基于辐射状靶标的高分辨率光学卫星传感器像质评价方法研究

徐伟伟; 张黎明; 司孝龙; 杨宝云; 王戟翔

doi:doi:10.3788/AOS201939.0928003

光学学报, 2019, 39 (9): 0928003, 网络出版: 2019-09-09

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Image-Quality Evaluation of High-Spatial-Resolution Satellite Optical Sensor Based on Radial Target

论文大纲

徐伟伟 ^1,2,*张黎明 ^1,2司孝龙 ^1,2杨宝云 ^1,2王戟翔 ^1,2

作者单位

¹ 中国科学院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽合肥 230031

² 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽合肥 230031

遥感像质评价辐射状靶标调制传递函数分辨率 remote sensing image-quality evaluation radial target modulation transfer function resolution

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摘要

空间分辨率与调制传递函数(MTF)是高分辨率光学卫星传感器像质评价的重要参数,直接客观反映遥感器成像系统的成像质量。针对空间分辨率检测的辐射状靶标,提出一种与相同反射率大面积靶标相结合的方法,依据靶标调制度、传感器入瞳的物方调制度与像方调制度之间的关系,准确获取不含大气的星载遥感器成像系统在轨MTF与大气MTF值。实验结果表明:采用辐射状靶标法可同时获取星载遥感器成像系统空间分辨率与在轨MTF值,实时的大气MTF值为0.7519,基于辐射状靶标的在轨MTF检测结果与刃边法在轨MTF检测结果差异小于5%,该方法可用于实现高分辨率光学卫星传感器在轨像质评价。

Abstract

The spatial resolution and modulation transfer function (MTF) are important parameters for image-quality evaluation of high-spatial-resolution satellite optical sensors. They objectively reflect the imaging quality of a remote-sensing imaging system. We present a method using a radial target for spatial-resolution measurement that employs a large-area target with uniform reflectivity. This method depends on the relationship between the target modulation degree, object modulation degree, and image modulation degree in the pupil of the sensor. It can accurately determine the on-orbit MTF value of a spaceborne remote-sensing imaging system without atmospheric effects as well as the MTF value of the atmosphere. Experimental results show that the proposed radial-target method can simultaneously determine the spatial resolution and the on-orbit MTF value of the spaceborne remote-sensing imaging system. The real-time MTF value of the atmosphere is 0.7519. The difference between the on-orbit MTF value measured by our radial-target method and that measured by the knife-edge method is less than 5%. The proposed method can provide on-orbit image-quality evaluation of high-spatial-resolution satellite optical sensors.

1 引言

图像质量是评价光学卫星传感器遥感影像辨别物体能力的重要参数,主要包含空间分辨率和调制传递函数(MTF)。分辨率是决定成像系统图像质量和目标获取能力的重要参数之一,被认为是能够决定成像系统性能的一种基本度量,暗含着能分辨的最小细节;在轨MTF检测主要采用数字傅里叶分析法,即根据物像关系,结合地面目标特性对传感器获取的图像进行数字化处理,得到传感器系统MTF。虽然光学卫星传感器发射前都进行过严格的实验室定标和检测,但是卫星遥感成像与地面成像不同,除了受成像系统影响外,还受卫星发射震动与加速度、在轨运行姿态(如应力释放、排气与调焦)、空间环境(如紫外辐照、温度梯度),以及大气(如湍流和气溶胶)等因素影响。因此,需在卫星遥感器全寿命期内对其性能进行定期或不定期的跟踪检测与监测,以保证遥感数据的定量化水平^[1-2]。目前,国内外提出了如周期靶标法、辐射状靶标法等空间分辨率检测方法,以及刃边法、脉冲法、点源法等多种在轨MTF检测方法。SPOT系列、OrbView系列、WorldView系列以及资源系列、高分系列等高分辨率光学遥感卫星多采用这些方法进行图像质量评价^[3-11],均取得了一定的在轨检测成效。

