在轨光学遥感仪器信噪比评估方法、装置和电子设备与流程

本发明涉及光学遥感，尤其涉及一种在轨光学遥感仪器信噪比评估方法、装置和电子设备。

背景技术：

1、传感器噪声评估主要有实验室法、暗电流法、图像法。其中适用于传感器在轨信噪比评估的是图像法，即利用遥感图像评估传感器信噪比的方法。目前，图像法主要有方差法、局部方差法和去相关法。

2、方差法严重依赖于操作人员手动选择均匀区域，自动化程度极低。在真实复杂的遥感场景中，大面积、绝对均匀的地物区域极为罕见，这使得该方法的评估结果主观性强、代表性差，难以准确反映整幅图像乃至整个传感器的信噪比性能。局部方差法虽然在一定程度上缓解了方差法对大面积均匀区域的需求，但其准确性高度依赖于小块内均匀的假设。当图像中包含大量边缘、纹理或异质性地物时，许多子块并非均匀，导致噪声估计偏差大，方法的鲁棒性和准确性不足。去相关法虽然自动化程度高且对地物类型不敏感，但其适用范围狭窄，仅限于具有高光谱相关性的高光谱图像，无法应用于更为普遍的多光谱或全色遥感图像。当地物光谱存在特征吸收峰时，该方法的评估结果也会失效。

3、上述方法均依赖地球目标，即需要从遥感图像中寻找合适的地物样本来评估信噪比。然而，在处理在轨实测遥感图像时，上述方法面临一个共性难题：遥感图像中的噪声成分通常较为复杂，且与目标信号高度耦合，难以有效分离，使得直接从图像中准确提取纯噪声信息变得极为困难。此外，在实际观测场景中，很难找到辐射亮度恰好处于仪器典型辐射处的均匀地物目标，导致难以获取典型辐射水平下纯净噪声样本。信噪比作为辐射亮度的函数，其典型值必须在典型辐射水平下进行评估才具有工程参考意义。由于缺乏合适的典型辐射-典型噪声样本对，上述方法往往导致噪声强度估算不准、信噪比评估精度受限。

技术实现思路

1、本发明提供一种在轨光学遥感仪器信噪比评估方法、装置和电子设备，用以解决现有技术中基于图像法的在轨信噪比评估方法依赖地球目标、难以获取典型辐射水平下纯净噪声样本，从而导致噪声强度估算不准、信噪比评估精度受限的技术问题，实现典型辐射处噪声强度及信噪比的在轨准确估算。

2、本发明提供一种在轨光学遥感仪器信噪比评估方法，包括：

3、根据光学遥感仪器在夜间的冷空观测数据，确定暗背景信号值和暗背景噪声强度；

4、根据所述光学遥感仪器对星上定标漫板的多次扫描观测数据和所述暗背景信号值，确定不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对；

5、根据信号值为零且噪声强度为所述暗背景噪声强度的零辐射点，以及所述不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对，构建噪声特征数据集；

6、基于所述噪声特征数据集，确定噪声模型；

7、根据仪器性能要求的典型辐射值和所述暗背景信号值，确定典型辐射处的纯信号值；

8、将所述典型辐射处的纯信号值输入所述噪声模型，得到典型辐射处的噪声强度；

9、根据所述典型辐射处的纯信号值和所述典型辐射处的噪声强度，确定典型辐射处的信噪比。

10、在一实施例中，所述根据光学遥感仪器在夜间的冷空观测数据，确定暗背景信号值和暗背景噪声强度，包括：

11、将卫星坐标系下太阳入射角小于九十度的冷空观测数据，单次冷空观测获得多个采样点的冷空观测数据，所述多个采样点的冷空观测数据按采样顺序构成冷空观测序列；所述卫星坐标系的z轴指向地球；

12、将所述冷空观测序列的算术平均值确定为所述暗背景信号值，将所述冷空观测序列的标准差确定为所述暗背景噪声强度。

13、在一实施例中，所述根据所述光学遥感仪器对星上定标漫板的多次扫描观测数据和所述暗背景信号值，确定不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对，包括：

