專利名稱：全幀型面陣ccd相機(jī)獲取極低輻亮度目標(biāo)圖像的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用CXD相機(jī)成像的方法。
背景技術(shù)：
在極弱照度條件下獲得高質(zhì)量的目標(biāo)圖像，是一項重要的實用技術(shù)。這里提到的 極弱照度，是指目標(biāo)輻亮度低至1. 0X10_8W/cm2sr以下，較白天普通物體的輻亮度低5 7 個數(shù)量級。目前在衛(wèi)星上使用的低輻亮度目標(biāo)成像技術(shù)有兩種，分別是像增強(qiáng)器技術(shù)和延時 積分技術(shù)(即TDI技術(shù))。使用像增強(qiáng)器技術(shù)時，一是像增強(qiáng)器難于適應(yīng)空間環(huán)境，所需技術(shù)難度高；二是像 增強(qiáng)器響應(yīng)的線性區(qū)太窄，線性度差，不能覆蓋夜間云輻射的動態(tài)范圍。利用像增強(qiáng)器獲得 微光云圖，在云輻射動態(tài)范圍內(nèi)，線性度不會優(yōu)于20 %，而CCD器件只要不進(jìn)入飽和區(qū)，輻 射響應(yīng)的線性度都非常高。線性度差對云圖的應(yīng)用有重要影響，特別是那些需要對云參數(shù) 做定量分析的用戶。延時積分CXD器件(即TDI(XD)在使用時必須配合衛(wèi)星平臺的運(yùn)動。該技術(shù)適合 在太陽同步極軌衛(wèi)星上使用，獲得地面同一時刻的云覆蓋圖。但是，這種技術(shù)對于應(yīng)用有 明顯的不足，一是衛(wèi)星軌道高度只有幾百公里，圖像刈幅通常也是幾百公里，別幅超過1000 公里后，圖像邊沿的畸變太大，用戶無法使用；二是由于衛(wèi)星的運(yùn)動受軌道力學(xué)控制，單顆 衛(wèi)星的重訪周期一般不會低于M小時，因此無法得到連續(xù)的云覆蓋圖，不能用于監(jiān)測天氣 系統(tǒng)的演變。如果需要監(jiān)測天氣系統(tǒng)的演變，勢必需要多顆衛(wèi)星組網(wǎng)；三是由于太陽同步極 軌遙感衛(wèi)星相對地面的運(yùn)動速度快(一般在每秒7公里左右)，在每一個曝光時間內(nèi)，光生 電荷甚至可能比暗信號電荷還少，所以圖像的信號噪聲比不高，造成圖像質(zhì)量不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種極低輻亮度目標(biāo)的 連續(xù)監(jiān)測方法，可以自動適應(yīng)目標(biāo)輻亮度變化，且圖像信噪比高和輻射響應(yīng)線性度高。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是全幀型面陣CCD相機(jī)獲取極低輻亮度目標(biāo)圖像的方 法，步驟如下(1)根據(jù)用戶期望的空間分辨率GSD和刈幅范圍W，為CCD器件配置光學(xué)系統(tǒng)，光 學(xué)系統(tǒng)的焦距f、CXD器件所在平臺的運(yùn)行高度h、CXD器件的像素尺寸P、空間分辨率GSD
滿足關(guān)系式‘,刈幅范圍W、(XD器件每行像素的數(shù)量N、空間分辨率GSD滿足關(guān)系W
H CjSIJ
=N · GSD ；(2)為CXD器件的每一個輸出端口均配置一個圖像存儲器，圖像存儲器的存儲容 量大于端口輸出的像素數(shù)量，圖像存儲器的數(shù)據(jù)寬度不低于模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的圖像數(shù)據(jù)寬 度；
(3)對CCD器件輸出的每一路視頻信號分別做相關(guān)雙采樣、低噪聲放大和鉗位處 理，并將鉗位處理后的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號；(4)對于每一路數(shù)字視頻信號，分別設(shè)置一個輸出像素數(shù)量計數(shù)器、一個曝光數(shù)量 計數(shù)器和一個飽和像素數(shù)量計數(shù)器；每一個幀周期開始輸出數(shù)字視頻信號時，輸出像素數(shù) 量計數(shù)器清零，曝光數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值加一，每輸出一個像素的信號，輸出像素數(shù)量計數(shù) 器的計數(shù)值加一；(5)將每一路輸出像素數(shù)量計數(shù)器的內(nèi)容作為對應(yīng)圖像存儲器的地址，CXD器件 