Способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки Российский патент 2020 года по МПК G01J1/10 G12B13/00 

Предлагаемый способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки оптико-электронных устройств относится к вычислительной технике, а именно к обработке изображений, и может быть использован для абсолютной радиометрической калибровки съемочной аппаратуры (СА) как в процессе полета по околоземной орбите, так и при наземной радиометрической калибровке. Оптико-электронные устройства проходят калибровку радиометрических характеристик СА (разброс чувствительности, нулевых уровней и отношения сигнал/шум приемников излучения), которую необходимо проводить с определенной периодичностью. Изменения радиометрических характеристик СА приводит к яркостным структурным искажениям полученных изображений и не позволяют проводить достоверную тематическую обработку с использованием измерений яркостных характеристик. Суть радиометрической калибровки заключается в установлении однозначного соответствия между оптическим сигналом и выходным напряжением СА. Для этого необходимо выполнить два условия: измерить освещенность на зрачке СА и засветить этим эталонным оптическим сигналом все фоточувствительные элементы (ФЧЭ) матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС), преобразующие оптический сигнал в электрический.

Известен способ радиометрической калибровки (Архипов С.А. Коррекция неоднородности чувствительности аппаратуры «Гамма» в условиях эксплуатации./ С.А. Архипов, Н.А. Бутяйкин, В.М. Линько // Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли: Материалы III научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2006, с. 18-21.), основанный на равномерной засветке всех ФЧЭ матрицы ПЗС эталонным источником света и использующий двухточечную коррекцию, которая проводится из предположения, что зависимость выходного сигнала от входного для элементов матрицы линейна.

Недостатком известного способа является необходимость обеспечения равномерной засветки всех ФЧЭ матрицы ПЗС, что не всегда возможно, особенно при калибровке крупногабаритных оптико-электронных комплексов (ОЭК), т.е таких ОЭК, у которых большое фокусное расстояние, большая площадь входного зрачка и большое количеством ФЧЭ с их малыми размерами.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ радиометрической калибровки (патент РФ №патент РФ №2642128, МПК (2006.01): G01J 1/08, G01J 1/42, 25.11.2013), заключающийся в облучении датчика освещенности светочувствительного устройства светом стандартной интенсивности, сравнении выходного сигнала интенсивности датчика с ожидаемым сигналом, соответствующим стандартной интенсивности, а также согласовании выходного сигнала интенсивности датчика с ожидаемым сигналом за счет изменения коэффициента усиления датчика.

Недостатком этого способа является невозможность его использования в крупногабаритных оптико-электронных комплексах (ОЭК) с большим фокусным расстоянием, большой площадью входного зрачка и большим количеством оптико-электронных преобразователей с малыми их размерами из-за невозможности засветки всех ФЧЭ матрицы ПЗС.

Технический результат предполагаемого изобретения состоит в обеспечении абсолютной радиометрической калибровки всех элементов матрицы ПЗС при засветке эталонным оптическим сигналом только части ФЧЭ.

Для достижения технического результата в способ радиометрической калибровки, при котором осуществляют засветку части ФЧЭ матрицы ПЗС эталонным оптическим сигналом Е_к и по реакции засвеченных ФЧЭ определяют их выходные сигналы U_к(i, j) де i, j - координаты ФЧЭ эталонной засветкой, после чего закрывают затвор СА и определяют выходные сигналы U_min(m, n) всех ФЧЭ, соответствующие темновым токам, дополнительно полученное изображение разбивают на две части, одна из которых содержит не засвеченные эталонным оптическим сигналом фоточувствительные элементы, а вторая - засвеченные, определяют количество засвеченных фоточувствительных элементов, для каждого засвеченного эталонным оптическим сигналом Е_к фоточувствительного элемента вычисляют коэффициенты передачи как отношение разности выходного сигнала этого фоточувствительного элемента от засветки эталонным оптическим сигналом Е_к и выходного сигнала, соответствующего темновому току, затем выполняют съемку диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью Е_х, после чего фоточувствительные элементы, не засвеченные эталонным оптическим сигналом, разбивают на группы, число которых равно числу засвеченных эталонным оптическим сигналом фоточувствительных элементов, каждую группу привязывают к соответствующему засвеченному эталонным оптическим сигналом фоточувствительному элементу, внутри каждой группы для каждого не засвеченного эталонным оптическим сигналом фоточувствительного элемента определяют нормирующий коэффициент, равный отношению выходного сигнала от засветки диффузно рассеивающим объектом каждого элемента из группы, к выходному сигналу от засветки диффузно рассеивающим объектом привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом, после чего для каждого элемента из группы определяют калибровочный коэффициент как произведение нормирующего коэффициента и коэффициента передачи привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом.

Способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки съемочной аппаратуры реализуется следующим образом.

При закрытом затворе СА определяют выходные сигналы U_min всех ФЧЭ, соответствующие темновым токам, и запоминают их в калибровочном кадре. Затем открывают затвор и производят засветку нескольких ФЧЭ матрицы ПЗС эталонным оптическим сигналом Е_к, интенсивность которого находится в интервале (0,25÷0,75)E_max, запоминая их выходные сигналы в калибровочном кадре. Засветка только нескольких ФЧЭ обусловлена невозможностью обеспечения засветки всех ФЧЭ из-за ограниченных размеров изображения, формируемого источником эталонного оптического сигнала Е_к. У ФЧЭ с координатами i, j изображения, полученного в результате засветки эталонным оптическим сигналом Е_к, определяют коэффициенты передачи k(i, j), равные отношению разности выходного сигнала ФЧЭ U_к и сигнала этого же ФЧЭ, соответствующего темновому току, к эталонному оптическому сигналу Е_к.

После этого осуществляют съемку диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью Е_х, обеспечивающего равномерную засветку всех ФЧЭ матрицы ПЗС, и запоминают это изображение в калибровочном кадре. Общее количество ФЧЭ матрицы ПЗС разбивают на два подмножества - подмножество ФЧЭ, засвеченных эталонным оптическим сигналом, и подмножество ФЧЭ, не засвеченных этим сигналом, путем сегментации изображения эталонного источника оптического сигнала. Подмножество ФЧЭ, не засвеченных эталонным оптическим сигналом, разбивают еще на ряд групп по числу ФЧЭ в подмножестве засвеченных эталонным оптическим сигналом. Каждую группу привязывают к соответствующему засвеченному эталонным оптическим сигналом ФЧЭ, внутри каждой группы для каждого не засвеченного эталонным оптическим сигналом фоточувствительного элемента определяют нормирующий коэффициент, равный отношению выходного сигнала от засветки диффузно рассеивающим объектом каждого элемента из группы, к выходному сигналу от засветки диффузно рассеивающим объектом привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом, после чего для каждого элемента из группы определяют калибровочный коэффициент как произведение нормирующего коэффициента и коэффициента передачи привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом.

Затем для каждого ФЧЭ матрицы ПЗС определяют калибровочные коэффициенты k_калибр (m, n):

где

k_норм (m, n) - нормирующий коэффициент ФЧЭ с координатами m и n;

k_эт(i, j) - коэффициент передачи привязанного к данной группе ФЧЭ, засвеченного эталонным оптическим сигналом Е_к.

Калибровку осуществляют путем умножения соответствующего калибровочного коэффициента k_калибр(i, j) на разность текущего и минимального значений выходного сигнала ФЧЭ.

где

- откалиброванное значение выходного сигнала ФЧЭ с координатами i и j;

U_вых(i, j) - значение выходного сигнала ФЧЭ, полученное в результате съемки объекта наблюдения.

Предлагаемый способ абсолютной радиометрической калибровки может быть реализован как в лабораторно-заводских условиях, где в качестве источника эталонного оптического сигнала может быть использован любой источник света, у которого может быть измерена его светимость, а в качестве плоского, диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью Е_х - плоские экраны, стены и т.п., так и при полете космического аппарата со СА по околоземной орбите. В случае полетной абсолютной радиометрической калибровки СА в качестве эталонного сигнала может быть использовано изображение звезды, светимость которой хорошо известна и занесена в звездный каталог в виде звездной величины, а в качестве плоского, диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью Е_х - наземные калибровочные полигоны, водные поверхности, плоские заснеженные поверхности и т.п.

При полете КА IKONOS (см. Howard S, Bowen. Absolute radiometric calibration of the IKONOS sensor. Using radiometrically characterized stellar sources, hbowen@spaseimaging.com. Говард С. Боуэн. Абсолютная радиометрическая калибровка датчиков спутника IKONOS. Использование звездных источников для радиометрических характеристик.) по околоземной орбите для того, чтобы откалибровать все ФЧЭ СА с использованием прямой абсолютной радиометрической калибровки приходится совершать эту калибровку за несколько витков вокруг Земли для засветки всех ФЧЭ изображение одной и той же звезды. При этом каждый раз КА IKONOS совершает маневры корпусом для того, чтобы изображение звезды попало на незасвеченные на предыдущих витках ФЧЭ. Предлагаемый способ абсолютной радиометрической калибровки позволяет получить данные, необходимые для полетной радиометрической калибровки, за один виток, при этом не требуется многократно совершать маневры корпусом КА.

