[發明專利]基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型及其建模方法

在審

• 申請號: 201710975133.4
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107945262A
• 公開（公告）日: 2018-04-20
• 發明（設計）人: 李紅光;丁文銳;劉春蕾
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00;G01C11/04
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所11121
• 代理人: 姜榮麗

1.基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型的建模方法，其特征在于：

包括建立大氣分層假設和推導光學圖像退化模型兩部分；

第一步：建立大氣分層假設；

從地面到圖像傳感器的大氣環境中，假設大氣分為n層，每一層厚度一致、內部均勻，且都平行于大地平面；建立從地面場景到圖像傳感器的大氣環境模型E，所述的大氣環境模型包括三個基本參數：層數i、第i層的消光系數σ_i和第i層的層高h_i，i＝1,2,3,…n；

第二步：基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型的建模；

基于McCartney大氣散射模型對入射光衰減模型和大氣光成像模型進行了重新推導，建立了適用于航空遙感的光學圖像退化模型。

2.根據權利要求1所述的基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型的建模方法，其特征在于：第二步具體實現過程如下，

在大氣分層假設基礎上，假設從圖像傳感器到地面分為n層，第i層對應的消光系數為σ_i、層高為h_i、成像距離為d_i，總的成像距離為d，光線從物體表面傳輸到航空遙感成像設備的過程中，滿足入射光衰減模型和大氣光成像模型；在入射光衰減模型中，入射光經過若干層大氣介質的衰減到達成像設備；

考慮大氣介質中的一束準直射光，令該光束通過一個極小的厚度為dx的薄片，則光束在dx處的微小輻照度改變量dE_r,0(λ)用下式表示為：

dEr(x,λ)Er(x,λ)=-σ(λ)dx---(1)]]>

其中，σ(λ)為波長λ的光束消光系數，λ為波長；對其等號兩邊同時分區間取x在0～d的積分，成像設備處x＝0，物體表面x＝d，得到物體表面輻照度：

Er(d,λ)=Er,0(λ)e-Σi=1n∫di-1diσi(λ)dx---(2)]]>

其中，n為層數，i＝1,2,3,…n；σ_i(λ)表示波長為λ的入射光在第i層消光系數，d_i-d_i-1為入射光在第i層的傳播距離，i＝1時d₀＝0，i＝n時成像距離為d，E_r,0(λ)為表示波長為λ的入射光在x＝0處的輻照度；

假設成像設備視線內的大氣光是恒定一致的，但是方向、強度和光譜未知；將立體角為dω，且距離成像設備x處的一個實體截斷的椎體看作是大氣光源，則距離成像設備x處的無窮小體積微元dV表示為：

dV＝dωx²dx(3)

體積微元dV在成像方向上輻射的光強微元dI_a(x,λ)為：

dI_a(x,λ)＝dVkσ(λ)＝kx²σ(λ)dωdx (4)

其中，比例常數k表示散射函數形式和強度的特質，σ(λ)為波長λ的光束消光系數；

若將體積微元dV看作是亮度為dI_a(x,λ)的光源，則利用Allard提出的點光源入射光衰減法則得到此點光源經過大氣衰減后在成像設備處產生的輻照度dE_a(x,λ)和輻照亮度dL_a(x,λ)分別為：

dEa(x,λ)=dIa(x,λ)e-σ(λ)xx2---(5)]]>

dLa(x,λ)=dEa(x,λ)dω=dIa(x,λ)e-σ(λ)xx2dω---(6)]]>

把式(4)代入上式(6)，從而求得以下關系：

dL_a(x,λ)＝kσ(λ)e^-σ(λ)xdx (7)

在成像距離內對公式(7)等號兩邊同時積分，積分區間0～d，得到：

La(d,λ)Σi=1n∫di-1dikσi(λ)e-σi(λ)xdx=kΣi=1n(e-σi(λ)di-1-e-σi(λ)di)---(8)]]>

當d＝∞時，成像距離為無窮遠，大氣光的貢獻量最大，L_a(∞,λ)＝k＝L_∞(λ)，因此，上式(8)改寫為：

La(d,λ)=L∞(λ)Σi=1n(e-σi(λ)di-1-e-σi(λ)di)---(9)]]>

然后，得到成像設備接收到的大氣光輻照度為：

Ea(d,λ)=E∞(λ)Σi=1n(e-σi(λ)di-1-e-σi(λ)di)---(10)]]>

E_∞(λ)表示無窮遠處的大氣光輻照度；

最后，綜合目標入射光的衰減和大氣光成像的過程，這兩部分的輻照度組成了傳感器接收的總輻照度，即：

E(d,λ)=Er(d,λ)+Ea(d,λ)=Er,0(λ)e-Σi=1n∫di-1diσi(λ)dx+E∞(λ)Σi=1n(e-σi(λ)di-1-e-σi(λ)di)---(11)]]>

σ_i(λ)表示波長λ的光束在第i層的消光系數；

式(11)即為大氣分層條件下的航空遙感光學圖像大氣退化模型。

3.基于大氣分層假設的航空光學圖像退化模型，其特征在于：所述退化模型的表達式為，

E(d,λ)=Er(d,λ)+Ea(d,λ)=Er,0(λ)e-Σi=1n∫di-1diσi(λ)dx+E∞(λ)Σi=1n(e-σi(λ)di-1-e-σi(λ)di)---(11)]]>

其中，E(d,λ)表示傳感器接收的總輻照度，E_r(d,λ)表示物體表面輻照度，E_a(d,λ)表示成像設備接收到的大氣光輻照度，E_r,0(λ)為表示波長為λ的入射光在x＝0處的輻照度，E_∞(λ)表示波長為λ的入射光在無窮遠處的大氣光輻照度，σ_i(λ)表示波長λ的光束在第i層的消光系數；

若以圖像來表示上式的退化模型過程，則變為：

I=J·e-Σi=1n∫di-1diσi(λ)dx+AΣi=1n(e-σi(λ)di-1-e-σi(λ)di)---(12)]]>

其中，I表示航空遙感實際獲取的圖像，J表示待復原的清晰圖像，A為大氣光值。