机载红外图像转换生成卫星仿真图像的大气修正方法研究

李金萍

(东华理工大学信息工程学院,江西 南昌 330013)

1 引 言

利用卫星侦察仿真图像可以完成红外成像侦察系统综合指标论证、成像侦察效果预先仿真研究、红外侦察图像判读训练、以及获取优良侦察图像的使用技术等多种用途。由于低空获取红外图像安全系数大等原因,为了更高质量红外侦察系统的研制,对利用低空红外图像转换生成高空红外仿真图像显得尤为重要。目标的红外辐射特性是红外成像系统设计的重要依据[1],我们知道红外目标到达成像系统时会经过大气通道[2],由于大气的影响,红外辐射发生衰减,大气衰减直接影响红外仿真图像生成的效果以及用途,所以在红外图像进行仿真时,必须进行大气修正[3]。

2 理论基础

由热辐射传输方程可以分析出,进行卫星侦察图像仿真时,用到的是辐射亮度。我们已有的资料是以灰度图像表现出来的热红外图像,根据热像仪定标时的对应量,计算出像素点对应的温度,通过黑体普朗克辐射公式[4]反演出相应的辐射亮度,由此可以得到一组由红外辐射亮度值表示的目标与背景的红外图像数据。有了以光谱辐射亮度式表示的红外图像数据,即可以进行图像由飞机平台到卫星平台间的大气修正。结合实际情况,本文分别利用两条途径进行大气的修正。

3 大气的修正方法

3.1 机-地-星法

所谓机-地-星法是将飞机平台上得到的数据经过大气修正得到地面上的数据,然后再利用地面与卫星之间的大气修正得到卫星上的数据,最后再转化为灰度图像。利用本方法实现侦察图像大气修正的仿真,需分以下两步进行。

第一步:从飞机到地面的大气修正；

设飞机平台高度为h1,由热辐射传输方程得地面目标的普朗克黑体辐射亮度Lbλ(Ts)为:

Lbλ(Ts)=

(1)

第二步:从地面到卫星的大气修正；

设卫星平台高度h2,由热辐射方程和公式(1),则有:

(2)

对(2)式λ1～λ2波段进行积分得L:

(3)

3.2 机-星法

所谓机-星法是指进行卫星平台上热像仪侦察图像仿真时,直接将飞机平台上得到的数据经过飞机与卫星之间的大气修正得到卫星上的数据,然后转化为图像,不再考虑飞机平台到地面间的大气修正。

则辐射亮度公式为:

(4)

同理对(4)式λ1～λ2波段进行积分得L:

(5)

公式(1)～(5)各参数下标包含“1”的是指飞机平台参数,下标包含“2”的是指卫星平台参数,各参数具体物理含义详见陈良富、徐希孺[5]《热红外遥感中大气下行辐射效应的一种近似计算与误差估计》一文。

由此得到“机-地-星法”和“机-星法”图像间数据变换的光谱辐射亮度计算公式(3)和(5)。通过这两个公式算出仿真图像像素点亮度值,并对每个像素点应用相同的大气修正,进而生成卫星仿真图像。

在相同大气参数以及不同大气参数下,对于公式(3)和(5)中大气透过率和大气热辐射两个参数,刘其涛[6]给出了对于红外8～12 μm波段应用MODTRAN软件的计算方法,在本论文中得以采用。

4 两种方法计算值比较

本文利用飞机平台上热像仪已获得的图像数据为基础,为便于分析,设光谱响应函数值为1,利用MODTRAN软件计算所需参数,然后利用上述两种方法进行了仿真数据计算。在不同大气模式下,利用上述两种仿真方法分别计算相同像素点的亮度值,结果如表1。

表1 仿真数据比较

5 仿真图像结果

为使仿真的结果更直观,我们将各平台上相机得到的亮度数据组转换成了灰度图像。我们进行灰度转换时,采用了统一的标准,即:对于一幅给定的机载红外图像,在各仿真图像中,采用相同的最大和最小亮度值进行灰度值转换。思路如下:对于同一像素点来说,机载相机图像的亮度值小于地面修正值,而大于卫星高度图像的亮度值,所以,我们的极值在地面和卫星平台数据中选取,而不在机载亮度值中选取。

利用以上灰度变换思想,将不同模式大气条件下修正的辐射亮度值变换为灰度图像,得到修正图像。图1给出不同大气模式修正灰度图像效果。

图1 大气修正仿真效果图

6 结 语

本文以普朗克辐射公式和辐射传输方程为基础,提出了两种由机载红外图像转换生成卫星侦察仿真图像的大气修正方法,结合数据分析和图像仿真效果得出:在相同大气模式下,采用两种方法得到的辐射亮度值稍有不同,但相应的灰度仿真图像差别不大。进行图像仿真时,两种方法都需要利用MODTRAN软件进行大气上行辐射和大气透过率计算,“机—星法”计算一次参数,计算量小,运算速度较快；“机—地—星法”,需要计算两次参数,计算量稍大一些但结果更接近实际情况。