14、针对所述多次扫描观测数据中的每一次扫描观测数据，执行以下步骤，得到对应的一个信号与噪声数据对，其中每一次扫描观测数据对应一个辐射能级：

15、计算所述扫描观测数据中多个采样点信号值的平均值，得到原始信号平均值；

16、将所述原始信号平均值减去所述暗背景信号值，得到净信号值；

17、对所述扫描观测数据中多个采样点信号值去除所述暗背景信号值，得到去背景信号序列；

18、对所述去背景信号序列进行拟合，得到空间趋势拟合值序列；

19、计算所述去背景信号序列与所述空间趋势拟合值序列之间的差值，得到残差序列；

20、将所述残差序列的标准差确定为所述扫描观测数据对应的噪声强度；

21、将所述净信号值与所述噪声强度组成一个信号与噪声数据对。

22、在一实施例中，所述不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对包括：在星上定标漫板衰减屏开启状态下获取的多组信号与噪声数据对，以及在所述星上定标漫板衰减屏关闭状态下获取的多组信号与噪声数据对。

23、在一实施例中，所述基于所述噪声特征数据集，确定噪声模型，包括：

24、采用加权最小二乘法对所述噪声特征数据集进行拟合，求解所述噪声模型的系数。

25、在一实施例中，所述根据仪器性能要求的典型辐射值和所述暗背景信号值，确定典型辐射处的纯信号值，包括：

26、根据所述光学遥感仪器的辐射定标系数，将所述典型辐射值转换为未扣除背景信号的典型辐射信号值；

27、将所述未扣除背景信号的典型辐射信号值减去所述暗背景信号值，得到所述典型辐射处的纯信号值。

28、本发明还提供一种在轨光学遥感仪器信噪比评估装置，包括如下模块：

29、第一计算模块，用于根据光学遥感仪器在夜间的冷空观测数据，确定暗背景信号值和暗背景噪声强度；

30、第二计算模块，用于根据所述光学遥感仪器对星上定标漫板的多次扫描观测数据和所述暗背景信号值，确定不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对；

31、数据集构建模块，用于根据信号值为零且噪声强度为所述暗背景噪声强度的零辐射点，以及所述不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对，构建噪声特征数据集；

32、模型构建模块，用于基于所述噪声特征数据集，确定噪声模型；

33、第三计算模块，用于根据仪器性能要求的典型辐射值和所述暗背景信号值，确定典型辐射处的纯信号值；

34、噪声强度计算模块，用于将所述典型辐射处的纯信号值输入所述噪声模型，得到典型辐射处的噪声强度；

35、信噪比计算模块，用于根据所述典型辐射处的纯信号值和所述典型辐射处的噪声强度，确定典型辐射处的信噪比。

36、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述在轨光学遥感仪器信噪比评估方法。

37、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述在轨光学遥感仪器信噪比评估方法。

38、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述在轨光学遥感仪器信噪比评估方法。

39、本发明提供的在轨光学遥感仪器信噪比评估方法、装置和电子设备，根据光学遥感仪器在夜间的冷空观测数据，确定暗背景信号值和暗背景噪声强度。本发明根据光学遥感仪器对星上定标漫板的多次扫描观测数据和暗背景信号值，确定不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对。在卫星在轨飞行过程中，太阳入射角不断变化，使得不同扫描时刻对应的辐射能级不同，从而通过一次在轨定标流程即可获得覆盖多个辐射能级的观测数据。结合暗背景信号值扣除仪器暗背景后，直接获得各辐射能级下纯净的信号与噪声数据对，实现了噪声与信号的有效分离。本发明根据信号值为零且噪声强度为暗背景噪声强度的零辐射点，以及不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对，构建噪声特征数据集，覆盖了从零辐射到高辐射的完整动态范围。基于噪声特征数据集构建噪声模型，该噪声模型能够定量描述噪声强度随信号强度的连续变化规律。本发明根据仪器性能要求的典型辐射值和暗背景信号值，确定典型辐射处的纯信号值，将典型辐射处的纯信号值输入噪声模型，得到典型辐射处的噪声强度，根据典型辐射处的纯信号值和典型辐射处的噪声强度，确定典型辐射处的信噪比。由于噪声模型是基于零辐射点和不同辐射能级下的多个信号与噪声数据对构建的，覆盖了从零辐射到高辐射的全动态范围，因此提高了典型辐射处噪声强度及信噪比的评估准确性，避免了噪声强度估算不准和信噪比评估精度受限的问题。通过仪器对冷空以及星上定标漫板的观测一起来确定遥感仪器在典型辐射处的信噪比，不依赖任何地球目标。