在轨图像质量评价是基于光学卫星传感器成像系统的物像关系,利用所获取的图像,结合其在地面选取或设置的参照目标,经分析处理得到系统分辨率及MTF等像质评价参数,该方法易受大气及方法固有偏差等因素影响^[12-13]。周期靶标法以高对比度的周期性三线靶标作为参照,配合相同反射率大面积靶标,通过遥感器成像并根据对比度传递函数与MTF的关系求得系统MTF。进行在轨图像质量评价时,需要与地面分辨率参数相配合,通过多组和多次检测方能确定遥感器图像的分辨率与奈奎斯特频率处MTF值,周期靶标布设需与轨道精确匹配。该方法易受大气状况影响而产生较大误差^[3]。刃边法采用两块对比度较大且相对均匀的区域以直线边缘相拼接来构成刃边参照目标,通过遥感器成像并对遥感影像处理求取系统MTF。由于刃边参照目标本身并不包含多种频率成分,需求导恢复出各个频率,多步骤数据处理易受噪声干扰而引入额外误差,进而降低了刃边法在轨MTF检测特别是奈奎斯特频率附近的MTF检测精度,影响像质评价^[14-16]。脉冲法以均匀暗背景上的高亮线状目标作为参照,通过遥感器成像并对遥感影像处理求取系统MTF。参照目标的线脉冲在频域内存在零频率点,易受噪声及脉冲目标宽度等因素影响进而降低在轨MTF检测精度。点源法以“小”而“亮”的点光源作为参照,通过遥感器成像并根据MTF定义求取系统MTF。在轨MTF检测可以获取遥感器成像系统的二维MTF,但是为抑制随机噪声及采样相位影响,需设置非整数像素间隔的4×4点光源阵列来提高检测精度^[8-9]。利用MTF检测的点扩展函数的半峰全宽(FWHM)来检测高分辨率光学卫星传感器成像系统的空间分辨率,该过程包含大气MTF的影响从而降低了空间分辨率检测精度^[17]。为克服这些图像质量评价方法的不足,本文针对高分辨率光学卫星传感器空间分辨率检测的辐射状靶标,提出一种与大面积靶标相结合的在轨图像质量评价方法,不仅可以直接检测星载遥感器成像系统的空间分辨率与在轨MTF参数,还能直接获取实验场区的大气MTF值。

在轨像质评价与地面实验室不同,本文根据高分辨率光学卫星传感器在轨图像质量评价的特点,对基于辐射状靶标的在轨空间分辨率与MTF检测原理进行了论述,应用该方法对高分辨率光学卫星传感器进行在轨像质评价实验,获取了不含大气的空间分辨率与MTF参数,并对结果进行了分析讨论。

2 检测原理

2.1 空间分辨率

空间分辨率指的是光学卫星传感器能分辨最小空间细节的能力,与光学卫星传感器轨道高度和探测器焦平面像素尺寸成正比,与相机焦距成反比。辐射状靶标是高反射率靶标和低反射率靶标辐条由圆心向外等比扩展形成,在相同半径上具有相同的空间分辨率,同时由于靶标辐射状向外扩展的渐变分辨率和相邻辐条间的相位差异,采用辐射状靶标直观上比较容易辨识出传感器图像的分辨率。

以辐射状靶标为参照,通过测量辐射状靶标图像得到圆心点坐标、可分辨分界点坐标、外边沿点坐标,再结合地面靶标布设参数,依据经验与统计分析可得光学卫星传感器的空间分辨率为

R_{es} = \frac{N [1 + \frac{\sum \sqrt[]{(n_{i} - n_{0})^{2} + (m_{i} - m_{0})^{2}}}{M}]}{\sum \sqrt[]{(n_{j} - n_{0})^{2} + (m_{j} - m_{0})^{2}}} \times D_{\max}, (1)