在該路輸出一個像素數(shù)字信號的同時，通過對應(yīng)的輸出像素數(shù)量計數(shù)結(jié)果尋址，讀取該地 址所對應(yīng)存儲單元的內(nèi)容，將輸出的像素數(shù)字信號與存儲單元原存儲內(nèi)容相加后再存入同 一存儲單元，并在存入的同時做一次判斷，如果相加后的結(jié)果超過預(yù)先設(shè)置的飽和閾值，則 將該路的飽和像素數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值加一；(6)每一個幀周期結(jié)束，將所有飽和像素數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值相加，如果相加的結(jié) 果超過預(yù)先設(shè)定的像素數(shù)量閾值，則將各圖像存儲器中的像素以及對應(yīng)曝光數(shù)量計數(shù)器的 計數(shù)值一起輸出，同時清空各圖像存儲器并對各輸出像素數(shù)量計數(shù)器、曝光數(shù)量計數(shù)器和 飽和像素數(shù)量計數(shù)器清零；否則，對各輸出像素數(shù)量計數(shù)器清零，進(jìn)入下一個幀周期繼續(xù)進(jìn) 行像素的累積，直至所有飽和像素數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值相加的結(jié)果超過預(yù)先設(shè)定的像素數(shù) 量閾值；(7)利用各圖像存儲器輸出的像素序列組成完整的云圖并從中提取極低幅亮度目 標(biāo)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于第一，本發(fā)明方法輸出圖像是多次曝光的累加結(jié)果，而在累積過程中噪聲的增長 速度沒有信號的增長速度快，大大提高了輸出圖像的信號噪聲比；第二，本發(fā)明方法可以根據(jù)飽和像素所占比例自動調(diào)整累加的曝光次數(shù)。如果整 體輻亮度高則累加的曝光次數(shù)少，反之則累加的曝光次數(shù)多，這樣，可以適應(yīng)目標(biāo)輻亮度幾 個數(shù)量級的變化，且一直處在輻射響應(yīng)的線性段，輻射響應(yīng)的線性度高；第三，本發(fā)明方法面向靜止軌道衛(wèi)星平臺設(shè)計，自動調(diào)整曝光次數(shù)以適應(yīng)目標(biāo)輻 亮度變化。用做云圖監(jiān)視，可以從黃昏監(jiān)視到黎明，即使在整體照度最微弱的條件下圖像幀 周期也不超過二分鐘。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖。
具體實施例方式如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。圖1中per代表像素計數(shù)器，ecr代表曝 光計數(shù)器，fcr代表飽和計數(shù)器。本發(fā)明方法的具體步驟如下(1)根據(jù)用戶期望的空間分辨率GSD和刈幅范圍W，為CCD器件配置光學(xué)系統(tǒng)，光 學(xué)系統(tǒng)的焦距f、CXD器件所在平臺的運(yùn)行高度h、CXD器件的像素尺寸P、空間分辨率GSD
滿足關(guān)系式‘ =T^，刈幅范圍W、C⑶器件每行像素的數(shù)量N、空間分辨率GSD滿足關(guān)系W= N*GSD。因為衛(wèi)星高度遠(yuǎn)大于光學(xué)系統(tǒng)的焦距，光學(xué)系統(tǒng)是一個望遠(yuǎn)系統(tǒng)，它的放大比例 等于焦距與軌道高度的比，如果每一個像素對應(yīng)的地面距離基本相等，則別幅寬度等于每 一行的像素數(shù)量與地面分辨率的乘積。(2)為CXD器件的每一個輸出端口配置一個圖像存儲器，圖像存儲器的容量大于 端口輸出的像素數(shù)量，圖像存儲器的數(shù)據(jù)寬度不低于模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)器件輸出的數(shù)據(jù)寬 度。因為CCD器件的視頻輸出端口不只一個，各型號器件的單個輸出端口輸出的像素數(shù)量 不定，CCD器件的噪聲水平和電子電路的噪聲水平也不相同，ADC器件輸出數(shù)字信號的位寬 不同，所以，圖像存儲器的容量不能低于對應(yīng)端口輸出的像素數(shù)量，數(shù)據(jù)寬度不能低于ADC 器件輸出的數(shù)據(jù)寬度；(3)對CCD器件輸出的視頻信號做相關(guān)雙采樣、低噪聲放大和鉗位處理。