Способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона
METHOD FOR RADIOMETRIC IMAGES CORRECTING FROM MULTI-ELEMENT INFRARED PHOTODETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Одним из важнейших источников информации при дистанционном зондировании Земли является видеоинформация в тепловой области спектра. Однако, получаемые приборами ДЗЗ исходные изображения помимо полезной информации содержат шумы различной природы. Также изображения могут содержать структурные искажения из-за погрешностей в работе аппаратуры. Следовательно, для улучшения качества данных ДЗЗ необходима коррекция инфракрасных изображений с учётом специфики используемой аппаратуры.
В настоящее время создана аппаратура МСУ-ГС второго поколения для КА «Электро-Л» №2 (далее – МСУ-ГС), предназначенная для оперативного получения изображения облачности и подстилающей поверхности Земли [Андреев Р.В. Разработка программного комплекса тестирования блока обработки сигналов геостационарной сканирующей аппаратуры тепловой области спектра: дис. магистра прикладных математики и физики, М., 2014]. Для формирования изображений в инфракрасных каналах данной аппаратуры используются многоэлементные фотоприёмные устройства.
В тепловых каналах аппаратуры МСУ-ГС имеет место дрейф темновой составляющей сигнала фотоприёмников. Величина этого дрейфа зависит от многих факторов (температуры фотоприёмника, времени с момента начала сеанса, времени с момента начала кадра и других). Кроме того, на изображениях часто присутствуют протяженные импульсные помехи, которые достаточно сложно отфильтровать ввиду особенностей формирования выходного сигнала.
Особенностью оптической схемы инфракрасных каналов аппаратуры МСУ-ГС является уменьшенное (несколько меньше размеров фотоприёмника) световое поле, формируемое объективом в фокальной плоскости. Таким образом, на фотоприёмнике присутствуют элементы, на которые не попадает излучение от объекта съемки (далее – "слепые" элементы). Следовательно, может быть предложен способ обработки сигнала фотоприёмника, который одновременно позволит учесть дрейф темновой составляющей сигнала фотоприёмника и наличие в фотоприёмнике элементов, не получающих излучения от объекта съёмки и, соответственно, позволит повысить качество полученного изображения, по сравнению с известными аналогами. То есть, предложенный способ радиометрической коррекции инфракрасного изображения от многоэлементного фотоприёмника должен обеспечить решение описанной выше задачи по коррекции инфракрасных изображений с учётом особенности формирования выходного сигнала разрабатываемой аппаратурой.
Например, известен способ компенсации неоднородности сигнала фоточувствительных элементов многоэлементного фотоприёмника (патент на изобретения RU2449491, 2012, ИФП СО РАН). При осуществлении данного способа на фотоприёмнике определяют элементы чувствительные и не чувствительные к излучению от объекта съёмки, сравнивают сигналы от упомянутых чувствительных и нечувствительных элементов в различные моменты времени и корректируют полученное изображение в соответствии с зависимостью между значением скорректированного сигнала и сигнала от объекта съёмки, учитывающей изменение сигнала. Однако в RU2449491 опорный сигнал получается за счет временной замены одного оптического элемента другим, что приводит к расфокусировке оптической систем. В свою очередь, предлагаемый способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона позволит корректировать изображение без возможной потери работоспособности фотоприёмника, что обеспечит надёжную эксплуатацию многозонального сканирующего устройства в целом.
Предложенный способ радиометрической коррекции изображения от многоэлементного фотоприёмника инфракрасного диапазона предусматривает определение на фотоприёмнике элементов чувствительных и нечувствительных к излучению от объекта съёмки и сравнение сигналов от упомянутых чувствительных и нечувствительных элементов в различные моменты времени. Изображение корректируют в соответствии с зависимостью между значением скорректированного сигнала и сигнала от объекта съёмки, учитывающей изменение сигнала. В отличие от указанных выше аналогов, в предложенном способе радиометрической коррекции определяют значение величины  QUOTE  и выполняют указанную коррекцию изображения в соответствии с зависимостью  QUOTE  [ QUOTE ]. В данных формулах использованы следующие величины:  QUOTE – значение скорректированного сигнала, не содержащего компонент, вызванных дрейфом или импульсными помехами;  QUOTE  – нормализованный сигнал от объекта съёмки;  QUOTE  – помеха;  QUOTE  – изменение сигнала для элементов, нечувствительных к излучению от объекта съёмки, по сравнению с его значением в начале кадра;  QUOTE  – коэффициент нормализации; L – номер линейного фотоприёмника; m – номер элемента фотоприёмника;  QUOTE  – оператор объединения отсчётов сигналов от элементов фотоприёмника, путём суммирования нормализованных отсчётов, умноженных на коэффициенты интерполяции.
Следует отметить, что описанная выше процедура коррекции применяется к сигналу, прошедшему процедуру нормализации – устранения неоднородности чувствительности и темновой составляющей сигнала. В большинстве случаев процедуру нормализации также называют радиометрической коррекцией. В силу этого предложенная в данном изобретении процедура радиометрической коррекции является дополнительной к процедуре радиометрической коррекции, называемой в данном изобретении нормализацией.
Радиометрическая коррекция согласно предложенному способу может быть произведена на борту космического аппарата либо при наземной обработке сигнала. Бортовая коррекция значительно проще наземной, так как выходной сигнал в этом случае корректируется уже на этапе нормализации, но требует значительного усложнения алгоритма работы блока обработки сигнала. В связи с этим для аппаратуры МСУ-ГС выбран второй способ – радиометрическая коррекция при наземной обработке. Более подробно процедура коррекции изображений может быть рассмотрена следующим образом.