Технический результат предполагаемого изобретения состоит в обеспечении абсолютной радиометрической калибровки всех элементов матрицы ПЗС при засветке эталонным оптическим сигналом только части ФЧЭ.

Изобретение относится к способу абсолютной радиометрической калибровки съемочной аппаратуры. Заявленный способ основывается на двухэтапной засветке матрицы приборов с зарядовой связью (ПЗС): на первом этапе эталонным сигналом засвечивается часть фоточувствительных элементов (ФЧЭ), а на втором - все ФЧЭ засвечивают сигналом диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью Е_к. Для ФЧЭ, засвеченных эталонным сигналом, определяют коэффициенты передачи как отношение разности выходного сигнала этого фоточувствительного элемента от засветки эталонным оптическим сигналом Е_к и выходного сигнала, соответствующего темновому току, к величине эталонного оптического сигнала и нормирующий коэффициент как отношение выходного сигнала при засветке сигналом с неизвестной светимостью Е_к к выходному сигналу при засветке эталонным сигналом. Все ФЧЭ, незасвеченные эталонным сигналом, разбивают на группы по числу ФЧЭ, засвеченных эталонным сигналом. Внутри каждой группы определяют отношение выходных сигналов ФЧЭ, незасвеченных эталонным сигналом, к выходному сигналу привязанного к данной группе ФЧЭ, при его засветке неизвестным сигналом. Затем для каждого элемента из группы определяют калибровочный коэффициент как произведение нормирующего коэффициента и коэффициента передачи привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом, на которые умножаются разность значений выходных сигналов всех элементов снятого изображения и сигналов, соответствующих темновым токам. Технический результат - обеспечение абсолютной радиометрической калибровки всех элементов матрицы ПЗС при засветке эталонным оптическим сигналом только части ФЧЭ. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ косвенной абсолютной радиометрической калибровки, при котором осуществляют засветку части фоточувствительных элементов (ФЧЭ) матрицы приборов с зарядовой связью эталонным оптическим сигналом и по реакции засвеченных фоточувствительных элементов определяют их выходные сигналы U_к (i, j), где i, j – координаты фоточувствительных элементов с эталонной засветкой, после чего закрывают затвор съемочной аппаратуры и определяют выходные сигналы U_min (m, n) всех ФЧЭ, соответствующие темновым токам, где m, n – координаты всех ФЧЭ, отличающийся тем, что дополнительно полученное изображение разбивают на две части, одна из которых содержит не засвеченные эталонным оптическим сигналом фоточувствительные элементы, а вторая – засвеченные, определяют количество засвеченных эталонным оптическим сигналом фоточувствительных элементов, для каждого засвеченного эталонным оптическим сигналом Е_к фоточувствительного элемента вычисляют коэффициенты передачи как отношение разности выходного сигнала этого фоточувствительного элемента от засветки эталонным оптическим сигналом Е_к и выходного сигнала, соответствующего темновому току, к величине эталонного оптического сигнала, затем выполняют съемку диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью Е_x, после чего фоточувствительные элементы, не засвеченные эталонным оптическим сигналом, разбивают на группы, число которых равно числу засвеченных эталонным оптическим сигналом фоточувствительных элементов, каждую группу привязывают к соответствующему засвеченному эталонным оптическим сигналом фоточувствительному элементу, внутри каждой группы для каждого не засвеченного эталонным оптическим сигналом фоточувствительного элемента определяют нормирующий коэффициент, равный отношению выходного сигнала от засветки диффузно рассеивающим объектом каждого элемента из группы, к выходному сигналу от засветки диффузно рассеивающим объектом привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом, после чего для каждого элемента из группы определяют калибровочный коэффициент как произведение нормирующего коэффициента и коэффициента передачи привязанного к данной группе фоточувствительного элемента, засвеченного эталонным оптическим сигналом, на которые умножаются разность значений выходных сигналов всех элементов снятого изображения и сигналов, соответствующих темновым токам.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при полете космического аппарата со съемочной аппаратурой по околоземной орбите в качестве эталонного сигнала используют изображение звезды, светимость которой известна и занесена в звездный каталог в виде звездной величины, а в качестве диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью – наземные калибровочные полигоны, водные поверхности, плоские заснеженные поверхности и объекты, обеспечивающие равномерную засветку всех фоточувствительных элементов матрицы приборов с зарядовой связью.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при наземной калибровке в качестве эталонного сигнала используют источники света, у которых измеряют их светимость, а в качестве диффузно рассеивающего объекта с неизвестной светимостью – плоские экраны, стены и объекты, обеспечивающие равномерную засветку всех фоточувствительных элементов матрицы приборов с зарядовой связью.