TG-2/MAI CCD像元响应特性不一致性的在轨分析及校正

CCD像元响应特性的差异是制约MAI成像质量及其数据定量化应用的主要因素之一。为了提高MAI数据质量,本文基于全量程多段分析与校正法,利用2016年9月至2018年3月期间共104403帧观测数据,分别对MAI偏振通道和非偏振通道的像元响应特性的不一致性开展了在轨分析与校正,并利用GOME-2和MODIS数据产品对校正结果进行了验证。首先,假定观测样本足够多,即每个CCD像元观测的样本具有相同的遍历性,则各CCD像元对应的所有样本的平均DN值可以代表CCD各像元的响应特性;其次,利用104 403帧观测数据构建各个通道的参考图像,并利用MAI中心5×5像元给出各参考图像对应的标准DN值;在此基础上分别对MAI偏振通道和非偏振通道开展了像元响应特性的分析,结果表明,MAI各通道均存在CCD像元响应特性不一致的问题,各通道的不一致性大约在4%～10%之间,对偏振通道而言,同一偏振波段的三个偏振通道之间像元响应特性的不一致性有一定的相似性,像元响应特性不一致性的差异基本在1%以内。然后,将MAI近两年的观测数据分为前后两个时间段进行对比分析。结果表明：前后两个时间段偏振通道和非偏振通道的图像均具有很好的一致性,即CCD像元响应特性未随时间发生显著变化,这也进一步验证了前面MAI数据量充足的假定。因此,可以利用全量程多段校正法逐通道逐像元开展CCD像元响应特性不一致性的校正。基于该方法校正后,MAI图像质量得到显著改善,图像四周响应偏低的区域明显改善,基本和周围像元的响应达到了同一水平;图像更加平滑,颗粒感基本消除;部分区域的场景发生了变化,特别是碎云等反射率介于中低反射率之间的目标。基于GOME-2的交叉对比结果表明,MAI 565,670和763 nm波段反射率与GOME-2的参考反射率之间的平均绝对偏差分别由校正前的1.6%,4.2%和2.2%减小至校正后的0.5%,2.6%和0.4%;此外,基于多通道云识别方法开展的云检测表明,校正后的MAI云检测结果与MODIS云检测产品一致性更好。因此,全量程多段校正方法可以有效解决MAI CCD像元响应特性的不一致性,显著提高MAI在轨观测的质量,且该方法也可以应用于其他CCD仪器的在轨校正。     

TG-2/MAI CCD像元响应特性不一致性的在轨分析及校正（英文）

CCD像元响应特性的差异是制约MAI成像质量及其数据定量化应用的主要因素之一。为了提高MAI数据质量,本文基于全量程多段分析与校正法,利用2016年9月至2018年3月期间共104403帧观测数据,分别对MAI偏振通道和非偏振通道的像元响应特性的不一致性开展了在轨分析与校正,并利用GOME-2和MODIS数据产品对校正结果进行了验证。首先,假定观测样本足够多,即每个CCD像元观测的样本具有相同的遍历性,则各CCD像元对应的所有样本的平均DN值可以代表CCD各像元的响应特性;其次,利用104 403帧观测数据构建各个通道的参考图像,并利用MAI中心5×5像元给出各参考图像对应的标准DN值;在此基础上分别对MAI偏振通道和非偏振通道开展了像元响应特性的分析,结果表明, MAI各通道均存在CCD像元响应特性不一致的问题,各通道的不一致性大约在4%～10%之间,对偏振通道而言,同一偏振波段的三个偏振通道之间像元响应特性的不一致性有一定的相似性,像元响应特性不一致性的差异基本在1%以内。然后,将MAI近两年的观测数据分为前后两个时间段进行对比分析。结果表明:前后两个时间段偏振通道和非偏振通道的图像均具有很好的一致性,即CCD像元响应特性未随时间发生显著变化,这也进一步验证了前面MAI数据量充足的假定。因此,可以利用全量程多段校正法逐通道逐像元开展CCD像元响应特性不一致性的校正。基于该方法校正后, MAI图像质量得到显著改善,图像四周响应偏低的区域明显改善,基本和周围像元的响应达到了同一水平;图像更加平滑,颗粒感基本消除;部分区域的场景发生了变化,特别是碎云等反射率介于中低反射率之间的目标。基于GOME-2的交叉对比结果表明,MAI 565, 670和763 nm波段反射率与GOME-2的参考反射率之间的平均绝对偏差分别由校正前的1.6%, 4.2%和2.2%减小至校正后的0.5%, 2.6%和0.4%;此外,基于多通道云识别方法开展的云检测表明,校正后的MAI云检测结果与MODIS云检测产品一致性更好。因此,全量程多段校正方法可以有效解决MAI CCD像元响应特性的不一致性,显著提高MAI在轨观测的质量,且该方法也可以应用于其他CCD仪器的在轨校正。     