相干雙采 樣電路對CCD器件輸出視頻信號中的每一個像素單元采樣兩次，一次采樣復(fù)位電平，另一 次采樣帶偏置的信號電平，二者相減就去除了偏置電平和復(fù)位噪聲。低噪聲放大器可以匹 配CCD輸出信號幅度和ADC輸入幅度，減小量化噪聲在總噪聲中占的比例。鉗位處理可以 將輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的信號鉗位到暗信號上，有效去除CCD器件暗信號的影響。(4)使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將鉗位處理后的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號；(5)進(jìn)行數(shù)字信號處理時，為每一個輸出端口設(shè)置一個輸出像素數(shù)量計數(shù)器、一個 曝光數(shù)量計數(shù)器和一個飽和像素數(shù)量計數(shù)器。設(shè)置像素數(shù)量計數(shù)器的目的是為了圖像存儲 器的尋址，設(shè)置曝光數(shù)量計數(shù)器的目的是為了便于目標(biāo)輻射特性的定量分析，設(shè)置飽和像 素數(shù)量計數(shù)器的目的是為了做累加過程控制；(6)每一個幀周期開始視頻信號輸出前對輸出像素數(shù)量計數(shù)器清零，對曝光數(shù)量 計數(shù)器內(nèi)容加一；(7)將端口輸出像素數(shù)量計數(shù)器的內(nèi)容作為地址，讀取圖像存儲器中對應(yīng)存儲單 元的內(nèi)容，將它和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的輸出一同送加法器，計算結(jié)果再存入同一存儲單元。這個 過程將各幀曝光得到的圖像疊加在一起，起延時積分的作用；(8)在步驟(7)的結(jié)果存入圖像存儲器的同時做一次判斷，如果相加的結(jié)果超過 設(shè)置的飽和閾值，飽和像素數(shù)量計數(shù)器內(nèi)容加一。這一步操作的目的是統(tǒng)計各輸出端口對 應(yīng)區(qū)域飽和像素的數(shù)量。通?？梢詫⒓臃ㄆ黠柡椭档?. 9倍設(shè)置為飽和閾值。(9)每一個幀轉(zhuǎn)移過程結(jié)束，將各端口飽和像素數(shù)量計數(shù)器的內(nèi)容相加，如果和超 過預(yù)先設(shè)定的數(shù)量，則將存儲器中的圖像以及曝光數(shù)量計數(shù)器一同輸出到傳輸通道，然后， 清空圖像存儲器的內(nèi)容，對輸出像素數(shù)量計數(shù)器、曝光數(shù)量計數(shù)器和飽和像素數(shù)量計數(shù)器 清零；否則，對輸出像素數(shù)量計數(shù)器清零，進(jìn)入下一個幀周期，繼續(xù)圖像的累積，直至存儲器 中存儲圖像的幅度和信噪比滿足要求，也即各端口飽和像素數(shù)量計數(shù)器的內(nèi)容相加超過預(yù) 先設(shè)定的數(shù)量。飽和像素數(shù)量占像素總數(shù)比例的設(shè)置是為了兼顧視場內(nèi)的明亮目標(biāo)和微弱 目標(biāo)，因為特別明亮的目標(biāo)會很少，如果飽和像素數(shù)量所占比例達(dá)到10%即可考慮啟動圖 像輸出過程。(10)在存儲圖像輸出過程中依然利用輸出像素數(shù)量計數(shù)器尋址，先對其清零，讀 取一個像素送傳輸通道，然后對輸出像素數(shù)量計數(shù)器加一，輸出下一個像素的數(shù)值，以此類 推，直至全部數(shù)據(jù)輸出完畢；(11)在輸出圖像序列上可以區(qū)分感興趣目標(biāo)。觀測云圖時，可以由圖像上識別云系、分析和確定鋒面、預(yù)測氣旋的發(fā)展趨勢、定位槽線和脊線的位置等，定量分析云體的發(fā) 展和大氣理化特性。具體可參見相關(guān)文獻(xiàn)。如《應(yīng)用衛(wèi)星氣象學(xué)》，王丕誥、劉宗義、張開斗 編，中國海洋出版社，2004年3月第1版，P123-154. 本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.