基于傾斜刃邊法的遙感圖像調(diào)制傳遞函數(shù)計(jì)算及圖像復(fù)原技術(shù)研究.pdf

1、高分辨對(duì)地觀測(cè)是航天遙感領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。在對(duì)地觀測(cè)中，地面采樣距離(ground sample distance，GSD)代表空間像元分辨率(空間相機(jī)探測(cè)器的像元尺寸)對(duì)應(yīng)的地面采樣間隔。高分辨對(duì)地觀測(cè)，顧名思義，是指在對(duì)地觀測(cè)中，追求更高GSD的遙感圖像。GSD的大小取決于空間載體(人造衛(wèi)星或航天飛機(jī))的軌道高度，其上搭載的光學(xué)系統(tǒng)的焦距和空間相機(jī)探測(cè)器的像元尺寸。在像元尺寸一定的情況下，為了獲得更小的GSD，就需增大系統(tǒng)的焦距和

2、通光口徑。然而，大的通光孔徑一來(lái)會(huì)給光學(xué)系統(tǒng)的像差校正帶來(lái)困難，二來(lái)會(huì)給光學(xué)系統(tǒng)的加工和裝配增加麻煩，同時(shí)，載荷的增加也將大大提高其在航天領(lǐng)域的使用成本。目前，高分辨星載遙感光學(xué)系統(tǒng)大多采用反射式或折射-反射式結(jié)構(gòu)，通常存在中心遮攔現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。因此，當(dāng)前高分辨對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出兩個(gè)主要發(fā)展趨勢(shì)，一方面，使用小孔徑光學(xué)系統(tǒng)配合圖像后處理技術(shù)；另一方面，使用中心遮攔光學(xué)系統(tǒng)配合傳遞函數(shù)補(bǔ)償(modulation transf

3、er function compensation，MTFC)技術(shù)。本文開(kāi)展了針對(duì)遙感成像系統(tǒng)MTF測(cè)量工作，意在對(duì)小孔徑和中心遮攔光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行MTFC，提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　 對(duì)于MTFC技術(shù)，如何精確估計(jì)系統(tǒng)的MTF乃是后期圖像處理的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。首先，介紹了基于圖像分析的各種傳遞函數(shù)測(cè)量方法，如針孔法，狹縫法和刃邊法；其中，著重介紹了刃邊法MTF測(cè)量的基本原理和計(jì)算流程；分析了成像器件的采樣孔

4、徑，邊緣擴(kuò)散函數(shù)(edge spread function，ESF)的有限元差分，MTF的頻率域壓縮和刃邊圖像中的噪聲等因素對(duì)MTF計(jì)算結(jié)果的影響，并給出了相應(yīng)的校正方法；列舉了已有的三種不同ESF函數(shù)模型，并從標(biāo)量衍射理論出發(fā)，推導(dǎo)出一種新型的函數(shù)模型用于對(duì)ESF數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并通過(guò)它來(lái)計(jì)算得到系統(tǒng)的MTF。
　　 其次，將成像過(guò)程看作是一個(gè)線性平移不變(linear shift-invariant，LSI)系統(tǒng)，建立了圖像的

5、退化和復(fù)原模型；介紹了常用的圖像復(fù)原算法和圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)方法，特別的，介紹了基于MTF的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。
　　 再次，分析了一個(gè)具有圓形光瞳的成像系統(tǒng)的退化機(jī)理，根據(jù)光學(xué)傳遞函數(shù)(optical transfer function，OTF)的自相關(guān)特性，推導(dǎo)了中心視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的OTF表達(dá)式；仿真實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)不同噪聲條件下(信噪比為∞，40和30 dB)的退化刃邊圖像，首先使用四種ESF函數(shù)模型和ISO12233標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行

6、MTF計(jì)算，然后從計(jì)算精度和時(shí)間復(fù)雜度兩個(gè)方面進(jìn)行比較和分析；完成了一個(gè)小孔徑成像系統(tǒng)的光學(xué)，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與加工；實(shí)拍實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)由該系統(tǒng)拍攝得到的兩種不同類(lèi)型的退化圖像(分辨率板圖和遙感圖)，基于四種ESF函數(shù)模型和ISO12233標(biāo)準(zhǔn)方法計(jì)算系統(tǒng)的MTF，首先使用Lucy-Richardson(RL)，總變分(total variation，TV)和稀疏反卷積(sparse deconvolution，SD)三種算法進(jìn)行復(fù)原，然

7、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)和調(diào)制傳遞函數(shù)面積(modulation transfer functionarea，MTFA)四種客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)復(fù)原結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
　　 最后，分析了一個(gè)具有中心遮攔的成像系統(tǒng)的退化機(jī)理，根據(jù)OTF的自相關(guān)特性，分別計(jì)算了系統(tǒng)在中心視場(chǎng)和邊緣視場(chǎng)的OT

8、F；完成了一個(gè)中心遮攔成像系統(tǒng)的光學(xué)，結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與加工；針對(duì)由該系統(tǒng)拍攝得到的不同遮攔比(原始，20％和30％)條件下的兩種不同類(lèi)型的退化圖像(分辨率圖和遙感圖)，計(jì)算系統(tǒng)的MTF，首先使用RL，TV和SD三種算法進(jìn)行復(fù)原，然后使用GMG，LE，LS和MTFA四種客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)復(fù)原圖進(jìn)行了評(píng)價(jià)；針對(duì)由該系統(tǒng)拍攝得到的退化圖像中的不同對(duì)比度(0.27，0.47和0.70)條件下的刃邊區(qū)域，計(jì)算系統(tǒng)的MTF并使用SD算法進(jìn)行復(fù)原，然后