式中:R_es为遥感器空间分辨率;n_i、m_i(i=1,2,…,M)为可分辨分界点坐标;n₀、m₀为圆心点坐标;n_j、m_j(j=1,2,…,N)为辐射状靶标图像外边沿点坐标;M(整数)为测得的可分辨分界点的点数,M≥7;N(整数)为测得的外边沿点坐标的点数,N≥7;D_max为靶标设置的最大弦长。

2.2 在轨MTF

根据MTF定义,利用遥感器成像系统对某种频率正弦靶标进行检测时,像方调制度与物方调制度之比即为系统MTF。由于辐射状靶标的线宽呈梯形连续渐变,弦长每变化一米其半径约增长二十几米,可有效减少相位差等因素影响,因此辐射状靶标是改进的周期靶标,故以辐射状靶标为参照目标可直接检测被测光学卫星传感器系统的对比度传递函数(CTF)。根据傅里叶级数展开与采样定理可知^[3,18],对广泛应用于遥感器、以线阵CCD扫描成像的高分辨光电成像系统来说,经数字采样所获的信息不包含小于2像素周期的成分,即存在截止频率,在实际在轨检测应用中,辐射状靶标的最小频率大于1/3截止频率,遥感成像系统的MTF与CTF间存在关系:

M (ν) = \frac{π}{4} C (ν), (2)

式中,M(ν)为遥感器系统MTF,C(ν)为遥感器系统CTF。

图像质量不仅受光学卫星传感器MTF的影响,而且还受包含大气与图像处理等环节的MTF的影响,也就是说光学卫星传感器的在轨MTF检测与发射前实验室检测不同,需要考虑大气层的影响,即大气程辐射与地气耦合辐射的影响不能忽略。根据辐射传输理论,高分辨率光学卫星传感器入瞳辐亮度主要由三部分组成:目标漫射辐射、程辐射、地气耦合辐射。故遥感器入瞳调制度可表示为

m (0) = \frac{t (L_{0, h} - L_{0, l})}{2 (L_{a} + L_{a - g}) + t (L_{0, h} + L_{0, l})}, (3)

式中:m(0)为遥感器入瞳物方调制度;L_0,h、L_0,l分别为辐射状靶标的高、低辐亮度;t为靶标-传感器路径大气透过率;L_a为大气程辐射亮度;L_a-g为地-气耦合辐射亮度。

由此可知,物方调制度不仅包含参照靶标的反射率信息,而且包含大气信息,采用布设反射率与辐射状靶标相同的大面积靶标(对应的遥感器空间频率近似为零)的方法,利用直接读取大面积靶标图像数据的方法来计算遥感器入瞳的物方调制度。通常将遥感成像系统假设为线性位移不变系统,(3)式分子分母同乘以定标系数,得

m (0) = \frac{d_{l, h} - d_{l, l}}{d_{l, h} + d_{l, l}}, (4)

式中d_l,h、d_l,l分别为大面积靶标图像扣除暗电流后的高、低响应值。

由辐射状靶标图像响应值可得遥感器像方调制度,再结合根据大面积靶标图像数据计算的遥感器入瞳物方调制度,可得不含大气的高分辨率光学卫星传感器在轨MTF为

M_{s} (v) = \frac{π}{4} \frac{d_{far, h} - d_{far, l}}{d_{l, h} - d_{l, l}} \frac{d_{l, h} + d_{l, l}}{d_{far, h} + d_{far, l}}, (5)

式中:d_far,h、d_far,l分别为扣除暗电流的辐射状靶标图像的高、低响应值;M_s(v)表示不含大气的遥感器在轨MTF值。

若将由辐射状靶标图像响应值求得的遥感器像方调制度,与根据地面同步或准同步测量的靶标反射率计算的靶标调制度相结合,可进一步得到含大气的高分辨率光学卫星传感器在轨MTF为

M_{s - a} (v) = \frac{π}{4} \frac{d_{far, h} - d_{far, l}}{ρ_{h} - ρ_{l}} \frac{ρ_{h} + ρ_{l}}{d_{far, h} + d_{far, l}}, (6)

