專利名稱：提高圖像分辨率的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含焦平面陣列(FPA)器件的光電成像系統(tǒng)，較具體地涉及突破FPA對這種成像系統(tǒng)圖像分辨率的限制的方法與裝置。
例如含電荷耦合器件(CCD)、光敏二極管陣列等FPA的光電成像系統(tǒng)在國防和民用方面有著廣泛的應(yīng)用。其成像過程可簡單描述如下目標被光學(xué)系統(tǒng)成像到FPA的各光敏元上，經(jīng)抽樣轉(zhuǎn)換成一個代表以FPA的像元距倒數(shù)為抽樣頻率的目標圖像的電信號，通過低通濾波等適當(dāng)?shù)碾娐?模擬或數(shù)字)的處理后，最后由顯示器、打印機等設(shè)備重現(xiàn)出人眼能夠接受的連續(xù)圖像形式。
根據(jù)香濃(Shannon)抽樣定理，當(dāng)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的目標圖像在抽樣前仍含有超過探測陣列奈奎斯特(Nyquist)頻率(二分之一抽樣頻率)的高頻成分時，則抽樣后，這些高頻成分將疊加到奈奎斯特頻率之內(nèi)的頻率(以下稱為“低頻”)成分上，產(chǎn)生混淆?；煜粌H使這些高頻所對應(yīng)的圖像精細結(jié)構(gòu)無法辨認，而且還會因?qū)Φ皖l成分的干擾而引起對目標圖像的錯誤理解。所以如何減少混淆、提高分辨率，是增強光電成像系統(tǒng)像質(zhì)所亟待解決的問題。
一種提高光電成像系統(tǒng)分辨率的方法是加大光學(xué)系統(tǒng)的焦距，使FPA像元距在物面上(目標面)的反向投影減小，從而等效于增加了抽樣頻率和奈奎斯特帶寬(NBW)。但是，若維持原來的視場范圍，則必須增加FPA的大小，即增加像元數(shù)，這樣，無論采用長焦距鏡頭還是加大的FPA都將使系統(tǒng)的尺寸、重量和造價大幅增加。另一種提高光電成像系統(tǒng)分辨率的途徑是直接減小像元距。但是，即使不考慮材料處理的工藝難度，像元尺寸也要受到聚焦到光敏元上的電磁輻射的波長的物理限制。例如，若將紅外光敏元減小到與紅外波長接近的3μm甚至更小的尺寸，則紅外輻射能量就無法通過這種材料轉(zhuǎn)換成電信號。
因此，目前的技術(shù)一般采用微掃描法來提高光電成像系統(tǒng)分辨率。它主要用微掃描裝置使目標圖像相對于探測陣列進行亞像元位移而得到同一目標的一系列抽樣圖像，在各方向需要移動的亞像元距離取決于各方向需要的微掃描級數(shù)，如2×2的微掃描在兩個方向上都需要半個像元距的位移，共4幀圖像，3×3微掃描需要三分之一像元距的位移，共9幀圖像。其后將這些圖像合成一幀抽樣頻率提高的圖像，使系統(tǒng)NBW和分辨能力提高。提高的倍數(shù)等于微掃描級數(shù)。大多微掃描都采用了反射裝置，例如見美國專利No.4,517,603(Epsztein and Guyot)、No.4,755,876(Dangler)和No.4,633,317(Uwira et al.)等，這種技術(shù)靈活性比較好，但也存在不少缺點，例如由于反射，光路發(fā)生彎折，透鏡的最小F數(shù)(其定義為透鏡焦距與孔徑直徑的比值)便受到漸暈限制；而且為了安裝彎折光路的對應(yīng)元件，透鏡后面的工作距離還必須設(shè)計得足夠大。少數(shù)微掃描沒有采用反射裝置，如美國專利No.5,291,327(McEwen)中提出的利用轉(zhuǎn)盤控制透射區(qū)域的微掃描技術(shù)，但又引入了一些新的問題一張轉(zhuǎn)盤只對應(yīng)一種亞像元位移、靈活性差；幀頻嚴重受限于轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度和透射區(qū)域大小等因素。無論通過什么方法實施微掃描，均是為了獲得同一目標相同抽樣頻率、均勻亞像元位移的多幀抽樣圖像，從頻域上看，這些圖像的相位因子恰好均分一個圓周，所以混淆頻譜能夠相互抵消。這就要求微掃描必須具有足夠高的位移精度，使得相位因子能夠恰好均分一個圓周。然而精度要求還會隨著微掃描級數(shù)的增加或?qū)嶋H像元尺寸的減小，即所需亞像元位移的減小，而成倍上升，使得高頻振動的小位移的機械裝置變得更復(fù)雜。況且對于二維圖像還需要控制兩個方向上的機械位移。因此微掃描裝置的價格向來昂貴，這也是其尚未被廣泛使用的一個主要原因。
