通过混浊大气介质的成像质量研究

发布时间：2020-08-28 00:33

【摘要】：混浊大气中的分子、气溶胶粒子会导致光电探测设备所采集图像的成像质量严重退化,环境光(包括太阳直射光、大气漫射光等)经过大气粒子散射后的辐射,以及大气本身热辐射叠加到目标像元和邻近像元,造成图像对比度下降。基于大气透过率与大气散射光大气图像光学退化近似模型被广泛应用。大气透过率仅可以表征图像固有亮度的衰减,而点扩散函数(PSF)或其傅里叶变换调制传递函数(MTF)则能够全面描述混浊大气对图像质量的影响,包括图像亮度的衰减及邻边效应造成的图像模糊。早期基于小角散射近似获得的混浊大气MTF解析表达式只适用于低频和高频条件,近期根据辐射传输原理获得的混浊大气介质MTF的等效原理给出了 MTF在整个频域范围内的完整描述。本文考虑大气散射光作为外部因素对图像质量产生影响,并将混浊大气MTF与大气散射光分量对成像质量的影响作为一个整体考虑,由此获得图像退化在频域的完整表达—表观MTF。基于对大气中图像退化过程的分析,本论文主要完成以下内容:1)完成了混浊大气调制传递函数(等效原理)校验;相对于小角散射近似MTF模型,混浊大气MTF的等效原理可以准确的给出全部空间频域内的整体MTF。本文分别通过实际成像实验以及Monte-Carlo数值模拟的方法验证了等效原理的可靠性。并基于等效原理对小角散射近似模型进行适用性分析。2)探索了从图像中获取影响混浊大气介质MTF的光学厚度τ或大气透过率T的方法;根据大气中光学退化模型及暗通道先验理论,成像波段的大气透过率可以直接从图像本身的信息获得,依据各波段消光系数数据库获得目标波段的大气透过率,与能见度仪及激光雷达的测量结果对比表明,本文提出的大气透过率测量方法有效可靠。3)实现了背景光下图像退化过程的完整频域描述;混浊大气介质MTF直接反映大气分子和气溶胶粒子的吸收和散射造成目标像元固有亮度的衰减及模糊以及邻近像元大气散射辐射叠加到目标像元而造成目标像元的边缘模糊;大气散射光直接对图像零频分量影响,直接表现为图像对比度的降低。本文将上述两方面的影响纳入到一个整体表达,并称为表观MTF。4)从频域角度提出了图像质量评价的方法;基于天光背景下图像退化过程的频域描述,本文模拟了清晰图像的模糊以及实现了退化图像的大气校正,图像模糊效果较传统的高斯模糊的结果更接近实际情况,图像校正效果较暗通道先验理论好。提出了图像质量评价的参量—谱面积SA,并与传统的基于统计原理的数字图像评价方法进行了对比。5)混浊大气表观MTF光谱特性研究;等效原理显示混浊大气介质MTF与光学厚度、非对称因子及单次散射反照率等参数有关,由于这些参数具有明显的光谱特性,相应的混浊大气介质MTF及表观MTF也具有光谱特性。分析表明:MTF的中高频分量在可见及近红外波段高于中红外波段,而表观MTF的零频分量则相反。6)初步实现了基于MTF光谱特性的成像波段优选。依据表观MTF的光谱特性模拟仿真了不同波段的实际成像效果,显示近红外成像波段因其表观MTF在中高频高、零频低的特性而成像质量较好。通过与实际卫星图像的对比分析验证了这一结论。论文也给出了成像波段优选的准则并与其他波段优选方法进行对比,分析了不同条件下混浊大气、湍流大气及光电成像系统三部分对成像质量的影响。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X513
【图文】：

逦Ｗａｖｅｎｕｍｂｅｒ邋（ｃｍ＇１）逡逑图２．１邋Ｍｏｄｔｒａｎ模拟计算的红外光谱图逡逑从图２．１及表２．２可以看出，水汽的吸收几乎覆盖了地球大气红外辐射的整逡逑个波段，吸收最强的是６．３｜ｉｍ的转动带，较强的在１．３８｜ｉｍ、１．８７｜ｉｍ和２．７（ａｍ处，逡逑０．９ｐｍ和１．１ｐｍ处还有弱吸收。二氧化碳在红外有两个强吸收带分别位于４．３ｐｍ逡逑和１５ｐｍ处，２．７卩ｍ处有较强吸收，另外还有一些弱吸收带在１．４｜ｉｍ、１．６｜ｉｍ、逡逑２．０卩ｍ、４．８｜ｉｍ、５．２｜ｉｍ、９．４｜ｉｍ邋和邋１０．４ｎｍ邋处。臭氧在邋４．７｜ｘｍ、９．６ｐｍ、１４．１｜ｉｍ邋处逡逑有较强吸收，在３．３ｎｍ、３．６ｐｍ和５．７ｐｍ有弱吸收。此外，３？５｜ａｍ和８？１２｜ｉｍ逡逑１１逡逑