式中:ρ_h、ρ_l分别为地面靶标的高、低反射率;M_s-a(v)为含大气的遥感器在轨MTF值。

根据大面积靶标图像数据计算的遥感器入瞳的物方调制度,再结合根据地面同步或准同步测量的靶标反射率计算的靶标调制度,可得到在轨检测试验场区的大气MTF为

M_{a} = \frac{d_{l, h} - d_{l, l}}{ρ_{h} - ρ_{l}} \frac{ρ_{h} + ρ_{l}}{d_{l, h} + d_{l, l}}, (7)

式中M_a为场区大气MTF值。

3 在轨检测实验

在新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市附近的辐射定标场,2011年7月—8月开展了天绘一号高分辨率光学卫星传感器基于辐射状靶标的成像质量评价实验,如图1所示,分别布设了最大弦长为6.4 m、半径为167 m的辐射状靶标与相同反射率的大面积靶标,辐射状靶标的弦长每变化1 m,其半径约增长26 m,边沿与遥感器飞行方向及其线阵探测器阵列方向夹角约为10°。现场准同步测量了辐射状靶标与大面积靶标及实验场的背景反射率,靶标光谱反射率平坦,对光学卫星传感器光谱响应函数进行归

图 1. 靶标遥感影像

Fig. 1. Remote sensing image of target

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一化处理可得靶标的平均反射率为60.17%与4.74%(见图2),靶标对比度优于12,进而可得地面靶标的调制度为

m = \frac{ρ_{h} - ρ_{l}}{ρ_{h} + ρ_{l}} = 0.8540 。 (8)

图 2. 靶标反射率

Fig. 2. Reflectance of target

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基于高分辨率光学卫星传感器获取的辐射状靶标图像,利用图像中外边沿点与可分辨分界点的线性拟合求得圆心点坐标;根据从图像上测量选取的垂轨(cross)与沿轨(along)方向的多个可分辨分界点坐标与外边沿点坐标,结合辐射状靶标的地面布设参数(最大弦长)。利用辐射状靶标法空间分辨率检测软件,根据(1)式,计算得到高分辨率光学卫星传感器垂轨与沿轨方向的空间分辨率,如表1所示。

表 1. 空间分辨率检测结果

Table 1. Results of spatial resolution measurement

Direction	Spatial resolution /m
Cross	5.09
Along	5.04

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利用高分辨率光学卫星传感器获取的大面积靶标图像,选取高低反射率靶标图像中央区域的响应值,如表2所示,经统计分析可得高低反射率靶标响应值分别为856与187,由(4)式可得遥感器入瞳处的物方调制度为

m (0) = \frac{d_{l, h} - d_{l, l}}{d_{l, h} + d_{l, l}} = 0.6421 。 (9)

由现场测量求得的地面靶标调制度[(8)式],结合大面积靶标图像求得的遥感器入瞳的物方调制度[(9)式],代入(7)式可得大气MTF值M_a=0.7519。

根据辐射状靶标图像在沿轨与垂轨方向采用分辨率检测方法测得的可分辨分界点的高低反射率靶标响应值,如表3所示,经统计分析中央区域3 pixel×

表 2. 大面积靶标图像响应值

Table 2. Image response values of large-area target

Relative pixel coordinate	Digital number
	Low reflectance target					High reflectance target
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
1	190	188	191	189	187	858	847	858	857	859
2	184	189	191	189	186	850	852	852	852	859
3	186	189	191	189	185	853	853	855	853	859
4	184	185	187	185	183	856	856	858	855	859
5	183	184	183	183	183	862	860	860	857	861
Average	187					856

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3 pixel,计算得到可分辨分界点辐射状靶标图像调制度分别为0.1675与0.1898,再结合根据大面积靶标响应均值求得的遥感器入瞳物方调制度,代入(5)式求得不含大气的高分辨率光学卫星传感器在轨MTF值(0.2049与0.2322@Nyquist Frequency),如表4所示。将辐射状靶标图像可分辨分界点的像方调制度与地面靶标调制度代入(6)式,可得到包含大气的光学卫星传感器在轨MTF值(0.1540与0.1746@Nyquist Frequency);其它频率处MTF根据相应空间分辨率处的辐射状靶标响应值与大面积靶标响应值及地面靶标调制度得到。