本發(fā)明的目的是避免上述不利因素，為提高光電成像系統(tǒng)分辨率提供結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的微變焦方法與裝置以及專門用于消除周期目標莫爾贗像的雙倍率方法與裝置。
本發(fā)明的微變焦法包括以下步驟利用一個光學(xué)放大率可改變的光學(xué)系統(tǒng)將一個一維或二維目標成像到FPA上形成相應(yīng)的目標圖像，F(xiàn)PA將目標圖像轉(zhuǎn)換成一個代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像的電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；稍微改變光學(xué)放大率若干減一次，分別重復(fù)上述步驟，總共得到同一目標在不同抽樣頻率下的若干幀抽樣圖像；然后利用這若干幀抽樣圖像重建出混淆減少、等效奈奎斯特擴展及分辨率提高的圖像，其中改變光學(xué)放大率的步驟可以采用以下三種方法中的任何一種一是使用固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
本發(fā)明實現(xiàn)微變焦法的微變焦裝置包括以下部件用于將目標成像到FPA面上形成目標圖像且能夠稍微改變光學(xué)放大率的光學(xué)系統(tǒng)；用于對目標圖像進行抽樣的FPA，其中FPA位于像面并能將目標圖像的光強分布轉(zhuǎn)換成一個代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像的電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；以及用于根據(jù)FPA輸出的兩幀或多幀代表具有不同抽樣頻率的抽樣圖像重建成一幀混淆減少、奈奎斯特帶寬擴展及分辨率提高的圖像的微變焦重建裝置，其中改變光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)放大率的方式可以是以下三種方式中的任何一種一是光學(xué)系統(tǒng)的焦距固定，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
在一個實施例中，上述光學(xué)系統(tǒng)包括自動對焦變焦系統(tǒng)。
在一個實施例中，上述微變焦重建裝置包括用于將上述代表抽樣圖像的電信號轉(zhuǎn)換成圖像樣本矩陣的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。
本發(fā)明的雙倍率法包括以下步驟利用一個一個至少可改變一次光學(xué)放大率的光學(xué)系統(tǒng)將一個一維或二維周期性目標成像到FPA上，F(xiàn)PA將目標圖像轉(zhuǎn)換成代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；然后改變光學(xué)放大率，重復(fù)上述步驟，共得到同一目標在兩個抽樣頻率下的兩幀抽樣圖像；最后利用這兩幀抽樣圖像通過頻域處理重建出消除了莫爾贗像、NBW擴展及分辨率提高的圖像，其中改變光學(xué)放大率的步驟可以采用以下三種方法中的任何一種一是使用固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
