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此节主要针对第2节中提出的星上辐射定标过程中相邻增益档位比例系数测定方案,给出相应的过程结果,并给出最后测定的相邻增益的比例系数。由于文中研究的逐像元自适应增益成像系统还未发射,其还未与星上定标器进行结构固定,故无法依据星上定标器对ULG档位进行辐射定标,更不能依靠ULG的辐射定标系数来推算其他档位的辐射定标系数,不能计算外场成像目标的辐亮度。在文中用相邻增益档位的比例关系系数,由两个增益档位中较低增益档位的图像数据反推较高增益档位的图像输出,通过比较反演高增益图像数据与实际高增益图像输出来验证比例系数的测定结果。如3.4节所示,可以看到:反演得到的高增益图像与实际的高增益图像有极大的数据相关性和结构相关性,同时归一化均方误差值大部分小于0.01。由此可知,在星上辐射定标时,由该方法测定的相邻增益比例关系系数有很高的准确度,用来由较低增益反演高增益输出是可行性的。
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在2.2节进行K-Means分类时,聚类的类别数(即K值)的选取会对分类的精度产生影响。如果K值过大,可能分类结果过于复杂,出现很多只有几个像素点的微小数据簇,产生过拟合;如果K值过小,则分类会过于简单,可能产生不同的成像目标被分进一个类别中,在计算均值后可能会产生较大误差,产生欠拟合。故文中采用手肘法(Elbow Method)来寻找合适的K值,其具体操作是:首先选择一个K值的大概区间;计算不同K值下的聚类结果的误差平方和(SSE);绘制K值和对应的SSE之间的关系图;观察K值与SSE的关系图,其中,SSE下降速率明显变缓的位置就是最合适的K值(即肘部拐点)。如图9所示,文中选择了 K值大概的区间为15~40,并经过手肘法得到最佳K值为31。外场成像实验K-Means分类结果如图10所示。
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统计每一个光谱通道的自适应增益图像中各个增益档位出现的次数,可以得到各光谱通道出现次数最多的两个增益,如表1所示。
Channels Gain with the most occurrences Gain with the second most occurrences Channels Gain with the most occurrences Gain with the second most occurrences Ch1 MG HG Ch9 ULG LG Ch2 LG MG Ch10 LG MG Ch3 LG MG Ch11 LG MG Ch4 LG MG Ch12 LG MG Ch5 LG MG Ch13 ULG LG Ch6 LG MG Ch14 LG MG Ch7 LG ULG Ch15 LG MG Ch8 ULG LG Table 1. Two gains with highest number of occurrences in each spectral channel
通过上一节得到的K-Means分类结果掩膜,对每一个光谱通道的出现次数最多的两档增益的单增益输出图像进行分类,可以得到两个增益图像不同类别产生的均值点,这些均值点将作为下一节中线性拟合的数据点。图11是几个光谱通道中两个增益档位分类求均值得到的原始数据点,可以看到较低增益档位与较高增益档位数据点之间有很强的线性相关性。
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此节展示了相邻增益档位不同类别最小二乘法线性拟合结果,并与实验室的相邻增益档位比例系数测定结果进行了比较。在实验室测定得到的HG与MG的比例系数均值为4.823,MG与LG的比例系数为均值4.643,LG与ULG的比例系数均值为3.254。虽然不同光谱通道的比例系数略有不同,但与均值相差不大。因外场成像实验在中午12点左右进行,观测目标反射率较强,仅有能量较低的光谱通道1(375~395 nm)中有些许HG增益分布,不足以支持测定HG与MG的关系系数;在剩余通道中仅1、2、3、14、15通道中有一些MG增益分布,但由于MG主要集中分布在密集建筑物中,且能量集中在MG动态范围的前50%,故测定结果与实验室测定有些许出入(见表2),但除去通道1外,误差均小于等于5%,外场成像MG/LG关系拟合结果见图12,图中横纵坐标均为DN值。LG与ULG的比例系数在大部分通道内均可测定,故选取几个通道的测定结果展示见图13,图中横纵坐标均为DN值,测定值与误差如表3所示。可以看到LG与ULG的比例系数的测定结果良好,在多个通道内误差值不超过3%。
Channels Field experiment
proportion coefficientsLab experiment
proportion coefficientsMeasurement error of field experiment coefficients Ch1 4.214 4.559 7.57% Ch2 4.253 4.549 5.143% Ch3 4.241 4.423 3.843% Ch14 4.451 4.681 4.913% Ch15 4.524 4.451 1.640% Table 2. MG/LG adjacent gain ratio coefficient of exterior imaging
Figure 12. Measurement results of the ratio coefficient between MG and LG for channels 1, 2, 3, 14, and 15
Figure 13. Measurement results of the ratio coefficient between LG and ULG for channels 2, 3, 4, and 5
Channels Field experiment proportion coefficients Lab experiment proportion coefficients Measurement error of field experiment coefficients Ch2 3.264 3.251 0.399% Ch3 3.258 3.273 0.458% Ch4 3.268 3.264 0.123% Ch5 3.179 3.260 2.485% Ch12 3.196 3.263 2.053% Ch13 3.248 3.278 0.915% Ch14 3.252 3.258 0.184% Ch15 3.270 3.259 0.338% Table 3. LG/ULG adjacent gain ratio coefficient of exterior imaging
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得到外场成像时的比例系数和偏置后,可以根据公式(8)由低增益输出DN值计算高增益的反演DN值,通过与高增益实际的输出DN值进行比较,即可对该方法测定的相邻增益的比例系数准确性进行评价,如图14是通道2出现次数最多的增益LG反演到高一级增益MG的反演图像与MG增益实际成像的对比图。文中选取归一化均方误差NMSE、结构相似性指数SSIM[20]、图像相关系数R比较反演得到的高增益图像与实际高增益输出图像两幅图之间的差异。其中,NMSE越小两幅图像越相近;SSIM范围在0~1之间,值越接近1,两幅图结构越相同;ROCC范围在0~1之间,值越接近1,两幅图相关性越大。列举几个通道的实验结果如表4,可以看到NMSE均小于0.1,且SSIM均大于0.85,R均大于0.95。
Channels and corresponding gains NMSE SSIM R Ch2 MG/LG 0.0342 0.912 0.983 Ch3 MG/LG 0.0901 0.893 0.955 Ch4 LG/ULG 0.0765 0.878 0.962 Ch4 MG/LG 0.0399 0.989 0.980 Ch5 LG/ULG 0.0695 0.879 0.965 Ch5 MG/LG 0.0520 0.917 0.974 Ch6 LG/ULG 0.0287 0.874 0.986 Ch6 MG/LG 0.0713 0.895 0.964 Ch7 LG/ULG 0.0853 0.949 0.957 Ch8 LG/ULG 0.0833 0.965 0.958 Table 4. Inversion of image quality in outfield imaging
Research on onboard radiation calibration scheme based on pixe-level adaptive gain imaging system
doi: 10.3788/IRLA20230561
- Received Date: 2023-09-11
- Rev Recd Date: 2023-11-06
- Publish Date: 2024-02-25