表 3. 辐射状靶标响应值

Table 3. Image response values of radial target

Relative pixel coordinate	Digital number
	Along-direction					Cross-direction
	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
1	592	445	621	448	598	575	581	593	603	610
2	581	434	605	432	586	390	403	410	422	437
3	569	421	590	422	571	587	599	604	612	624
4	565	412	581	415	569	392	406	411	419	438
5	558	401	569	404	547	576	586	598	601	611

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表 4. 在轨MTF检测结果

Table 4. Results of on-orbit MTF measurement

Category	MTF
Category	Cross-direction	Along-direction
Atmospheric	0.7519
Without atmospheric	0.2322	0.2049
With atmospheric	0.1746	0.1540

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4 分析讨论

基于辐射状靶标的高分辨率光学卫星传感器像质评价方法,不仅可以检测遥感器的空间分辨率,而且可以通过结合相同反射率的大面积靶标,分别独立地获取大气MTF值和不含大气的传感器在轨MTF值。与实验室检测不同,高分辨率光学卫星传感器在轨像质评价不仅要考虑参照目标特性,还要分析大气及遥感器成像链路等因素的影响。

辐射状靶标线条数多(数十条以上),可有效避免三线周期性靶标线数少的不足,且辐射状靶标的线宽呈梯度连续渐变,弦长每变化1 m,其半径也会变长(20 m以上),能有效减小光电成像系统采样相位差等因素影响,提高在轨成像质量评价精度;此外辐射状靶标辐射角大于90°可覆盖光学卫星传感器飞行方向与CCD探测器线阵方向的全范围,可用于检测出不同方向的在轨图像质量。高分辨率光学卫星传感器在轨成像质量评价实验期间,同批次的辐射状靶标与大面积靶标均长期布设于野外,相同实验时间内经历相同的环境条件,所引起的靶标微小变化也是相同的,且在卫星过顶成像前后,均进行靶标反射率测试,辐射状靶标与大面积靶标的反射率差异小于0.5%,可认为场地环境对辐射状靶标与大面积靶标的影响是相同的。

从MTF对图像质量的影响来看,光学遥感影像不仅受光学卫星传感器MTF的影响,还受大气(湍流、程辐射及地气耦合效应等)与卫星姿态及运动等因素影响。基于辐射状靶标的在轨像质评价方法,采用相同反射率的大面积靶标,获取光学卫星传感器入瞳处的物方调制度,再结合辐射状靶标图像的像方调制度,可以有效克服大气对遥感器成像质量的影响,直接获取不含大气的高分辨率光学卫星传感器在轨MTF;同时将同步或准同步测量的靶标反射率,与大面积靶标图像的调制度结合,可直接获取大气MTF值。考虑到场区背景辐射与邻近效应影响,辐射状靶标与大面积靶标均布设于大面积且均匀的暗背景目标场,而且大面积的高低反射率靶标尺寸均优于20 pixel×20 pixel(或分辨率),在计算物方调制度时,仅选择中央区域的10 pixel×10 pixel(或分辨率),以有效抑制随机噪声、背景辐射及邻近效应影响,进而提高高分辨率光学卫星传感器基于辐射状靶标的在轨像质评价精度。

根据大面积靶标所构成的刃边图像,对高分辨率光学卫星传感器采用刃边法进行在轨MTF检测,以验证基于辐射状靶标的在轨像质评价结果。刃边法在轨MTF检测主要包含刃边亚像素位置检测与拟合、参数化边扩展函数获取、线扩展函数获取与傅里叶变换等步骤,最终得到系统MTF,如图3所示,基于大面积靶标的高分辨率光学卫星传感器在轨MTF检测结果为0.2425与0.2153,与辐射状靶标在轨检测结果的差异为4.26%与4.84%,具有较好的一致性,验证了光学卫星传感器辐射状靶标法在轨像质评价方法的有效性与准确性。基于辐射状靶标的高分辨率光学卫星传感器在轨像质评价方法,相对于刃边法来说,是根据空间分辨率与MTF定义进行检测的直接方法。

