基于在轨MTF_测试的定量图像质量提升方法

1 单方向可定量图像质量提升方法
基于在轨 MTF 测试的单方向可定量图像质量提 升，主要是指将 TDI 推扫型光学遥感载荷在沿轨或
光学遥感系统 PSF
空域滤波系数
垂轨方向的 MTF 提升到设定值上，并据此设计空域 滤波系数实现定量的图像质量提升。空域滤波系数 的设计如图 1 所示，其中光学遥感系统的点扩展函
上述研究未引入光学遥感载荷的在轨实际成像特性，本文在空域自适应 MTFC 遥感图像复原算法[16] 的基础上，针对 TDI 推扫型光学遥感载荷在垂轨和沿轨两个方向因不同影响因素导致的差异化退化现象， 提出了基于在轨 MTF 测试的单方向可定量图像质量提升方法，通过研究频率增强与空域滤波之间的关系， 旨在进一步提升光学遥感相机在轨图像质量，实现针对载荷不同特性的图像质量提升，最后进行遥感图 像质量评价，满足不同场景的应用需求。
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航天返回与遥感
2024 年第 45 卷
rail direction is increased by 2.51 times, and the clarity of the obtained image is improved by 8.33%, which proves that the method can effectively achieve quantitative image quality improvement.
收稿日期：2023-11-05 基金项目：国家自然科学基金（42050202） 引用格式：周雨荷, 伏瑞敏, 齐文雯. 基于在轨 MTF 测试的定量图像质量提升方法[J]. 航天返回与遥感, 2024, 45(2): 125-133.
ZHOU Yuhe, FU Ruimin, QI Wenwen. Quantitative Image Quality Improvement Method Based on On-Orbit MTF Test[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2024, 45(2): 125-133. (in Chinese)
FT−1(·) FT(·)
光学遥感器系统 MTF
FT−1(·) FT(·) MTF 提升曲线
数（ Point Spread Function, PSF）在频域中的幅值表 现形式对应于光学遥感系统的 MTF 曲线，而空域滤
图 1 空域滤波系数设计示意图 Fig.1 Schematic figure of spatial convolution
第 45 卷 第 2 期
航天返回与遥感
2024 年 4 月
SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING
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基于在轨 MTF 测试的定量图像质量提升方法
周雨荷 伏瑞敏 齐文雯
（北京空间机电研究所，北京 100094）
摘 要 针对 TDI 推扫型光学遥感载荷在轨工作时可能出现的垂轨或沿轨方向图像质量下降现象， 提出一种基于在轨 MTF 测试的单方向可定量图像质量提升方法。首先，采用刃边法测试得到沿轨和垂轨 两个方向的 MTF 曲线，选取从零频到奈奎斯特频率范围内的 n 个不同频率点，根据 MTF 目标值与实测 值的比值确定各选定频率点的 MTF 提升倍数，依据频域响应特性并以提升倍数作为频域响应幅值构建空 域卷积函数，同时结合在轨实测信噪比（Signal to Noise Ratio, SNR）构建抑噪函数，在确保 SNR 的前提 下实现的 MTF 的定量提升。根据在轨试验验证结果表明，按照所提方法进行图像质量提升，在噪声抑制 阈值 0.5 dB 范围内，垂轨方向 MTF 基本不变，沿轨方向奈奎斯特频率点的 MTF 提升 2.51 倍，获取的图 像清晰度提升 8.33%，证明该方法可有效实现定量图像质量提升。
一方向出现退化，则可以参考另一方向的测( 试)结果。 空域滤波系数h (k)的频域响应特性 H e jw 即 MTF 提升倍数，可根据不同频率点的目标值和测试值的
ZHOU Yuhe FU Ruimin QI Wenwen
（ Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China ）
Abstract In this paper, a single direction quantitative image quality improvement method based on onorbit MTF test is proposed to improve the image quality due to the phenomenon that the image quality of the TDI push-sweep optical remote sensing camera may decrease in along-track or vertical track. Firstly, the MTF curves in both directions were tested by the edge bar method. N different frequency points in the range from zero frequency to Nyquist frequency were selected to determine the MTF improvement multiple of each selected frequency point according to the ratio of the MTF target value to the measured value. The spatial convolution function was constructed according to the frequency domain response characteristics