弱小目标可见光传感器成像特性研究

马国锐,王长力,眭海刚,秦前清

(1.武汉大学,湖北武汉430079;2.中国人民解放军91635部队,北京102249)

0 引言

复杂背景下可见光影像的弱小目标检测是遥感应用研究领域的前沿课题。可见光CCD传感器由于重量轻、体积小、成像质量高等一系列优点成为主要的成像侦察卫星探测仪,分线阵和面阵扫描2种成像方式,以CCD像元的有限几何尺寸将连续的目标图像的几何形状和光谱以不连续的形式表现出来,从而会降低地面目标特别是弱小目标的分辨能力[1]。弱小目标在CCD卫星传感器上成像要经过一系列的能量衰减和扩散,结果很难被卫星传感器探测到;在一定的条件下,即使被探测到了,这些目标在卫星图像上由于自身强度弱,成像距离远,目标淹没在强大的背景噪声中,给检测提取带来了巨大的困难。

本文从影响弱小目标成像的弥散因素入手,定量分析了大气、光学系统、探测器和传感器的振动等弥散因素对弱小目标的成像尺寸和成像强度的影响;在弥散成像的范围内,根据卫星传感器接收的能量辐射传输方程和小目标成像几何位置关系,推导出了弱小目标与背景的对比度传输系数公式;同时基于对比度和实际的检测识别需要,探讨了弱小目标能被正确检测识别的前提条件,为设计可行的检测提取算法提供理论指导。

1 小目标成像尺寸分析

当目标与CCD成像系统相距很远,目标张角小于CCD成像系统的瞬时视场(瞬时视场IFOV表示成像系统可分辨的最小空间尺度)时,目标可以视作一个点目标,点目标光在经过大气传输进入光学系统的成像过程中,除了目标能量受到衰减外,还会因各种因素引起目标像点的弥散[2]。

1.1 小目标成像弥散因素

点目标(或近似点目标)的成像尺寸主要由弥散因素决定,这些因素主要包括:大气的散射和抖动、光学系统的衍射分辨率极限、探测器分辨率极限、曝光时间内传感器振动和点目标瞬时成像位置等。弥散的结果使得目标像点处的能量被分散,即像面照度下降,且在对比度满足一定要求时,实际成像尺寸比理论值要大,即点目标成像后可能占有多个像素,但边缘像素灰度与背景差别较小。远距离小目标,在光线传递过程中经逐次弥散,最终效果近似正态分布[3],因此本文用均方误差的理论加以解释和定量分析。

1.1.1 小目标对探测单元张角

小目标在探测器上的落点位置不同,目标成像的像素个数不同,对探测单元的张角也不同,相应的单个探测单元接收到的辐射能量也不一样。令 σ1为目标对探测器张角的均方根值,设目标投影面积为A,则目标等效方形面积的边长为,若目标斜距为R,则目标张角的均方根值为:

1.1.2 大气的散射和抖动

气流在三维空间中随位置和时间变化有不规则的涨落,从而导致大气中各种物质的浓度和分布也出现不规则涨落。光在湍流大气中传输时,波阵面产生随机畸变,传播方向发生随机偏转,同时可产生光强起伏、漂移等影响。在图像平面上的直观表现为图像偏移和对比度下降。令σ2为大气抖动在拍摄时间内引起的角弥散均方根值,大气抖动受自然条件的影响较大,恶劣天气、较好天气、非常好天气时,σ2一般取值 10″、5″、1″[3]。

1.1.3 光学系统的衍射分辨率极限

令σ3为光学系统的衍射分辨率极限引起的角弥散均方根值,设按高斯正态分布,得

式中,D为光学系统通光口径;λ为探测器光谱灵敏的峰值波长,λ=0.55*10-3mm。

1.1.4 探测器分辨率极限

令σ4为探测器分辨率极限引起的角弥散均方根值,设按高斯正态分布,得

式中,Rn为探测器分辨率;f′为光学系统的焦距。

1.1.5 曝光时间内传感器振动

一般卫星的基频为20～40 Hz,而高频振动频率可以达到2 kHz以上,低频振动和抖动使图像发生位置变化,像元拉长或移位。高频振动,使像弥散斑直径增加,造成图像模糊[4]。令σ5为曝光时间内传感器振动引起的角弥散均方根值,设振动最大振幅为b,振动幅度等概率分布,则