В видеоинформации тепловых каналов аппаратуры МСУ-ГС передается сигнал  QUOTE  – сигнал от фотоприёмника, прошедший процедуру нормализации. Обозначим сигнал от элемента фотоприемника как  QUOTE , где L – номер линейного фотоприёмника (ЛФПУ), m – номер элемента. Тогда  QUOTE , где  QUOTE  – сигнал от объекта съемки, а  QUOTE  – помеха. Каждый отсчёт проходит процедуру нормализации:  QUOTE , где  QUOTE  – нормализованный сигнал,  QUOTE  – сигнал от холодного источника излучения (космос),  QUOTE  – сигнал от горячего источника излучения (бортового имитатора абсолютно черного тела), A – масштабный коэффициент, С – уровень "холодного" в нормализованном выходном сигнале,  QUOTE  – коэффициент нормализации. Константы A и C рассчитываются исходя из параметров модели съемки и требований, предъявляемых к аппаратуре, и уточняются в процессе наземной калибровки [Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений – М.: Техносфера, 2010 – 560 с.]. Таким образом:  QUOTE ,  QUOTE  – величина сигнала от источника излучения не содержащая помехи. Затем, нормализованные отсчеты от восьми линейных фотоприёмников объединяются между собой в блоке обработки сигналов. Обозначим процедуру объединения отсчётов оператором  QUOTE . На выходе данной процедуры информация будет представлена в виде отсчетов от одного виртуального линейного фотоприёмника  QUOTE . Процедура объединения отсчётов представляет собой суммирование нормализованных отсчётов, умноженных на заранее известные коэффициенты интерполяции – константы, определяемые из геометрических соотношений, учитывающих топологию фотоприёмника и особенности сканирования, хранящиеся в памяти блока обработки сигналов [Гектин Ю.М., Еремеев В.В., Егошкин Н.А., Зенин В.А., Москатиньев И.В.  Нормализация изображений от геостационарной космической системы наблюдения земли. // Цифровая обработка сигналов №3. 2011 – С. 28-31]. Следовательно, оператор  QUOTE  является линейным и выходной сигнал можно представить в виде:  QUOTE .
В случае появления импульсной помехи или дрейфа величина помехи QUOTE  зависит только от номера ЛФПУ и не зависит от номера элемента ( QUOTE ). Поскольку "слепые" элементы не чувствительны к входному излучению, то изменение значения сигнала от этих элементов может быть вызвано только помехами или дрейфом. Обозначим изменение сигнала для "слепых" элементов по сравнению с его значением в начале кадра как  QUOTE . Если считать, что величина  QUOTE  включает в себя только дрейф и импульсные помехи, то  QUOTE  и процедура коррекции выходного сигнала выглядит следующим образом:  QUOTE ,
где  QUOTE – значение скорректированного сигнала. В результате скорректированный сигнал не содержит в себе компонент, вызванных дрейфом или импульсными помехами. Кроме того, в предложенном способе используют опорный сигнал, полученный от элементов, находящиеся в фокальной плоскости оптической системы, но вне поля зрения объектива, в то время как в RU2449491 опорный сигнал получается за счет временной замены одного оптического элемента другим, что приводит к расфокусировке оптической системы.
Рассмотрим практическую реализацию предложенного способа коррекции на пример аппаратуры МСУ-ГС. Для наземной радиометрической коррекции необходимо передавать величины поправок  QUOTE . Так как эти величины зависят только от номера ЛФПУ и от времени, то для каждой строки выходного сигнала необходимо передать восемь соответствующих величин поправок. Поскольку выходной сигнал имеет разрядность десять бит, а величина дрейфа и помехи может быть как положительной, так и отрицательной, то величины поправок вычисляются следующим образом:  QUOTE , где  QUOTE есть сумма по всем номерам m элементов ЛФПУ, которые считаются "слепыми",  QUOTE  – колличество "слепых" элементов в выбранном ЛФПУ, а t – номер строки выходного сигнала (всего 3400 строк в одном скане). Всего получают восемь значений поправок  QUOTE для каждой строки видеоинформации. В аппаратуре МСУ-ГС эти поправки записываются в первые и последние четыре отсчёта строки для каждого инфракрасного канала. В свою очередь, процедура наземной обработки для выделенного пикселя видеоинформации выглядит следующим образом:  QUOTE , где  QUOTE  – коэффициент нормализации, рассчитываемый из передаваемых в телеметрии значений от горячего и холодного источника излучения.
Таким образом, предложен способ радиометрической коррекции изображений, получаемых при помощи многоэлементных фотоприёмников, основанный на использовании сигналов от элементов фотоприёмника, находящихся вне поля зрения объектива, позволяющий без существенной потери качества компенсировать возможный дрейф темновой составляющей сигнала фотоприемника и устранить помехи, возникающие при формировании изображения. Предложенный способ коррекции изображений будет использован для улучшения качества инфракрасных изображений аппаратуры МСУ-ГС. Кроме того, предлагаемый способ коррекции может быть использован для любой другой аппаратуры, формирующей изображения при помощи многоэлементных приемников излучения, при условии наличия в фотоприемнике элементов, находящихся вне светового поля, формируемого объективом в фокальной плоскости.