X射线图像增强器像元响应不一致性的分析及校正

X射线图像增强器像元响应不一致性是评定图像质量的重要指标,它将影响设备的探测能力和分类级别,因而很有必要对不一致性的进行校正。通过对不一致性产生机理的理论分析,建立了图像增强器的每个像元通道光电响应的对数曲线模型。基于该模型,提出了一种改进的两点校正算法。该算法首先将非线性响应转化为线性响应,然后用基于最小二乘的多点校正算法对线性数据进行校正。校正前后的图像及标准差给出了对比,实验结果表明了该校正方法的有效性。     

基于BP网络的图像增强器像元通道不一致性校正研究

像元通道响应不一致性是影响图像增强器检测能力的重要因素,因而有必要对不一致性进行校正。首先分析了传统的不一致性校正方法的缺点,然后提出了一种基于BP神经网络的像元通道响应不一致性的校正方法。该方法利用BP神经网络良好的非线性映射能力,对每一个像元通道进行输入-输出特性的反非线性逼近,同时利用实验数据进行了神经网络的训练。对比了校正前后的图像及标准差。     

航天TDI CCD相机成像拼接快速配准算法设计与分析

为解决卫星灵活机动多模式成像中多片TDI CCD拼接像元失配的问题,提出了一种实现TDI CCD相机成像搭接与错位像元快速拼接配准的匹配算法。通过分析卫星侧摆成像过程焦平面上像移速度矢量变化导致的多片TDI CCD拼接成像像元失配现象,设计了成像速度矢量光线追迹与齐次坐标变换方法,计算了侧摆成像过程中影响图像失配的偏流角、像移速度矢量和两片TDI CCD拼接纵向错位方向和横向搭接方向的像元数目。利用小卫星姿态控制系统半物理仿真平台和TDI CCD原理样机系统对两片TDI CCD拼接像元匹配算法进行实验验证。结果表明:视场角为10°的TDI CCD相机在卫星侧摆30°成像时,经过1个拼接周期后,两片TDI CCD拼接纵向错位和横向搭接像元数目由初始的148.5和50变为137和49,其中横向搭接像元数目与理论计算结果仅有0.1pixel的偏差,纵向错位像元数目与理论计算结果基本一致。经实验和理论对比分析,所设计的纵向错位与横向搭接像元快速拼接配准算法能够解决TDI CCD图像拼接的准确性,确保图像像元匹配进而获得高质量的图片。     

光放大、控制与器件

TN1442007010646X射线图像增强器像元响应不一致性的分析及校正=A-nalysis and correction of XRII-CCD pixel response nonuni-formity[刊,中]/李俊江(北京航空航天大学机械与自动化学院.北京(100083)),路宏年…//光学技术.—2006,32(5).—779-781,784通过对不一致性产生机理的理论分析,建立了图像增强器的每个像元通道光电响应的对数曲线模型。基于该模型,提出了一种改进的两点校正算法。该算法首先将非线性响应转化为线性响应,然后用基于最小二乘的多点校正算法对线性数据进行校正。给出了校正前后的图像及标准差对比,实验结果表明…     

双近贴式X射线像增强器成像不均匀性的分析与校正

分析了双近贴式X射线像增强器响应不一致性的产生机理,对每个像元建立了光电响应的数学模型.基于该模型,提出了一种改进的多点校正算法.该算法将对数曲线模型转化为线性响应模型,通过基于最小二乘法的两点拟合算法对图像数据进行校正.对比分析了校正前后图像的背景标准差及灰度分布曲线,实验结果验证了该方法的有效性.     

