實時調(diào)整合適檔位，保證在不同入瞳輻亮度情況下信噪比滿足要求，獲得大動態(tài)范圍的清晰影像。圖7為在軌獲取的云層圖像，成像過程中檔位由第一檔調(diào)整為第三檔，可以看出圖像視覺質(zhì)量有顯著提高，通過計算圖像灰度均值，可以獲得檔位調(diào)整前后圖像亮度整體提升水平。一幅×的灰度圖像DN(，)的灰度均值計算公式如下

為保證入瞳輻亮度及成像目標(biāo)接近一致，選擇檔位調(diào)整前后各1列像素進(jìn)行灰度均值計算，計算結(jié)果表明：檔位調(diào)整后圖像灰度均值約為檔位調(diào)整前的6倍，圖像亮度整體提升效果明顯，并且景物未出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由此可以得出成像策略能夠有效解決微光相機(jī)大動態(tài)范圍成像的問題。同時在軌測試過程中并未出現(xiàn)檔位頻繁跳變問題，證明了成像策略具有較好的魯棒性。

4 結(jié)束語

文中主要進(jìn)行了檔位成像參數(shù)設(shè)置、檔位調(diào)整策略制定、在軌圖像實時調(diào)整方案設(shè)計三個方面的研究，提出了工作于晨昏軌道的微光相機(jī)大動態(tài)范圍成像策略。經(jīng)地面仿真研究及在軌驗證，該成像策略具有較好的實時性、魯棒性和有效性，可以應(yīng)用于微光相機(jī)在軌實時成像參數(shù)調(diào)整，保證高品質(zhì)、大動態(tài)范圍成像。

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（編輯：王麗霞）

Simulation and Verification of Imaging Strategy for Low-light-level Camera on Dawn-dusk Orbit

LI Lijin LI Haoyang XU Pengmei WANG Yu

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In order to meet the requirement of large dynamic range imaging for low-light-level camera on dawn-dusk orbit, this paper proposes an imaging strategy for low-light-level camera based on EMCCD. The strategy formulates several imaging gears by designing and selecting the integration time and electron multiplier. During the imaging, gear switch was realized by the results of max image grey calculated in real time. According to the ground simulation and on-orbit validation, this strategy has better real-time, robustness and validity, which can produce high SNR and good images in large dynamic range.

dawn-dusk orbit; low-light-level camera; imaging strategy; space remote sensing

V443+.5

A

1009-8518(2017)05-0029-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2017.05.004

李立金，女，1985年生，2012年獲哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向為遙感相機(jī)電子學(xué)總體設(shè)計。Email：lilijin129@126.com。

2017-06-20

國家重大科技專項工程