式（２．１．５）的第一项与瑞利散射有关，对于分子而言0￣１０＾／＾，在可见光区域逡逑．ｖ￣ＨＴ３，此时可以略去高阶项，散射强度与成正比。对于气溶胶与云粒子而言，逡逑在可见光区域ｒＭ，此时散射强度对光波长的依赖较小，取决于粒子逡逑尺度。逡逑事实上，大气中的气溶胶粒子不可能完全是规则的球形粒子，目前科学家们逡逑发展出来一系列能够精确求解非球形粒子的光散射的方法，包括解析法、数值法逡逑和近似法［６８，７８］等。逡逑气溶胶吸收和散射作用会受到其他因素的影响。一般地，随着相对湿度的增逡逑力口，吸湿性气溶胶粒子含有的水汽含量也随着上升，此时气溶胶粒子尺寸、化学逡逑成分及其有效折射率也会发生变化，气溶胶的吸收、散射作用也会发生相应的改逡逑变；而不溶性的气溶胶粒子基本不受大气湿度的影响。有些粒子的光学特性会受逡逑到风速的影响。逡逑Ｍｏｄｔｒａｎ中前三类气溶胶的光学特性与相对湿度有关，而最后一类则与风速逡逑有关［７９１。图２．２、图给出了相对湿度及风速对不同气溶胶光学特性的影响。逡逑｜Ｊ0「．邋邋邋逦０Ｊ０．逦邋ＩＸ）．逦逡逑一Ｉ逦逦Ｒ１Ｉ－００％邋一逦逦ＲＨ－００％逦Ｒｕｒａｌ邋Ａｅｒｏｓｏｌ逡逑

到风速的影响。逡逑Ｍｏｄｔｒａｎ中前三类气溶胶的光学特性与相对湿度有关，而最后一类则与风速逡逑有关［７９１。图２．２、图给出了相对湿度及风速对不同气溶胶光学特性的影响。逡逑｜Ｊ0「．邋邋邋逦０Ｊ０．逦邋ＩＸ）．逦逡逑一邋Ｉ逦逦Ｒ１Ｉ－００％邋一逦逦ＲＨ－００％逦Ｒｕｒａｌ邋Ａｅｒｏｓｏｌ逡逑Ｔ邋Ｉｊｓｌ逦Ｒｕｒａｌ邋Ａｅｒｏｓｏｌ逦逦ＲＨ－７０％邋２邋ｏ＾ｓ逦？邋，邋．邋，逦逦ＲＨ－７０％逡逑Ｓ邋Ｉ逦——ＲＨ－ｍ邋２逦｜邋Ｒｕｒａｌ邋Ａｅｒｏ＊＞ｌ逦逦ＲＨ－８０％邋ｐ邋°＇９逡逑！：逦１：逡逑０００逦１逦２逦３逦４逦３邋６邋７邋＊逦９逦１０逦１１逦１２逦00°逦Ｉ逦２逦３逦４逦５逦６逦７邋ｇ逦９逦１０逦１１逦１２逦0－５逦Ｉ逦２逦３逦４逦５逦６逦７逦８逦９逦１０逦１１逦１２逡逑Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋／Ｍｍ逦Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋／叫逦Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ邋／卿逡逑图２．２乡村气溶胶消光系数、吸收系数及非对称因子与相对湿度ＲＨ（％）的关系逡逑１５＜逦邋０．９１逦邋Ｉ．ＯＯｉ逦逡逑Ｄｅｓｅｒｔ邋Ａｏｔｉｓｏｌ逦0９Ｊ邋邋ＷＤ－００｜ｉｉ＾＊］逦／Ａ逡逑Ｓ：邋＝＾１：邋Ｉ邋Ｖ逡逑＿邋：逦：——

【参考文献】

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本文编号：2806832