本發(fā)明實現(xiàn)雙倍率法的雙倍率裝置包括以下部件用于將目標成像到像面且至少可改變一次光學(xué)放大率的光學(xué)系統(tǒng)；用于對像面上目標圖像進行抽樣的FPA，其中FPA位于像面且能將目標圖像的光強轉(zhuǎn)換成一個代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像的電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；以及，用于根據(jù)FPA輸出的兩幀具有不同抽樣頻率的抽樣圖像通過頻域處理解出一幀莫爾條紋消除、等效奈奎斯特帶寬擴展、分辨率提高的圖像的雙倍率重建裝置，其中光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)放大率的方法可以采用以下三種方法中的任何一種一是使用固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
在一個實施例中，上述光學(xué)系統(tǒng)包括自動對焦變焦系統(tǒng)。
在一個實施例中，上述雙倍率重建裝置包括用于將上述代表目標圖像的電信號轉(zhuǎn)換成圖像樣本矩陣的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置。
為減少混淆和提高分辨率，本發(fā)明采用稍微改變光學(xué)放大率的途徑來增加獲得的圖像信息，由于FPA的實際像元距固定，所以隨著光學(xué)放大率的改變，折算到目標面上的像元距大小將改變，相當(dāng)于抽樣頻率改變，或者等效抽樣頻率改變。這樣，當(dāng)在目標平面上考察時，上述若干幀抽樣圖像分別對應(yīng)了若干個不同的抽樣頻率。在本說明書的其余部分，若非明確指出，都將在目標面上考察。
不論采用何種方式，改變光學(xué)放大率最終都是通過改變像、物距或焦距來實現(xiàn)，只表現(xiàn)為在光軸這一個方向上的位移，避免了微掃描技術(shù)那些用來控制兩個方向位移的高精度機械裝置，而且光學(xué)系統(tǒng)的精度要求不受級數(shù)和實際像元尺寸的影響，若采用變焦方式，還有現(xiàn)成的裝置如自動對焦變焦物鏡可以很容易地獲得?？傊?，本發(fā)明微變焦技術(shù)的分辨率提高程度接近于微掃描技術(shù)，卻能將成本降低很多；本發(fā)明雙倍率技術(shù)在減少莫爾贗像方面，只需兩幀不同抽樣頻率的圖像，簡化了信息獲取和處理步驟，所以對于周期性目標，效率較微掃描和微變焦均提高了一倍或更多。
為了改善重建圖像的質(zhì)量，本發(fā)明還提出了頻域補償方法，該方法包括以下步驟獲取光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)信息；獲取FPA像元形狀、尺寸及布局信息，并計算相應(yīng)的光學(xué)傳遞函數(shù)；以及，在上述微變焦法和雙倍率法的重建步驟中對上述兩種光學(xué)傳遞函數(shù)進行補償。
下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的微變焦法和雙倍率法作進一步詳細的說明。


圖1示出以不同抽樣間距Δx1和Δx2對同一一維目標函數(shù)g(x)進行抽樣的情形。
圖2(a)和(b)分別示出目標頻譜G(ξ)在不同抽樣頻率ξs1(＝1/Δx1)和ξs2(＝1/Δx2)下的頻譜交疊示意圖；為了便于觀察，這里簡單地用線性函數(shù)表示G(ξ)，但G(ξ)的實際分布取決于目標的光強分布，可以是任意形狀的厄米對稱復(fù)函數(shù)。
圖3是用頻率矢量描述的雙倍率法的原理圖。其中圖3a是周期目標的頻率矢量示意圖；圖3b是抽樣頻率ξs1(ηs1)下的頻譜鋪排示意圖；圖3c是圖3b的低通濾波示意圖；圖3d是抽樣頻率ξs2(ηs2)下的頻譜鋪排及其低通濾波示意圖；圖3e是雙倍率法重建原目標頻譜的示意圖；圖3f至3h是雙倍率法另一個實施例的示意圖。
