РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 4, c. 9–13
АЭРОКОСМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЗОНДИРОВАНИЯ ЗЕМЛИ,
ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ И КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПОИСКА И СПАСАНИЯ
УДК 528.851
Практическая реализация методов
радиометрической коррекции ИК-изображений,
получаемых с использованием
многоэлементных фотоприемников
Р.В.Андреев, Ю.М.Гектин1, А.А.Зайцев, М.Б.Смелянский
1к. т. н.
АО «Российские космические системы»
e-mail: andreev-k@list.ru, petrov_sv@spacecorp.ru
Аннотация. В работе описан метод радиометрической коррекции изображений, получаемых при помощи многоэлементных
фотоприемников. Метод основан на использовании сигналов от элементов фотоприемника, находящихся
вне поля зрения объектива. В работе рассмотрены способы практической реализации предложенного
метода.
Ключевые слова: многоэлементный фотоприемник, аддитивная помеха, цифровое изображение, радиометрическая
коррекция, «слепые» элементы
Practical Implementation of Methods
of Radiometric Correction of IR Images
Produced Using Multi-Element Photodetector
R.V.Andreev, Yu.M.Gektin1, A.A.Zaytsev, M.B.Smeliansky
1candidate of engineering science
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: andreev-k@list.ru, petrov_sv@spacecorp.ru
Abstract. The method of radiometric correction of images produced using multi-element photodetector is described
in the paper. The method is based on the usege of signals from the elements located outside the field of view of the lens.
The ways of practical implementation of the proposed method are considered.
Key words: multi-element photodetector, additive interference, digital image, radiometric correction, blind elements
Стр.1
10
Р. В.АНДРЕЕВ, Ю.М.ГЕКТИН, А. А.ЗАЙЦЕВ, М.Б.СМЕЛЯНСКИЙ
Введение
Видеоинформация, получаемая при помощи
аппаратуры ДЗЗ, достаточно часто содержит шумы
и помехи различной природы. Высокие требования,
предъявляемые к качеству этой видеоинформации,
требуют разработки специальных методов
коррекции негативных процессов. Стандартные методы
фильтрации помех и шумовне всегда обеспечивают
требуемые результаты. Поэтому при наземной
обработке информации необходимо учитывать
специфику конкретной аппаратуры.
В последнее время в аппаратуре ДЗЗ все чаще
используются многоэлементные фотоприемные
устройства. Для таких фотоприемников характерны
протяженные импульсные помехи [2]. Пример
таких помех приведен на рис. 1. Применение специальных
методових устранения может оказаться
значительно эффективнее стандартной фильтрации.
В
настоящее время на стадии комплексных
предполетных испытаний находится аппаратура
МСУ-ГС второго поколения [3], предназначенная
для оперативного получения изображения облачности
и подстилающей поверхности Земли. Для формирования
изображений в ИК-каналах аппаратуры
используются многоэлементные фотоприемные
устройства. Ввиду особенностей алгоритма формирования
выходного сигнала необходимо создание
специальных методоврадиометрической коррекции
изображений, получаемых при помощи аппаратуры
МСУ-ГС.
Формированиевыходного сигнала
в тепловых каналах аппаратуры
МСУ-ГС№2
В процессе работы аппаратуры формируются
изображения в3 видимых и 7 инфракрасных каналах.
В ИК-каналах для формирования изображения
используются многоэлементные фотоприемники
форматом 144×8 элементов(8 линейных фотоприемных
устройств, далее — ЛФПУ, по 144 элемента
вкаждом).
В целях сокращения объема передаваемой информации
отсчеты от разных ЛФПУ одного фотоприемника
объединяются между собой блоком обработки
сигналов[1]. Протяженные импульсные помехи
от разных ЛФПУ накладываются друг на друга
(рис. 2), что значительно усложняет их фильтрацию.
Кроме того, втепловых каналах данной аппаратуры
имеет место дрейф темновой составляющей
сигнала фотоприемников. Величина этого дрейфа
имеет сложную зависимость от многих факторов
(температуры фотоприемника, времени с момента
начала сеанса, времени с момента начала кадра
и других, еще недостаточно исследованных), что
значительно усложняет его коррекцию.
Использование элементов
фотоприемника, находящихся
вне поля зрения объектива,
для коррекции выходного сигнала
Особенностью оптической схемы ИК-каналов
аппаратуры МСУ-ГС №2 является уменьшенное
(несколько меньше размеровфотоприемника) световое
поле, формируемое объективом в фокальной
плоскости. Таким образом, на фотоприемнике присутствуют
элементы, на которые не попадает излучение
от объекта съемки (далее — «слепые» элементы).