基于B样条插值算法的亚像元技术的研究

亚像元动态成像技术是目前实现卫星相机小型化及提高相机空间分辨率的一种有效方法。在不改变TDICCD相机的焦距、成像距离,以及TDI CCD器件的像元尺寸的前提下,亚像元动态成像技术可以提高相机的空间分辨率。利用B样条插值算法,研究了TDI CCD相机的图像的亚像元动态插值问题,由两幅相机输出的原始图像经过算法得到比原图像分辨率高的图像,并对比了该算法与其它几种算法的效果,分析结果表明,该算法较其它算法得到的高分辨率图像的效果更佳。     

图像平场校正方法的扩展应用研究

对于图像阵列探测器而言,由于各像元响应的不一致使得所获图像中各像元灰度存在差异（响应的非均性现象）,而图像的平场校正可以非常有效地消除图像中各像元响应的不一致性.如果将图像背景或光路中影响成像的一些因素在一定程度上看作是图像探测器的响应,认为它是响应非均匀的组成部分,根据平场校正的原理对其进行处理,则可以获得较好的效果.     

一种TDI CCD亚像元图像合成方法

通过分析TDI CCD亚像元相机输出数据的空间和频谱特点,设计了亚像元插值算法,由相机输出的两幅原始图像经过插值融合处理得到一幅比原图像分辨率高的图像.仿真结果表明,该算法较其它算法得到的高分辨率图像的效果更佳,融合之后的图像比原图像分辨率提高至少1.4倍.     

光谱成像仪CCD焦平面组件非均匀性校正技术研究

分析了光谱成像仪CCD焦平面的非均匀性机理和各种非均匀性校正算法，提出两点多段的非均匀性校正算法，该算法避免了两点校正算法的低准确度和多点校正算法的大运算量.在光谱成像仪上的应用结果表明,两点多段的非均匀性校正算法具有运算量小、准确度高、实用性强的优点.     

An enhanced non-uniformity correction algorithm for IRFPA based on neural network

Influenced by detector materials’ non-uniformity, growth and etching techniques, etc., every detector’s responsivity of infrared focal plane arrays (IRFPA) is different, which results in non-uniformity of IRFPA. And non-uniformity of IRFPA generates fixed pattern noises (FPN) that are superposed on infrared image. And it may degrade the infrared image quality, which greatly limits the application of IRFPA. Non-uniformity correction (NUC) is an important technique for IRFPA. The traditional non-uniformity correction algorithm based on neural network and its modified algorithms are analyzed in this paper. And a new improved non-uniformity correction algorithm based on neural network is proposed in this paper. In this algorithm, the desired image is estimated by using three successive images in an infrared sequence. And blurring effect caused by motion is avoided by applying implicit motion detection and edge detection. So the estimation image is closer to real image than the estimation image estimated by other algorithms, which results in fast convergence speed of correction parameters. A comparison is made to these algorithms in this paper. And experimental results show that the algorithm proposed in this paper can correct the non-uniformity of IRFPA effectively and it prevails over other algorithms based on neural network.     

一种适用于红外搜索跟踪系统的实时非均匀性校正算法

针对目前红外搜索系统实用性较强的两点非均匀性校正存在难以实时跟踪图像非均匀的不足点,提出一种新的基于两点非均匀性校正和基于场景的实时联合校正算法。该算法利用两点校正提供基础校正系数,并充分利用红外搜索系统大数据量的特点,对实时数据量进行统计、分析,进而找出系统非均匀性随时间的漂移量,解决只采用两点校正算法带来的红外图像退化的问题。多次试验证明,采用联合非均匀校正算法的相对非均匀度由两点校正的5%降到了2%左右,并具有时间稳定性,获得了较好的校正效果。     