1.2 小目标成像几何关系

弱小目标经弥散成像后可能占有多个像素,边缘像素灰度与背景差别较小,最终效果近似正态分布。令σ∂为目标光经过大气、光学系统、探测器、传感器的振动等因素在像面上引起的角弥散的均方根值,其表达式为:

图1 弱小目标成像几何关系

图中,Ap表示在物方目标所在位置对应的瞬时视场投影面积,并有Ap=(IFOV*R)2,小目标投影面积At=θ◦Ap(n＞θ＞0),弥散成像对应的物方投影面积nAp=n(IFOV*R)2。

2 小目标对比度传输过程分析

小目标在卫星遥感器上成像过程中,不仅是视角的传递,而且是亮度传递和对比度传递,结果成像视角增大,亮度、对比度都要减小,对可见光CCD卫星传感器系统,对比度是限制其探测能力的首要因素[5],所以本文着重考虑弱小目标在可见光CCD卫星传感器上成像时的对比度传输过程。

2.1 辐射传输方程

来自太阳的电磁辐射能穿过大气时会历经一系列复杂的吸收、散射、反射和热辐射,并在地表和大气之间发生连续级次的相互作用。被大气衰减且直射到地面场景上的大部分辐射能是太阳直射光;而被大气散射的辐射能则被分成2部分:一部分沿下行路径传输,这部分辐射能构成了天空散射光;另一部分沿上行路径传输的辐射能,称之谓大气霾光。由太阳直射光和天空散射光组成的地面总辐射在被地物场景反射并进入成像遥感器光学孔径的过程中同样要经过大气衰减,而且,一定程度的大气霾光也会被附加到总的信号之中。因此进入传感器光学系统的光谱辐照度可表示为:

式中:K为遥感器常数(是积分时间、焦比、横向放大倍率和渐晕参量等的函数);ρ(λ)为目标的反射率;τa(λ,R)为上行大气透过率;τo(λ)为光学系统的透过率;η(λ)为探测器的响应度;dλ=λ2-λ1为光谱带通。

在考虑2次散射的情况下,即同时考虑地面场景反射光的衰减和散射,特别是高反照率的地面背景时,地面场景反射光的散射造成的大气霾光显著的增大了进入传感器的天空光亮度,对探测低反照率的弱小目标非常不利。

2.2 小目标对比度传输系数

小目标所在弥散成像范围内总的响应功率由以下3部分组成[6]:

①来自目标并经大气透射衰减后的辐射功率:

②来自背景并经大气透射衰减后的辐射功率:

③大气本身的辐射功率:

而背景所在IFOV内的响应功率由以下2部分组成:

①来自背景并经大气透射衰减后的辐射功率:

②大气本身的辐射功率:

式中,η为探测器的可见光谱平均响应度;τ0为光学系统的透过率;τ∂(R)为距离为R的传输路径上的大气透过率;E0为太阳直射光和天空散射光组成的地面总辐射;ρ0、ρ1分别为目标和背景的光谱反射率;DR为卫星处俯视大气的天空光亮度;k为遥感器常数(是积分时间、焦比、横向放大倍率和渐晕参量等的函数)。

目标与背景在地面的表观对比度为:

假定系统是非噪声限制(信噪比足够高,噪声可以忽略)时。目标与背景在图像上的表观对比度为:

①从公式中可以看出,图像表观对比度正比于θ,θ越大(θ＜1),小目标在瞬时视场内辐射能量的比重越大,结果成像与背景的反差就越大;

②图像表观对比度反比于n,n越大,弥散成像范围越大,能量分散越严重,结果成像与背景反差越小;

③E0越大,表示观测光照条件越好,ρ0越大,表示地面反射越强,E0ρ0表示地面背景光亮度,E0ρ0越大,相应的地面背景光越强,此时需要同时考虑地面背景光的吸收和散射,即地面光在向上辐射传输时,在大气中会再次发生散射,特别是卫星高度较高时,地面背景光的散射显著增加大气霾光亮度,结果严重降低图像对比度;当地面背景光较暗,小目标较亮时,地面背景光在大气中的散射能量相应较弱,由地面背景光散射造成的大气霾光相对进入传感器的天空亮度来说比重较小,对成像对比度的影响可以忽略,因此,当观察位于高反照率背景下的低反照率的目标时,遥感图像的对比度很差;而当观察位于低反照率背景下的高反照率的目标时,遥感图像的对比度较好;

