[发明专利]一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法

说明书

本发明涉及图像处理技术领域，更具体地，涉及一种针对静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计方法。本发明提供了一种基于Zernike多项式的杂散光估计方法，包括：（1）杂散光估计模型，进行区域划分；（2）采用Householder变换解最小二乘问题，实现基函数系数稳定求解；（3）杂散光估计使用Zernike多项式表征，充分利用了杂散光的分布特征。通过区域划分，获得了求解系数的数据源；采用低阶Zernike多项式，结合Householder变换，可实现杂散光稳健估计；对高斯噪声不敏感，因此，适合静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计。

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，更具体地，涉及一种针对静止轨道对地遥感光学图像的杂散光估计方法。

背景技术

杂散光，也称为杂光，是指光学系统中除了目标光线外，进入探测器的非成像视场外光线。杂光轻者，使得系统的信噪比降低，传递函数下降，对扩展目标成像模糊，对比度下降，从而影响整个系统的探测或识别能力；重者，目标信号完全湮没在杂光背景中，系统无法提取目标，甚至因像面杂光分布不均匀，在系统探测器上形成虚假信号，导致系统探测到伪目标。

空间光电系统特别是对地观测的空间红外光学系统，工作在有太阳强烈辐射源的恶劣环境中，极易受杂散光干扰。另一方面，随着空间光学技术的以及类光电探测器件技术的飞跃发展，各种大孔径长焦距、衍射极限光学系统问世，高灵敏度、低探测阈值的探测器也越来越多，杂光研究已远落后于光学系统和探测器的发展，特别是对定量化要求高的静止轨道气象卫星，杂散光问题成为光学系统设计水平进一步提高的“瓶颈”。因此，杂散光分析和研究已经成为空间光学工程中的关键技术之一。

欧联的静止轨道气象卫星，地面系统在资料预处理时，采用交叉定标技术来增强探测数据的定量化使用；此外，通过对资料的质量控制来避免受干扰的区域对分析结果产生影响。MSG-1的成像仪，采用了摆镜扫描和三反射的主光路，能够明显抑制各种杂散光的进入，但同样也不能完全消除杂散光的影响，为此，在MSG 1.5级的图像格式中，出现了杂散光补偿特性段，在其中填充一个依赖于幅度的校正因子。

日本已退役的GMS-5曾建立辐射查找表来抑制杂散光对数据的影响，主要是通过与NOAA的AVHRR-2，进行多线性回归方法的反演，利用交叉定标和误差补偿，将原始图像中的错误信息去除。在对MTSAT-2成像仪的午夜杂散光的研究中，结合空间几何学关系和辐射传输方程建立了对该类型杂散光的校正算法，并利用GOES资料进行了验证（SeiichiroKIGAWA， Stray light correction for imager[C]， Meteorological Satellite Center(Japan) Technical Note， Mar. 2003， No.42:1-18）。

我国风云二号卫星，也进行了抑制“午夜太阳光”引起的杂波图像处理工作，提出了基于高阶统计特征的FY2气象卫星全视场杂散光估计方法（郭强， 许建民， 张文建. 基于高阶统计特征的 FY-2 气象卫星全视场杂散光估计[ J] . 光学技术， 2004， 30( 6) :748-752.）和基于模板的图像杂散光消除方法（原育凯，李欣耀，裴云天，栾炳辉. 模板方法消除FY-2辐射计可见杂散光 [J]. 光子学报. 2007 (08)）：1)在分析杂散光成因的基础上，对折镜直接反射形成杂散光的物理过程进行了建模，提取了特定区域目标的高阶统计特征，通过对地球圆盘外区域杂散光特征的学习，得出了系统杂散光作用矩阵的总体最小二乘解，并将其推广到地球圆盘区域内，得到了在该模型下对全视场杂散光的有效估计；2)根据可见直射杂散光的机理，建立了定量化的杂散光模板，然后从图像恢复的角度、依据图像降质的模型，对叠加到可见光通道云图上的直射杂散光，进行了模拟和消除的操作。这些工作开创了地面处理系统消除杂散光的局面，但进行业务运行还需要努力，国家卫星气象中心的许健民院士指出杂散光是影响风云二号气象卫星辐射定量精度的主要因素，“这些问题不解决，卫星数据的定量应用水平是提不上去的”（许健民，杨军，张志清，孙安来.我国气象卫星的发展与应用[J]. 气象，2010，36(7)：94-100）。