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基于倾斜刃边法的遥感图像调制传递函数计算及图像复原技术研究

李铁成  
【摘要】:高分辨对地观测是航天遥感领域的关键技术之一。在对地观测中,地面采样距离(ground sample distance, GSD)代表空间像元分辨率(空间相机探测器的像元尺寸)对应的地面采样间隔。高分辨对地观测,顾名思义,是指在对地观测中,追求更高GSD的遥感图像。GSD的大小取决于空间载体(人造卫星或航天飞机)的轨道高度,其上搭载的光学系统的焦距和空间相机探测器的像元尺寸。在像元尺寸一定的情况下,为了获得更小的GSD,就需增大系统的焦距和通光口径。然而,大的通光孔径一来会给光学系统的像差校正带来困难,二来会给光学系统的加工和装配增加麻烦,同时,载荷的增加也将大大提高其在航天领域的使用成本。目前,高分辨星载遥感光学系统大多采用反射式或折射一反射式结构,通常存在中心遮拦现象,降低了系统的成像质量。因此,当前高分辨对地观测系统呈现出两个主要发展趋势,一方面,使用小孔径光学系统配合图像后处理技术;另一方面,使用中心遮拦光学系统配合传递函数补偿(modulation transfer function compensation, MTFC)技术。本文开展了针对遥感成像系统MTF测量工作,意在对小孔径和中心遮拦光学系统进行MTFC,提高系统的成像质量,为系统的总体设计提供理论依据。 对于MTFC技术,如何精确估计系统的MTF乃是后期图像处理的基础和关键。首先,介绍了基于图像分析的各种传递函数测量方法,如针孔法,狭缝法和刃边法;其中,着重介绍了刃边法MTF测量的基本原理和计算流程;分析了成像器件的采样孔径,边缘扩散函数(edge spread function, ESF)的有限元差分,MTF的频率域压缩和刃边图像中的噪声等因素对MTF计算结果的影响,并给出了相应的校正方法;列举了已有的三种不同ESF函数模型,并从标量衍射理论出发,推导出一种新型的函数模型用于对ESF数据进行拟合,并通过它来计算得到系统的MTF。 其次,将成像过程看作是一个线性平移不变(linear shift-invariant, LSI)系统,建立了图像的退化和复原模型;介绍了常用的图像复原算法和图像质量客观评价方法,特别的,介绍了基于MTF的图像质量评价方法。 再次,分析了一个具有圆形光瞳的成像系统的退化机理,根据光学传递函数(optical transfer function, OTF)的自相关特性,推导了中心视场和边缘视场的OTF表达式;仿真实验中,针对不同噪声条件下(信噪比为∞,40和30 dB)的退化刃边图像,首先使用四种ESF函数模型和ISO 12233标准方法进行MTF计算,然后从计算精度和时间复杂度两个方面进行比较和分析;完成了一个小孔径成像系统的光学,结构和系统的设计与加工;实拍实验中,针对由该系统拍摄得到的两种不同类型的退化图像(分辨率板图和遥感图),基于四种ESF函数模型和ISO 12233标准方法计算系统的MTF,首先使用Lucy-Richardson (RL),总变分(total variation,TV)和稀疏反卷积(sparse deconvolution, SD)三种算法进行复原,然后使用灰度平均梯度(gray mean gradients, GMG),拉普拉斯算子和(Laplacian summation,LS),最大熵(large entropy, LE)和调制传递函数面积(modulation transfer function area, MTFA)四种客观评价方法对复原结果进行了评价。 最后,分析了一个具有中心遮拦的成像系统的退化机理,根据OTF的自相关特性,分别计算了系统在中心视场和边缘视场的OTF;完成了一个中心遮拦成像系统的光学,结构和系统的设计与加工;针对由该系统拍摄得到的不同遮拦比(原始,20%和30%)条件下的两种不同类型的退化图像(分辨率图和遥感图),计算系统的MTF,首先使用RL,TV和SD三种算法进行复原,然后使用GMG, LE, LS和MTFA四种客观评价方法对复原图进行了评价;针对由该系统拍摄得到的退化图像中的不同对比度(0.27,0.47和0.70)条件下的刃边区域,计算系统的MTF并使用SD算法进行复原,然后使用GMG,LE和LS三种客观评价方法对复原图进行评价。


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