④τ∂(R)的影响。辐射的衰减通常包含大气气体分子的吸收和散射,气溶胶的吸收和散射。一般气溶胶吸收较小,可以忽略,气溶胶的散射与气象条件有很大关系。气象条件造成的总衰减远高于常规大气,也大大超过分子散射和吸收的影响,严重影响光学观测。当观测地面上空晴天或少云时,才可以获取比较令另人满意的光学遥感图像。气体分子吸收作用主要源于水,其次是氧气和臭氧,气体分子散射在各个波长上均存在,无选择性。但散射强弱与大气中粒子的相对大小及密度有关。大气质量的50%集中在离地面6 km以下的低空,而且99.9%的在离地面50 km的高度内,随着高度的增加,空气分子密度和气溶胶颗粒数量迅速减少,单位路程上的散射衰减与吸收衰减随之迅速变小,即大气对光学观测的影响主要在低大气层。

地球低大气层对光学观测的直接影响是信号的幅值的传输衰减,传输衰减量随地域、高程和季节等变化,很难准确描述,而对于目标的对比度特性,并无太大影响;

⑤DR的影响。DR与大气状态(大气廓线类型、气溶胶的类型及浓度或气象视距、云的存在)和太阳的位置(θs,φs)都有关,晴天的天空辐射可以表示成大气分子Rayleigh散射,相对于其他谱段,蓝紫色的短波散射占据优势,其色温约为20 000～25 000 K。气溶胶的散射会增强天空的辐射强度并使辐射峰值向长波偏移。云的状况对天空亮度的影响是极为复杂,另外,在考虑2次散射时,DR与地面背景反照率相关,从公式可以看出,DR增大,结果成像对比度减小。

2.3 航空试验模拟验证

为研究弱小目标的真实成像情况,在山东泰山地区进行了模拟弱小目标试验。采用高分辨率全色机载图像传感器,对地面预先爆破模拟的目标坑和铺设的占标进行航空飞行试验。模拟的水泥路面厚度为8～10 cm,面积为8.6*35 m2,在水泥路面上模拟了22个目标坑,对大于1 m2的坑采用多次爆破完成;对1 m2以下的坑,直接爆破完成。坑的周围特别是小坑的周围灰度有一个渐变过程,较大面积的坑,以坑中心为圆心,等半径的圆环区域内灰度、纹理具有相似性;小坑成像受弥散因素影响,成像尺寸比理论大小要大,例如0.2 m2坑在理想情况下成像4～5个像素,但实际成像8～12个像素。

另外在跑道另一侧分别用红油漆和白油漆制作了不同大小的正方形占标,相同大小的白色和红色占标,白色占标图像对比度和图像大小明显大于红色占标成像结果。占标较小时,红色占标图像很模糊几乎不可分辨。即在相同背景下,高亮度的目标比低亮度的目标更容易探测。

3 结束语

研究了弱小目标在可见光CCD传感器上的成像机理问题,考虑了弥散因素对弱小目标成像大小和成像强度的影响。得出如下结论:弱小目标在经过大气、光学系统、探测器和传感器的振动等弥散因素作用后实际成像面积比理论值要大,即点目标成像后可能占有多个像素,但边缘像素灰度与背景差别较小,成像强度近似正态分布,同时小目标与背景的图像表观对比度减小,减小的程度与小目标面积、成像像元个数、地面背景光亮度及大气霾光相关,且在观察位于高反照率背景下的低反照率的目标时,图像的对比度很差;在观察位于低反照率背景下的高反照率的目标时,对比度较好。同时根据对比度和实际的检测识别要求,探讨了弱小目标能被正确检测识别的前提条件,可以为设计弱小目标的检测提取算法提供理论指导。

[1]王明军,黄朝军,刘亚锋.光电子耦合器件图像传感研究进展及现状分析[J].汉中师范学院学报(自然科学版),2003,21(2):59-63.

[2]王春勇,金伟其.光电成像系统分析中大气传输特性计算的几个问题[J].北京理工大学学报,2003,23(5):617-620.

[3]赵文才.影响电视作用距离的几个环节[J].光学精密工程,1994,10(2):27-34.

[4]徐 鹏,黄长宁,王涌天,等.卫星振动对成像质量影响的仿真分析[J].宇航学报,2003,24(3):259-263.

[5]达争尚,何俊华,陈良益.信噪比对高速视频系统作用距离制约的分析[J].光学精密工程,2004,12(2):165-168.

[6]王兵学,张启衡,刘玉清,等.CCD探测器搜索跟踪系统的作用距离分析[J].光电工程,2004,31(11):12-16.