采样式航天光学遥感成像系统混叠噪声

《采样式航天光学遥感成像系统混叠噪声》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、2011年12月第6期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology采样式航天光学遥感成像系统混叠噪声姜伟1陈世平2(1北京空间机电研究所，北京100076)(2中国空间技术研究院，北京100081)摘要为了准确计算采样式航天光学遥感成像系统中混叠噪声的权重和分析系统设计参数的影响，采用经验景物模型，模拟成像系统主要噪声源的统计特性，提出了一种含混叠的成像系统噪声计算模型。采用该模型，以某卫星高分辨率相机成像系统为例，计算混叠噪声功率占总噪声功率的百分比，并对不同AF／p参数和

2、不同景物参数的情况进行了仿真。结果表明：该卫星高分辨率相机成像系统中，混叠噪声占较大比重；当提高AF／p时，可有效降低混叠噪声。关键词光学采样成像系统混叠噪声航天遥感DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2011．06．0071引言航天光学遥感成像系统由获取图像的所有硬件和软件部分按照一定的配置组成，包括光学相机和卫星平台、数据压缩和解压缩、数据传输及地面后处理等LlJ。采样式航天光学遥感成像系统包含采样环节。目前在轨运行的系统都是欠采样成像系统，根据采样定理，欠采样会造成超过奈奎斯特频率的

3、高空间频率成分向低空间频率的折叠，即欠采样带来图像混叠。混叠后难以还原真实图像，因而，对于系统设计和图像处理，混叠可认为是一种信号依赖型的附加噪声L2J。混叠在图像中的主要表现是引起伪像和畸变，对判读有影响[3。5]。文献[3]将采样重建引起的虚假响应分为带内虚假响应(混叠)和带外虚假响应两部分，进行主观感知试验研究了两者对目标识别的影响，指出带内虚假响应表现为目标点、线、边的位移，目标视在宽度的改变，或点探测目标的消失，对于中低级感知任务有较大影响。文献[4]研究了采样相位对图像混叠的影响，指出混叠图像中存在

4、明显的依赖于采样相位的高对比度目标位置偏移，而多光谱图像的分类，对点、线、边等高对比特征目标的位置移动十分敏感，位移会导致明显的误匹配，从而导致误分类。文献[5]研究了遥感图像复原引起混叠噪声放大的问题。Huck等人将信息理论应用到采样成像系统的研究中，提出了互信息的概念，建立了采样成像系统的信息理论模型【6j。应用该模型进行的分析表明，混叠会影响图像互信息的大小，由于混叠的存在，调制传递函数(MTF)并不是越大越好[川。但是Huck的模型没有包含散弹噪声项，而散弹噪声是光电成像系统中的重要噪声源。Fiete采

5、用计算机仿真研究了遥感成像系统的AF／p参数对图像质量的影响，参数中，．：I为波长，F为光学系统焦距厂与孔径D之比，户为探测器像元尺寸【8]。AF／夕代表了探测器采样频率与光学系统截止频率之比，其研究没有给出混叠大小的定量表征。因此，有必要全面考虑采样式航天光学遥感成像系统的散弹噪声等主要噪声源，计算采样式航天光学遥感成像系统混叠噪声的权重和分析系统设计参数AF／户的影响。收稿日期I2011一01—24。收修改稿H期：2D11_04—14中国空间科学技术2011年12月2航天光学遥感成像系统数学模型从连续景物发

6、出辐亮度为L的空间分布光信号。光信号通过大气、卫星平台、光学相机镜头等，得到模糊图像Ls。L-经探测器(CCD器件)同时产生3个效应：1)光电转换，产生模拟电信号KL“；2)电路噪声Ne和光电子散弹噪声N妇；3)探测器阵列积分采样，产生空间离散的二维采样图像。采样前的系统传递特性由MTR。表示，包含大气、卫星平台、光学相机镜头、探测器等对传递函数的贡献。采样过程引起频谱折叠，根据香农采样定理，欠采样会产生重建混叠噪声帆b。经探测器离散化后的采样图像，通过模数转换器(AD)将连续量转化成数字量。量化以后的数字图像

7、经过图像压缩进行传输。图像解压后进行大气校正、辐射校正、几何校正、调制传递函数补偿(MTFC)等数字处理。在最后输出图像之前可进行插值处理，插值处理后由显示设备重建图像。航天光学遥感成像系统各组成部分数学模型如图1所示。连续．景物斗L图1航天光学遥感成像系统模型Fig．1Modelofopticalimagingsystemforspaceremotesensing因为本文主要研究混叠噪声的影响，为简化起见，忽略压缩／解压、数字处理、图像插值、图像显示的影响，模型中主要包含了5种影响像质的因素：采样前MTF(M

8、TF。。)、散弹噪声N蜥、电子学噪声N。、混叠噪声N。‰及量化噪声N。。假设噪声之间互相统计独立。采样前MTF(MTF。。)与AF／户有关[8]，主要由光学相机静态MTF(MTF—。)和在轨动态影响因子K("，v)(平台和大气影响)组成：MTF。。(“，口)=MTF。。。。(“，铆)·K(“，口)显示图像的频域表达式：Jdi。pl。y(“，口)一Lb(“，口)+N(“，口)1，．，对(