图 3. 刃边法测得的MTF曲线

Fig. 3. MTF plots measured by knife-edge method

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5 结论

通过对辐射状靶标法在轨像质评价进行理论分析,开展了基于辐射状靶标的高分辨率光学卫星传感器在轨空间分辨率与MTF检测实验,并在相同反射率大面积靶标的配合下,不仅获取了星载遥感器的空间分辨率与在轨MTF值,同时还得到了大气MTF值。辐射状靶标法在轨MTF检测结果与刃边法检测结果差异小于5%,具有较好的一致性。结合大面积靶标的辐射状靶标法能有效提高高分辨率光学卫星传感器在轨像质评价精度:相对于像素级空间分辨率检测的周期性三线靶标法,辐射状靶标法有效地避免了周期性三线靶标条数、长度和相位差等因素影响,弦长每变化一米其半径约增长二十几米,宽度渐变可以获取亚像素级的空间分辨率检测结果,具有较高精度;相对于MTF检测的刃边法与脉冲法,辐射状靶标法是根据定义进行在轨MTF检测的直接方法,不需通过求导来恢复各个频率成分,有效地避免了多步骤数据处理所引入的误差;相对于包含大气在内的在轨MTF检测方法,辐射状靶标法在相同反射率的大面积靶标配合下,可直接获取大气MTF值与不含大气的光学卫星传感器的成像系统MTF值,精度提高约(1-M_a)×100%。

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3 pixel,计算得到可分辨分界点辐射状靶标图像调制度分别为0.1675与0.1898,再结合根据大面积靶标响应均值求得的遥感器入瞳物方调制度,代入(5)式求得不含大气的高分辨率光学卫星传感器在轨MTF值(0.2049与0.2322@Nyquist Frequency),如表4所示。将辐射状靶标图像可分辨分界点的像方调制度与地面靶标调制度代入(6)式,可得到包含大气的光学卫星传感器在轨MTF值(0.1540与0.1746@Nyquist Frequency);其它频率处MTF根据相应空间分辨率处的辐射状靶标响应值与大面积靶标响应值及地面靶标调制度得到。

4 分析讨论

5 结论

徐伟伟, 张黎明, 司孝龙, 杨宝云, 王戟翔. 基于辐射状靶标的高分辨率光学卫星传感器像质评价方法研究[J]. 光学学报, 2019, 39(9): 0928003. Weiwei Xu, Liming Zhang, Xiaolong Si, Baoyun Yang, Jixiang Wang. Image-Quality Evaluation of High-Spatial-Resolution Satellite Optical Sensor Based on Radial Target[J]. Acta Optica Sinica, 2019, 39(9): 0928003.

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1 引言

2 检测原理

2.1 空间分辨率

2.2 在轨MTF

3 在轨检测实验

图 1. 靶标遥感影像

Fig. 1. Remote sensing image of target

图 2. 靶标反射率

Fig. 2. Reflectance of target

表 1. 空间分辨率检测结果

Table 1. Results of spatial resolution measurement

表 2. 大面积靶标图像响应值

Table 2. Image response values of large-area target

表 3. 辐射状靶标响应值

Table 3. Image response values of radial target

表 4. 在轨MTF检测结果

Table 4. Results of on-orbit MTF measurement

4 分析讨论

图 3. 刃边法测得的MTF曲线

Fig. 3. MTF plots measured by knife-edge method

5 结论

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图 2. 靶标反射率

Fig. 2. Reflectance of target

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表 2. 大面积靶标图像响应值

Table 2. Image response values of large-area target

表 3. 辐射状靶标响应值

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