全幀型面陣CCD相機(jī)獲取極低輻亮度目標(biāo)圖像的方法，其特征在于步驟如下(1)根據(jù)用戶期望的空間分辨率GSD和刈幅范圍W，為CXD器件配置光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系 統(tǒng)的焦距f、CXD器件所在平臺的運(yùn)行高度h、CXD器件的像素尺寸P、空間分辨率GSD滿足關(guān)系式I = T^，別幅范圍W、C⑶器件每行像素的數(shù)量N、空間分辨率GSD滿足關(guān)系W = H LrISJjN · GSD ；(2)為CCD器件的每一個輸出端口均配置一個圖像存儲器，圖像存儲器的存儲容量大 于端口輸出的像素數(shù)量，圖像存儲器的數(shù)據(jù)寬度不低于模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的圖像數(shù)據(jù)寬度；(3)對CCD器件輸出的每一路視頻信號分別做相關(guān)雙采樣、低噪聲放大和鉗位處理，并 將鉗位處理后的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號；(4)對于每一路數(shù)字視頻信號，分別設(shè)置一個輸出像素數(shù)量計數(shù)器、一個曝光數(shù)量計數(shù) 器和一個飽和像素數(shù)量計數(shù)器；每一個幀周期開始輸出數(shù)字視頻信號時，輸出像素數(shù)量計 數(shù)器清零，曝光數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值加一，每輸出一個像素的信號，輸出像素數(shù)量計數(shù)器的 計數(shù)值加一；(5)將每一路輸出像素數(shù)量計數(shù)器的內(nèi)容作為對應(yīng)圖像存儲器的地址，CCD器件在該 路輸出一個像素數(shù)字信號的同時，通過對應(yīng)的輸出像素數(shù)量計數(shù)結(jié)果尋址，讀取該地址所 對應(yīng)存儲單元的內(nèi)容，將輸出的像素數(shù)字信號與存儲單元原存儲內(nèi)容相加后再存入同一存 儲單元，并在存入的同時做一次判斷，如果相加后的結(jié)果超過預(yù)先設(shè)置的飽和閾值，則將該 路的飽和像素數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值加一；(6)每一個幀周期結(jié)束，將所有飽和像素數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值相加，如果相加的結(jié)果超 過預(yù)先設(shè)定的像素數(shù)量閾值，則將各圖像存儲器中的像素以及對應(yīng)曝光數(shù)量計數(shù)器的計數(shù) 值一起輸出，同時清空各圖像存儲器并對各輸出像素數(shù)量計數(shù)器、曝光數(shù)量計數(shù)器和飽和 像素數(shù)量計數(shù)器清零；否則，對各輸出像素數(shù)量計數(shù)器清零，進(jìn)入下一個幀周期繼續(xù)進(jìn)行像 素的累積，直至所有飽和像素數(shù)量計數(shù)器的計數(shù)值相加的結(jié)果超過預(yù)先設(shè)定的像素數(shù)量閾 值；(7)利用各圖像存儲器輸出的像素序列組成完整的云圖并從中提取極低幅亮度目標(biāo)。
全文摘要
全幀型面陣CCD相機(jī)獲取極低輻亮度目標(biāo)圖像的方法，首先為全幀型面陣CCD器件配置光學(xué)子系統(tǒng)進(jìn)行成像，CCD器件輸出的信號處理鏈路中包括模擬和數(shù)字兩部分。在模擬信號處理部分主要進(jìn)行相關(guān)雙采樣、低噪聲放大、鉗位和模數(shù)轉(zhuǎn)換。在數(shù)字信號處理部分設(shè)置有圖像存儲器和狀態(tài)監(jiān)視器。每一次曝光結(jié)束，將CCD器件得到的微弱圖像累加到圖像存儲器中，同時，監(jiān)視圖像存儲器中飽和像素的數(shù)量，如果達(dá)到一定比例，則將存儲器中的數(shù)據(jù)連同累積的曝光次數(shù)一同輸出，并對圖像數(shù)據(jù)緩存器和狀態(tài)監(jiān)視器清零，否則繼續(xù)圖像累積過程。本發(fā)明方法獲取的圖像質(zhì)量高，適應(yīng)動態(tài)范圍大，能夠滿足極低輻亮度目標(biāo)連續(xù)監(jiān)測的需要。
文檔編號H04N5/3725GK102075702SQ201010592560
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者時紅偉 申請人:北京空間飛行器總體設(shè)計部