Сигнал от таких элементовможно использовать
в качестве опорного и с его помощью корректировать
изображение.
Обозначим сигнал от элемента фотоприемника
как Um,L,где L —номер ЛФПУ, m —номер
элемента. Тогда Um,L = Um,L + δm,L,где Um,L —
сигнал от объекта съемки, а δm,L —помеха.
Каждый отсчет проходит процедуру двухточечной
коррекции:
Uнорм
Uгор
где Uнорм
m,L = Um,L −Uхол
m,L
m,L
m,L −Uхол ×A+C =
=(Um,L −Uхол
m,L)×Km,L +C,
нал от холодного источника излучения (космос),
Uгор
m,L — нормализованный сигнал, Uхол
(термостатированная заслонка), A — масштабный
коэффициент, C — уровень «холодного» в нормализованном
выходном сигнале, Km,L — коэффициент
m,L — сигнал от горячего источника излучения
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
m,L —сиг
Стр.2
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЙ 11
Рис. 1. Фрагмент одного из скановИК-канала аппаратуры МСУ-ГС №1. На фрагменте присутствуют вертикальные
полосы, представляющие собой протяженные импульсные помехи
Рис. 2. Фрагмент одного из скановИК-канала аппаратуры МСУ-ГС №2. Снимок получен во время съемки
«фона» при наземных испытаниях. Протяженные импульсные помехи от различных ЛФПУ одного фотоприемника
накладываются друг на друга при формировании выходного сигнала
нормализации. Таким образом,
Uнорм
m,L =(Um,L +δm,L −Uхол
В случае импульсной помехи или дрейфа сигнала
величина помехи δ зависит только от номера
= U норм
m,L)×Km,L +C =
m,L +δm,L ×Km,L.
Затем нормализованные отсчеты от 8 ЛФПУ
формация будет представлена в виде отсчетов от
одного виртуального ЛФПУ:
Uвых
i =
F(Uнорм
m,L ).
Процедура объединения отсчетовпредставляет
собой суммирование нормализованных отсчетов,
умноженных на заранее известные коэффициенты
интерполяции. Следовательно, оператор
i =
F(U норм
m,L +δm,L ×Km,L)=
=
F(U норм
m,L )+
F аддитивен
и выходной сигнал можно представить в виде
Uвых
F(δm,L ×Km,L).
объединяются между собой вблоке обработки сигналов.
Обозначим процедуру объединения отсчетов
оператором
F. На выходе данной процедуры инЛФПУ
и не зависит от номера элемента (δm,L =
= δL). Поскольку на «слепые» элементы излучение
от поверхности не попадает, изменение значения
сигнала от этих элементовможет быть вызвано
только помехами или дрейфом. Обозначим изменение
сигнала для «слепых» элементовпо сравнению
с его значением вначале кадра как δblind
считать, что величина δm,L включает в себя только
дрейф и импульсные помехи, то δm,L = δblind
L .Если
и процедура коррекции выходного сигнала выглядит
следующим образом:
L
Uкор
+
i = Uвых
i −
F(δblind
F(δm,L ×Km,L)−
+
где Uкор
L ×Km,L)=
F(δblind
F((δm,L −δblind
F(U норм
L ×Km,L)=
L )×Km,L)=
m,L )+
F(U норм
F(U норм
m,L )+
m,L ),
ла. Скорректированный сигнал не содержит в себе
компонент, вызванных дрейфом или импульсными
помехами.
i — значение скорректированного сигнаРАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.3
12
Р. В.АНДРЕЕВ, Ю.М.ГЕКТИН, А. А.ЗАЙЦЕВ, М.Б.СМЕЛЯНСКИЙ
Практическая реализация метода
коррекции изображения
На практике такую радиометрическую коррекцию
можно реализовать двумя способами: проводить
ее на бортуилиприназемнойобработке сигнала.
Бортовая коррекция математически значительно
проще наземной, так как выходной сигнал
вэтом случае корректируется уже на этапе нормализации.
Однако это требует значительного усложнения
алгоритма работы блока обработки сигнала.
Поэтому для аппаратуры МСУ-ГС №2 был выбран
второй способ, т. е. радиометрическая коррекция
при наземной обработке.
Для проведения процедуры наземной радиометрической
коррекции предложенным впредыдущем
разделе способом необходимо передавать величины
поправок δblind
ко от номера ЛФПУ и от времени, то для каждойстрокивыходного
сигналанеобходимо передать
8 значений соответствующих поправок. Поскольку
выходной сигнал имеет разрядность 10 бит, а величина
дрейфа и помехи может быть как положительной,
так и отрицательной, то величины поправок вычисляются
следующим образом:
L . Так как эти величины зависят тольδblind
L,t
=
blind
(Uхол
m,L −Um,L,t +512)/Nblind,
гдеblind есть сумма по всем номерам m элементов
ЛФПУ, которые считаются «слепым», Nblind —количество
«слепых» элементов в выбранном ЛФПУ,
а t — номер строки выходного сигнала (всего
3400 строк водном скане).