基于场景的红外焦平面阵列非均匀性校正算法综述

红外焦平面阵列的非均匀性噪声是制约红外成像质量的主要因素。基于场景的非均匀校正算法通常利用图像序列并依赖帧间运动对焦平面阵列的非均匀性进行校正。介绍和分析了全局非均匀性校正,Kalman滤波器法,自适应滤波法,轨迹跟踪法,基于场景运动分析的校正算法,基于小波变换实现低通滤波的校正算法,高通滤波与神经网络相结合的算法,基于小波去噪、序列图像配准和正交最小二乘拟合的校正算法,改进的神经网络算法以及代数算法等,对算法进行了比较。     

Guided filter and adaptive learning rate based non-uniformity correction algorithm for infrared focal plane array

Imaging non-uniformity of infrared focal plane array (IRFPA) behaves as fixed-pattern noise superimposed on the image, which affects the imaging quality of infrared system seriously. In scene-based non-uniformity correction methods, the drawbacks of ghosting artifacts and image blurring affect the sensitivity of the IRFPA imaging system seriously and decrease the image quality visibly. This paper proposes an improved neural network non-uniformity correction method with adaptive learning rate. On the one hand, using guided filter, the proposed algorithm decreases the effect of ghosting artifacts. On the other hand, due to the inappropriate learning rate is the main reason of image blurring, the proposed algorithm utilizes an adaptive learning rate with a temporal domain factor to eliminate the effect of image blurring. In short, the proposed algorithm combines the merits of the guided filter and the adaptive learning rate. Several real and simulated infrared image sequences are utilized to verify the performance of the proposed algorithm. The experiment results indicate that the proposed algorithm can not only reduce the non-uniformity with less ghosting artifacts but also overcome the problems of image blurring in static areas.     

基于衬底温度和贝叶斯估计的红外非均匀性校正（英）

分析了红外焦平面阵列(IRFPA)基于定标的非均匀性校正法(NUC)和基于场景的NUC算法各自的优势和问题,在此基础上提出了联合非均匀性校正方法。根据上电时刻焦平面衬底的温度值,从FLASH中提取事先存储的对应温度区间的增益和偏置校正参数,初步消除探测器的非均匀性。通过分析初步校正后图像残余非均匀性噪声的特性,提出了一种自适应非均匀性校正算法NSCT,对经过NSCT分解后的子带图像,利用贝叶斯阈值逐点进行信号方差和噪声方差估计,计算出残余非均匀性噪声后并加以去除。实验结果表明,该算法能有效提高校正精度,并具有更强的环境适应性。     

CCD成像系统信号处理过程的软件仿真与参数优化

对CCD成像系统的AGC(Automatic Gain Control)、背光补偿、伽玛校正等信号处理过程进行了理论分析,在此基础上,讨论了CCD成像系统信号处理过程的仿真与参数优化方法,编写了相关仿真软件。实验结果表明:所讨论的方法能够实现CCD成像系统信号处理过程的软件仿真,并同时实现相关控制参数的优化。     

一种新的红外焦平面阵列非均匀性代数校正算法

 针对传统红外图像非均匀性代数校正算法收敛速度慢、运动估计精度不高的缺点,提出一种多尺度光流帧间运动估计的非均匀代数校正算法。通过时域低通滤波,采用多尺度光流估计下一帧图像,将所得图像对进行代数校正。该方法性能在自主研发的热像仪中得到验证,和传统的红外图像非均匀性代数校正算法相比,算法收敛速度从60帧提高到25帧,提高一倍左右,运动估计精度从校正后图像方差76.539减少到32.482。     

CCD摄像机用于测量中存在的问题及解决方法

本文从ＣＣＤ面阵探测器的光电响应不均匀性、非线性以及摄像机内部的制式转换电路、自动增益控制（ＡＧＣ）电路和γ校正电路等方面阐述了ＣＣＤ摄像机用于能量分布测量存在的问题，并给出了相应的解决方法。同时对去除噪声的多幅积分法作了介绍。