機(jī)載紅外圖像轉(zhuǎn)換生成衛(wèi)星仿真圖像的大氣修正方法研究

李金萍

(東華理工大學(xué)信息工程學(xué)院,江西 南昌 330013)

1 引 言

利用衛(wèi)星偵察仿真圖像可以完成紅外成像偵察系統(tǒng)綜合指標(biāo)論證、成像偵察效果預(yù)先仿真研究、紅外偵察圖像判讀訓(xùn)練、以及獲取優(yōu)良偵察圖像的使用技術(shù)等多種用途。由于低空獲取紅外圖像安全系數(shù)大等原因,為了更高質(zhì)量紅外偵察系統(tǒng)的研制,對(duì)利用低空紅外圖像轉(zhuǎn)換生成高空紅外仿真圖像顯得尤為重要。目標(biāo)的紅外輻射特性是紅外成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[1],我們知道紅外目標(biāo)到達(dá)成像系統(tǒng)時(shí)會(huì)經(jīng)過大氣通道[2],由于大氣的影響,紅外輻射發(fā)生衰減,大氣衰減直接影響紅外仿真圖像生成的效果以及用途,所以在紅外圖像進(jìn)行仿真時(shí),必須進(jìn)行大氣修正[3]。

2 理論基礎(chǔ)

由熱輻射傳輸方程可以分析出,進(jìn)行衛(wèi)星偵察圖像仿真時(shí),用到的是輻射亮度。我們已有的資料是以灰度圖像表現(xiàn)出來的熱紅外圖像,根據(jù)熱像儀定標(biāo)時(shí)的對(duì)應(yīng)量,計(jì)算出像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度,通過黑體普朗克輻射公式[4]反演出相應(yīng)的輻射亮度,由此可以得到一組由紅外輻射亮度值表示的目標(biāo)與背景的紅外圖像數(shù)據(jù)。有了以光譜輻射亮度式表示的紅外圖像數(shù)據(jù),即可以進(jìn)行圖像由飛機(jī)平臺(tái)到衛(wèi)星平臺(tái)間的大氣修正。結(jié)合實(shí)際情況,本文分別利用兩條途徑進(jìn)行大氣的修正。

3 大氣的修正方法

3.1 機(jī)-地-星法

所謂機(jī)-地-星法是將飛機(jī)平臺(tái)上得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過大氣修正得到地面上的數(shù)據(jù),然后再利用地面與衛(wèi)星之間的大氣修正得到衛(wèi)星上的數(shù)據(jù),最后再轉(zhuǎn)化為灰度圖像。利用本方法實(shí)現(xiàn)偵察圖像大氣修正的仿真,需分以下兩步進(jìn)行。

第一步:從飛機(jī)到地面的大氣修正；

設(shè)飛機(jī)平臺(tái)高度為h1,由熱輻射傳輸方程得地面目標(biāo)的普朗克黑體輻射亮度Lbλ(Ts)為:

Lbλ(Ts)=

(1)

第二步:從地面到衛(wèi)星的大氣修正；

設(shè)衛(wèi)星平臺(tái)高度h2,由熱輻射方程和公式(1),則有:

(2)

對(duì)(2)式λ1～λ2波段進(jìn)行積分得L:

(3)

3.2 機(jī)-星法

所謂機(jī)-星法是指進(jìn)行衛(wèi)星平臺(tái)上熱像儀偵察圖像仿真時(shí),直接將飛機(jī)平臺(tái)上得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過飛機(jī)與衛(wèi)星之間的大氣修正得到衛(wèi)星上的數(shù)據(jù),然后轉(zhuǎn)化為圖像,不再考慮飛機(jī)平臺(tái)到地面間的大氣修正。

則輻射亮度公式為:

(4)

同理對(duì)(4)式λ1～λ2波段進(jìn)行積分得L:

(5)

公式(1)～(5)各參數(shù)下標(biāo)包含“1”的是指飛機(jī)平臺(tái)參數(shù),下標(biāo)包含“2”的是指衛(wèi)星平臺(tái)參數(shù),各參數(shù)具體物理含義詳見陳良富、徐希孺[5]《熱紅外遙感中大氣下行輻射效應(yīng)的一種近似計(jì)算與誤差估計(jì)》一文。

由此得到“機(jī)-地-星法”和“機(jī)-星法”圖像間數(shù)據(jù)變換的光譜輻射亮度計(jì)算公式(3)和(5)。通過這兩個(gè)公式算出仿真圖像像素點(diǎn)亮度值,并對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)應(yīng)用相同的大氣修正,進(jìn)而生成衛(wèi)星仿真圖像。

在相同大氣參數(shù)以及不同大氣參數(shù)下,對(duì)于公式(3)和(5)中大氣透過率和大氣熱輻射兩個(gè)參數(shù),劉其濤[6]給出了對(duì)于紅外8～12 μm波段應(yīng)用MODTRAN軟件的計(jì)算方法,在本論文中得以采用。

4 兩種方法計(jì)算值比較

本文利用飛機(jī)平臺(tái)上熱像儀已獲得的圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),為便于分析,設(shè)光譜響應(yīng)函數(shù)值為1,利用MODTRAN軟件計(jì)算所需參數(shù),然后利用上述兩種方法進(jìn)行了仿真數(shù)據(jù)計(jì)算。在不同大氣模式下,利用上述兩種仿真方法分別計(jì)算相同像素點(diǎn)的亮度值,結(jié)果如表1。

表1 仿真數(shù)據(jù)比較

5 仿真圖像結(jié)果

為使仿真的結(jié)果更直觀,我們將各平臺(tái)上相機(jī)得到的亮度數(shù)據(jù)組轉(zhuǎn)換成了灰度圖像。我們進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換時(shí),采用了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),即:對(duì)于一幅給定的機(jī)載紅外圖像,在各仿真圖像中,采用相同的最大和最小亮度值進(jìn)行灰度值轉(zhuǎn)換。思路如下:對(duì)于同一像素點(diǎn)來說,機(jī)載相機(jī)圖像的亮度值小于地面修正值,而大于衛(wèi)星高度圖像的亮度值,所以,我們的極值在地面和衛(wèi)星平臺(tái)數(shù)據(jù)中選取,而不在機(jī)載亮度值中選取。

利用以上灰度變換思想,將不同模式大氣條件下修正的輻射亮度值變換為灰度圖像,得到修正圖像。圖1給出不同大氣模式修正灰度圖像效果。

圖1 大氣修正仿真效果圖

6 結(jié) 語

本文以普朗克輻射公式和輻射傳輸方程為基礎(chǔ),提出了兩種由機(jī)載紅外圖像轉(zhuǎn)換生成衛(wèi)星偵察仿真圖像的大氣修正方法,結(jié)合數(shù)據(jù)分析和圖像仿真效果得出:在相同大氣模式下,采用兩種方法得到的輻射亮度值稍有不同,但相應(yīng)的灰度仿真圖像差別不大。進(jìn)行圖像仿真時(shí),兩種方法都需要利用MODTRAN軟件進(jìn)行大氣上行輻射和大氣透過率計(jì)算,“機(jī)—星法”計(jì)算一次參數(shù),計(jì)算量小,運(yùn)算速度較快；“機(jī)—地—星法”,需要計(jì)算兩次參數(shù),計(jì)算量稍大一些但結(jié)果更接近實(shí)際情況。