Всего получается 8 значений поправок δblind
для каждой строки видеоинформации. В аппаратуре
МСУ-ГС№2 эти поправки записываются в первые
и последние 4 отсчета строки для каждого
ИК-канала.
Процедура наземной обработки для выделенL
ного
пикселя видеоинформации выглядит следующим
образом:
Uкор
i = Ui +
L=1
8
F((δblind
L −512)×Km,L),
где Km,L — коэффициент нормализации, рассчитываемый
из передаваемых в телеметрии значений
от горячего и холодного источниковизлучения.
Результаты применения алгоритма
коррекции изображения
Следует отметить, что оценить результаты применения
описанного выше алгоритма коррекции
вполной мере можно только на стадии летно-конструкторских
испытаний (т. е. уже после запуска аппарата
на геостационарную орбиту). Отчасти поэтому
был выбран способ его реализации через наземную,
а не через бортовую коррекцию, так как
при коррекции на борту видоизменить или отменить
применение алгоритма было бы уже невозможно.
Применение алгоритма коррекции при наземных
испытаниях показало приемлемые результаты
как по фильтрации аддитивных помех, так и при
компенсации дрейфа. На рис. 3 приведен фрагмент
изображения, полученного при съемке «фона»
одним из тепловых каналов аппаратуры МСУ-ГС
№2 при наземных испытаниях.
Как видно, на изображении присутствует мощная
регулярная помеха. На рис. 4 приведен тот же
фрагмент после радиометрической коррекции, использующей
сигнал от «слепых» элементов.
В таблице приведены средние значения СКО
по различным участкам обоих изображений. Фрагменты
10х70 пикселей выбирались на темных
исветлыхучасткахнескорректированного изображения.
На скорректированном изображении выбирались
те же фрагменты. Сравнение результатов
показывает, что полосы, вызванные протяженными
импульсными помехами, практически полностью
отсутствуют. Уровень шума по небольшому
однородному фрагменту при этом не изменяется.
Уровень фонового сигнала при данной съемки
равнялся 25. Заниженное среднее значение на
нескорректированном изображении вызвано дрейфом
темновой составляющей сигнала. Из результатоввидно,
что предложенный алгоритм коррекции
позволяет скомпенсировать дрейф с точностью
до 1 уровня квантования сигнала.
Заключение
Предложенный алгоритм радиометрической
коррекции изображений уже включен в программный
комплекс наземной обработки видеоинформации
аппаратуры МСУ-ГС №2. Запуск аппарата
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.4
ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ ИК-ИЗОБРАЖЕНИЙ 13
Рис. 3. Фрагмент одного из скановИК-канала аппаратуры МСУ-ГС №2. Снимок получен во время съемки фона
при наземных испытаниях
Рис. 4. Тот же фрагмент после радиометрической коррекции
Та б л и ц а. Сравнение изображений до и после коррекции
Изображение до коррекции Изображение после коррекции
Среднее значение СКО Среднее значение
Фрагмент 10×70 пикселей,
выбранный на темной полосе
Фрагмент 10×70 пикселей,
выбранный на яркой полосе
По всему изображению
25,03
22,08
22,23
был запланирован на август 2015 г. Во время летноконструкторских
испытаний была проведена более
детальная оценка результатовприменения алгоритма.
В случае хороших результатоввозможно применение
алгоритма для бортовой коррекции видеоизображения
вследующих поколениях аппаратуры.
Список литературы
1. Андреев Р. В. Разработка программного комплекса
тестирования блока обработки сигналов геостацио1,66
1,61
2,28
24,75
24,88
24,27
СКО
1,69
1,67
1,87
нарной
сканирующей аппаратуры тепловой области
спектра. Дисс. ...магистра прикладных математики
и физики. М., 2014. 53 с.
2. Бабышкин В.Е, Ерошкин В.Н., Яницкий А.А.Геостационарный
гидрометеорологический комплекс
второго поколения «Электро» // Космонавтика и ракетостроение,
2010, №2(59), с. 46–53.
3. Гектин Ю.М., Еремеев В.В., Егошкин Н.А., Зенин
В.А., Москатиньев И.В. Нормализация изображений
от геостационарной космической системы
наблюдения Земли // Цифровая обработка сигналов,
2011, №3, с. 28–31.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.5