卫星TDICCD传感器像质退化的仿真与像质的恢复的初步研究

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随着人们对高分辨率遥感图像的迫切需求,TDI(Time Delay and Integration)CCD(Charge-coupled Device)能在不增加运载载重的条件下提高航天遥感器的分辨率,因此其广泛地应用于卫星传感器上。如果TDICCD要正常工作,就必须使得光生电荷包的转移与焦平面的目标物的运动保持一致,否则将导致图像质量的下降。卫星在轨运行期间,星上各活动部件的运动会引起相机镜头的抖动响应,导致图像质量的严重下降。因此,研究颤振对高分辨率遥感卫星成像质量的影响,并对图像进行像质恢复是一项很有意义的研究工作。本文所做的主要工作如下:(1)基于TDICCD的工作原理提出用高速相机仿真TDICCD成像的方法,建立仿真模型。(2)利用地面三轴电动振动台,选择合适的激励参数,在激励源的作用下,振动台进行X轴(卫星飞行方向)、Y轴(垂直卫星飞行方向)方向的振动,建立颤振环境。通过改变参数得到不同频率、振幅和曝光时间的仿真图像,并利用高速图像分析软件PFA(PhotronFASTCAM Analysis)获取每张图像的偏移量和速度。(3)分析了颤振对TDICCD成像质量的影响。通过仿真模型,分别分析了在随机波和正弦波的情况下,振幅、频率、曝光时间和积分级数对TDICCD成像质量的影响。(4)实现像质的恢复,并比较了校正前后的效果,评价了校正前后的图像像质。首先利用每级积分的仿真图像的偏移量对图像进行校正,再把每级积分的仿真图像叠加实现像质的恢复。同时,比较了单轴正弦波、双轴正弦波、单轴随机波和双轴随机波的仿真图像的校正效果,并对校正前后的图像进行了像质评价。由以上工作得出的结论:(1)振幅对图像质量的影响最大,振幅越大,图像越模糊。(2)若积分时间大于振动周期,振动频率对像质的影响很小;若积分时间小于振动周期,在初始相位相同的情况下,振动周期越短,图像的模糊程度就越严重。(3)当曝光时间小于振动周期时,曝光时间越长,单级仿真图像越模糊。(4)当积分时间大于振动周期时,积分级数的增加不会改变图像的模糊程度;当积分时间小于振动周期时,积分级数的增加会加重图像的模糊程度。(5)因为随机波可以看成是多个不同频率和振幅的正弦波组成的,所以随机波的振幅、频率对像质的影响和正弦波的振幅、频率对像质的影响是一致的。(6)与四种振动波校正前的图像相比,校正后图像的峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio,PSNR)、结构相似性指数(Structural SIMilarity,SSIM)和信息量(Visual Information Fidelity,VIF)都有显著的提高,说明对不同振动波下的图像,本文所采用的像质恢复方法都是适用的,并且有较好的校正效果。这表明基于瞬时视场能量信号的相似性进行像质恢复是可行的,也为构建针对运动平台的状态和成像系统特性的影像补偿或者恢复模型提供依据。
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