[发明专利]光学遥感卫星在轨动态场景实时匹配方法

权利要求书

1.一种光学遥感卫星在轨动态场景实时匹配方法，其特征在于所述方法步骤如下：

步骤1：对相机动态范围进行测量，具体步骤如下：

步骤1-1：计算像元信号平均值；

设图像传感器像元个数为M×N，在无任何光照的情况下获得P张图片，则坐标为(m,n)的像元信号平均值为：

Q ‾ ( m , n ) = 1 P Σ i = 1 P Q ( m , n , i ) , i = 1... P ; ]]>

其中，Q(m,n,i)为第i张图片在坐标(m,n)处的像元信号值，i为图片数；

步骤1-2：计算各像元信号残差；

e ( m , n , i ) = Q ( m , n , i ) - Q ‾ ( m , n ) , i = 1... P ; ]]>

步骤1-3：计算像元信号标准差；

相机的标准差即为获得图像所有残差的均方根值，即：

σ = Σ m = 1 M Σ n = 1 N Σ i = 1 P e ( m , n , i ) 2 M × N × P ; ]]>

步骤1-4：计算相机的动态范围；

D C = 20 · l o g 2 b σ ; ]]>

其中，b是量化位数；

步骤2：对测光相机与拍照相机的辐射响应关系进行标定，具体步骤如下：

步骤2-1：选取发光亮度均匀且不变的光源；

步骤2-2：分别用测光相机和拍照相机对选定光源进行成像；

步骤2-3：计算测光相机和拍照相机的辐照度E'm和E's；

E ′ m = v m - o v m t m · g v m ; ]]>

其中，vm是测光相机测得图像饱和灰度值，ovm为测光相机直流偏置，tm为测光相机曝光时间，gvm是测光相机VGA增益；

E ′ s = v s - o v s t s · g v s ; ]]>

其中，vs是拍照相机测得图像饱和灰度值，ovs为拍照相机直流偏置，ts为拍照相机曝光时间，gvs是拍照相机VGA增益；

步骤2-4：计算得出拍照相机与测光相机的特征增益比值，如下式：

g t s g t m = E ′ s E ′ m . ]]>

其中，gts、gtm分别代表拍照相机与测光相机的特征增益值；

步骤3：利用测光相机至多三次拍摄场景获取的图像测量当前场景动态范围，具体步骤如下：

步骤3-1：对场景第一次成像，第一次成像的曝光时间t1确定原则为：获得图像灰度为0的像素数量不能超过总像素数量的20％，本次成像获得的图像将是一张欠曝光的图像；

步骤3-2：当第一次成像获取图像中含有灰度为0的像素时，对场景第二次成像，否则执行步骤3-6，第二次成像的具体步骤如下：

步骤3-2-1：计算最大曝光时间：

t m a x = n · L · Δ ω V · f ; ]]>

其中，n为目标场景所成的像覆盖像元的个数，L为被摄物体至镜头的距离，Δω为像元间距，V为相机移动速度，f为镜头焦距；

当第一次成像获得图像中灰度为0的像素数大于总像素数20％时，执行步骤3-2-2，否则跳过步骤3-2-2执行步骤3-2-3；

步骤3-2-2：计算第二次成像理论曝光时间：

t 2 ′ = 4 · v s a t v m a x · t min ; ]]>

其中，vsat是饱和图像灰度，vmax是图像中最大灰度；

跳过步骤3-2-3至步骤3-2-4，执行步骤3-2-5；

步骤3-2-3：计算中灰度曝光时间tmid，具体步骤如下：

步骤3-2-3-1：计算图像平均灰度avg，如果avg在中值区间内，执行步骤3-2-3-2，否则跳过步骤3-2-3-2执行步骤3-2-3-3；

步骤3-2-3-2：计算中灰度曝光时间tmid：

tmid＝t1；

并跳过步骤3-2-3-3至步骤3-2-3-5；

步骤3-2-3-3：计算：

g q = 128 a v g , q = 1 , 2 , 3 , ... ; ]]>

其中，q为步骤3-2-3-3的执行次数；

步骤3-2-3-4：将图像直方图灰度乘以gq，重新计算平均灰度avg；

步骤3-2-3-5：如果avg落在中值区间内，计算：

g s = Π i g q ; ]]>

tmid＝gs×t1；

否则执行步骤3-2-3-3；

其中，tmid是中灰度曝光时间；

步骤3-2-4：计算第二次成像理论曝光时间：

t2'＝3×tmid；

步骤3-2-5：计算第二次成像曝光时间：

如果t2'＜tmax，则第二次曝光时间t2为：

t2＝t2'，

否则：

t2＝tmax；

步骤3-3：对第二次成像获取图像进行像移补偿；

步骤3-4：当第二次成像获取图像中含有灰度为0的像素时，对场景第三次成像，否则执行步骤3-6，第三次成像的具体方法如下：

步骤3-4-1：计算第三次成像理论曝光时间：

t3'＝10×t2；

步骤3-4-2：计算第三次成像曝光时间：

如果

t3'＜tmax，

则第三次曝光时间t3为：

t3＝t3'，

否则：

t3＝tmax，

并计算补偿增益g3'：

g 3 ′ = t 3 ′ t m a x ; ]]>

在算得曝光时间后，使用步骤3-4-2得到的t3和g3'对场景成像；

步骤3-5：对第三次成像获取图像进行像移补偿；

步骤3-6：计算场景动态范围：

D S = 20 · l o g E ′ max E ′ min ; ]]>

式中：E′max为场景最大辐照度，E′min为场景最小辐照度；

步骤4：根据场景动态解算拍照相机的在轨参数，实现相机与场景动态的实时匹配，相机动态范围与场景动态范围匹配分为如下四种情况：

A.场景动态范围小于相机动态范围时，相机在轨参数解算如下：

t · g v = v s a t · o v E ′ max ; ]]>

其中，t为曝光时间，vsat为图像像素灰度值；

B.场景动态范围大于相机动态范围时，相机在轨参数解算如下：

a.高亮度匹配：

t · g v = v s a t · o v E ′ max ; ]]>

b.低亮度匹配：

t · g v = 1 E ′ min ; ]]>

其中，“1”表示像素最低灰度值；

c.中点匹配：

t · g v = v s a t - o v E ′ max · E ′ min . ]]>