and the lift multiple was taken as the amplitude of the frequency domain response. At the same time, the noise suppression function is constructed based on the on-orbit measured signal-to-noise ratio (SNR), and the quantitative improvement of MTF is realized under the premise of ensuring SNR. According to the verification results of the on-orbit test, the image quality is improved according to the proposed method. Within the noise suppression threshold of 0.5 dB, the MTF of the vertical rail direction is basically unchanged, the MTF of the Nyquist frequency point along the
Keywords on-orbit MTF; quantization; image quality improvement; optical remote sensing
0 引言
图像质量提升技术作为光学遥感图像数据处理的基本方法，其效果直接影响遥感图像的定量化应用。 要实现高精度的图像复原，就必须研究遥感图像的退化模型，获取准确的退化函数，并根据退化函数构 建精确的滤波系数。文献 [1-2] 对图像解卷积和复原过程进行研究，得到高分辨率的图像；文献 [3] 提出 了通过分析垂直方向和水平方向的梯度特性进行图像复原的方法；文献 [4] 提出了超拉普拉斯先验模型， 从而改善了复原图像的阶梯效应；文献 [5] 采用半阈值迭代法，对原始图像进行了复原；文献 [6] 减少了 图像边缘处的振铃效应[7]，有效地去除图像模糊；文献 [8] 提出了基于参数估计的复原算法，仅适用于 PSF 为圆对称形式的盲图像复原；文献 [9] 根据频谱能量分布不同，提出了基于中频的盲复原算法；文 献 [10]、文献 [11] 对图像自相似性进行了分析，实现图像复原；文献 [12-13] 通过对图像进行模糊核的估 计及正则化分析，提出了图像盲复原模型；文献 [14] 基于图像的稀疏性进行图像复原；文献 [15] 提出了 基于深度学习的多尺度复原网络。
主客观图像质量评价
图 2 单方向可定量图像质量提升方法流程图 Fig.2 Process of unidirectional quantifiable image quality
improvement
Spread Function, LSF），再进行傅里叶变化得到光学遥感系统在该方向的 MTF 曲线。
波系数在频域中的幅值表现形式对应于 MTF 提升曲

coefficient design
线，FT (·)表示傅里叶变换，FT−1 (·)表示傅里叶逆变换。由于光学遥感系统的在轨 MTF 测试结果相对容
易获取，因此可以通过 MTF 的提升曲线得到精确的空域滤波系数。
单方向可定量图像质量提升的具体过程如图 2 所示。首先，通过在轨 MTF 测试获取沿轨和垂轨两个
第2期
周雨荷 等: 基于在轨 MTF 测试的定量图像质量提升方法
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声放大过大。最后，通过对复原后的图像进行主客 观综合评价判断定量图像质量提升的有效性。
在轨 MTF 测试曲线
1.1 在轨 MTF 测试 在轨 MTF 测试的方法主要包括刃边法、脉冲法、
零频到奈频 n 个频率点的 MTF 测试值
零频到奈频 n 个频率点的 MTF 目标值
1.2 空域滤波系数构建
为精确构建空域滤波系数，需要得到精确的 MTF 提升曲线。从在轨测试得到的 MTF 曲线中提取零
频到奈奎斯特频率范围内的 n 个频率点（包含零频和奈奎斯特频率）的 MTF 值，n 的大小根据曲线的形
状进行选择，一般至少选择 5 个频率点。各频率点的目标值设定可以参考退化前的测试值，如果只是单
在轨图像
卷积、抑噪 复原后的图像
为提高测试精度，一般要求地物倾斜角度为 5°～10°， 刃边相邻均匀地物的对比度反射率差要足够大（一 般不低于 10∶1）。截取这一小块刃边区域，通过 多 行 插 值 平 滑 得 到 边 缘 扩 散 函 数 （ Edge Spread Function, ESF） ， 微 分 后 得 到 线 扩 散 函 数 （ Line
方向的 MTF 曲线，选取从零频到奈奎斯特频率范围内的 n 个不同频率点，并以预期达到的 MTF 值为目
标值，根据目标值与实测值的比值确定各选定频率点的 MTF 提升倍数，从而得到 MTF 提升曲线，根据
频域和空域的转换关系得到空域滤波系数。然后，在空域中进行卷积的同时可根据探测器信噪比信息以
及当前图像内容施加合理的自适应性抑噪约束，避免低信噪比情况的噪声放大过大以及平坦地区高频噪
关键词 在轨 MTF 测试 可定量 图像质量提升 光学遥感 中图分类号：TP751 文献标志码：A 文章编号：1009-8518(2024)02-0125-09 DOI：10.3969/j.issn.1009-8518.2024.02.012
Quantitative Image Quality Improvement Method Based on On-Orbit MTF Test
点源法和三线靶标法。目前，刃边法易于实现且适 用性强，是较为常用的测试方法。
频域响应函数
刃边法的具体实现是通过选择具有一定反射 率差的两块相邻均匀亮暗地物的直线边界作为刃边 （如选取海岸、胡泊、房屋等边缘等比较典型的刃
根据在轨实测 SNR 一维空域滤波
构建抑噪系数
系数
边地物或人工铺设两块具有反射率差的均匀靶标）， 在卫星飞过靶标区域时进行成像，测定刃边的扩散 程度来确定成像系统在不同空间频率上的退化情况。