大孔径静态干涉成像光谱仪图像校正技术

　　引 言

　　大孔径静态干涉成像光谱仪(LASIS)是一种新型成像光谱仪[1]，它集高灵敏度、高信噪比、高光谱与高空间分辨力、多功能、小体积、轻重量等优点于一体，通过在普通照相系统中加入横向剪切干涉仪，从而使像面上得到的不再是地物的直接图像，而是地物的“干涉图像”;将不同时刻得到的干涉图像进行匹配、拼接和变换，即可得到各地物点的光谱曲线。LASIS 的发明有效地解决了现有成像光谱仪存在的主要难题——高辐射通量与高稳定度的矛盾，实现了在保证足够光谱分辨力的条件下，提供高空间分辨力图像的目的。但是，由于LASIS 获得地物点的光谱曲线必须经过一次全视场的推扫过程,那么在推扫过程中，载体的姿态一旦发生变化，如侧滚、俯仰、偏航等，就会造成干涉图失真，复原出的光谱就无法反映地物点的真实属性。本文将针对卫星姿态变化对 LASIS图像的影响，研究LASIS 图像校正算法。

　　1 LASIS 成像特点

　　图1 为LASIS 获取某一地物点光谱信息的过程。(a)是 LASIS 成像过程, 其中■，★，●分别代表不同地物点所成的像;(b)是经过抽取和拼接获得的某列地物点的干涉信息;(c)是某地物点的干涉曲线，抽取(b)中某一行得到(c);对(c)进行傅里叶变换得到(d)，即该地物点的光谱曲线。从图1 可见，LASIS 对光谱的测量是非实时的，推扫过程中卫星的姿态一旦发生变化，必然会导致原始干涉图像序列的错位，如果不考虑卫星姿态的变化直接进行拼接和变换，得到的光谱信息将无法反映地物点的真实特性。

　　2 卫星姿态变化对 LASIS

　　图像序列的影响由文献[1]可知，如果卫星发生偏航(yaw)，即卫星绕垂直于地面的轴旋转，则LASIS 干涉图像发生旋转畸变。合成的点干涉图如图2(a)。如果卫星发生侧滚(roll)，即卫星以其前进方向为轴转动，则地物成像会产生梯形失真，由于卫星平台稳定性较高，该失真可近似为图像之间垂直于卫星推扫方向的平移失真，平移量与侧滚角度近似成线性关系。这样，在拼好的点干涉图中，同一地物点的干涉曲线就不再是水平直线，而是一条斜线，如图2(b)。如果卫星作俯仰运动(pitch)，该失真同样可近似为图像之间的平行于卫星推扫方向的平移失真，平移量与俯仰角度近似成线性关系。因此，同一地物点在不同时刻的图像中水平方向的位置会产生非均匀变化，不再位于等间隔的采样位置，这就导致点干涉图拼接时不同地物点的干涉信息拼在了一起，如图2(c)所示。

　　3 LASIS 图像序列校正算法设计

　　通过以上分析可知，卫星姿态变化对 LASIS 图像的影响主要表现为图像之间的旋转与平移。本文的设计思想是：首先通过相位相关法检测图像的旋转角度;然后对经过旋转校正的图像利用归一化积相关的方法进行平移校正。常用的检测图像旋转量的方法有相位相关法[2,4]、空域相关法[6]和小波变换法[7]。空域相关法运算简单但检测精度不高，小波变换法检测精度高但运算量巨大，而相位相关法在图像小角度旋转的情况下，具有计算简单、检纠错精度高的特点。此外，相位相关法还具有对图像灰度值及尺度变化不敏感的特点，算法具有较好的鲁棒性。因此，本文采用相位相关法校正卫星偏航图像。由文献[1]可知，两幅 LASIS 原始图像尤其是干涉现象弱的部分非常相似，这为旋转角度的检测提供了很好的条件。由于卫星平台的稳定性较高，偏航角不会大于 0.1 ，本文不考虑由于图像大角度旋转而造成相关峰值衰减为零的情况。假设由于卫星偏航 LASIS 图像在[ωmin,ωmax]角度范围内发生了的偏转，设角度检测步长为0.01○，按如下步骤完成偏转角度的检测。