圖1是一個一維目標g(x)以不同抽樣間距Δx1和Δx2抽樣的情形，其中x是該一維方向的坐標軸。通過改變抽樣間距，可以使我們獲得更多位置上的目標樣本值，為提高分辨率增加了信息來源。本發(fā)明的微變焦法和雙倍率法都是通過改變光學(xué)放大率，使FPA面(像面)上固定尺寸的抽樣間距(如CCD的像元距)在目標面(物面)上的反向投影大小改變，從而得到同一目標在不同抽樣間距下的圖像樣本值。
將NBW在任一頻率軸上能夠擴展的倍數(shù)定義為該方向上的微變焦級數(shù)，則能夠?qū)⒎直媛侍岣叩礁鞔纬闃又凶钚〕闃宇l率的一倍的二級微變焦需要采入2(一維)或2×2(二維)幀不同抽樣頻率的圖像，三級需要3(一維)或3×3幀(二維)。為了最大限度提高分辨率，應(yīng)盡量減少抽樣頻率的改變程度以使最小抽樣頻率盡量大，通常最大抽樣頻率與最小抽樣頻率的比值以小于1.5為宜，所以稱之為微變焦法。
在一個實施例中，F(xiàn)PA輸出的每一幀抽樣圖像被轉(zhuǎn)換成一個數(shù)字的圖像樣本矩陣(簡稱圖像矩陣)，如果不使用插值，則各個抽樣頻率下的圖像矩陣的大小(行數(shù)和列數(shù))各不相同，行數(shù)和列數(shù)至少各相差1。
為了簡單起見，先借助一個實施例說明一維微變焦法原理。
用ξ代表x方向上的空間頻率，假定目標頻譜G(ξ)是帶限的，即當(dāng)|ξ|＞ξ0時，G(ξ)＝0，其中ξ0稱物體的“截止頻率”。眾所周知，若反投影到目標平面后，F(xiàn)PA的抽樣頻率ξs(等于抽樣間距Δx的倒數(shù))大于2ξ0，則根據(jù)香濃抽樣定理，對抽樣信號頻譜進行寬度為NBW([-1/2ξs，1/2ξs])的門形低通濾波后即可完全恢復(fù)原目標頻譜G(ξ)和原目標分布g(x)。但若2ξ0＞ξs＞ξ0，則將因出現(xiàn)目標一級譜混入NBW內(nèi)的混淆噪聲，這時簡單的低通濾波不再能恢復(fù)G(ξ)。當(dāng)ξs更小時，將發(fā)生更高級次的混淆。
圖2(a)和(b)分別示出了目標頻譜G(ξ)在不同抽樣頻率ξs1和ξs2下，一級譜與零級譜的混疊示意圖；其中2ξ0＞ξs1＞ξs2≥ξ0，Δξ＝ξs1－ξs2，G1(ξ)和G2(ξ)是兩個抽樣頻率下的低通濾波重建頻譜，低通濾波的帶寬分別等于各自的奈奎斯特帶寬NBW1和NBW2。顯然，這時G1(ξ)和G2(ξ)都是欠抽樣得到的頻譜，不能正確表示G(ξ)。微變焦的目的即是要從G1(ξ)、G2(ξ)或更多個欠抽樣頻譜重建G(ξ)。在圖2所示的一維實施例中，由于有ξs2≥ξ0，故只需用二級微變焦方法，即利用兩個不同抽樣頻率的圖像低通頻譜G1(ξ)和G2(ξ)，來解出混淆前的目標譜G(ξ)，將系統(tǒng)分辨率提高近一倍。若定義 并省略常系數(shù)，則G1(ξ)=rect(ξξs1)[G(ξ+ξs1)+G(ξ)+G(ξ-ξs1)]---(1)]]>G2(ξ)=rect(ξξs2)[G(ξ+ξ2)+G(ξ)+G(ξ-ξs2)]---(2)]]>首先從圖2(a)知當(dāng)ξ∈
時，G(ξ)＝G1(ξ)；于是利用圖2(b)中的ξ∈
段可求得該段中的G(ξ－ξs2)(等于G2(ξ)－G(ξ))；再回到圖2(a)，當(dāng)ξ∈[Δξ，2Δξ]時，又可根據(jù)剛求得的G(ξ－Δξ－ξs2)＝G(ξ－ξs1)求出G(ξ)值(等于G1(ξ)－G(ξ－ξs1))，以此類推，直到遞推出所有G(ξ)值。由于g(x)為實函數(shù)，G(ξ)具有厄米對稱性，所以當(dāng)n≥ξs2/(2Δξ)(其中n為遞推次數(shù))時即可得到|ξ|∈
范圍內(nèi)的所有G(ξ)。換言之，重建結(jié)果相當(dāng)于NBW擴展到了2*NBW2時的抽樣情形。
根據(jù)另一個實施例，由式(1)、(2)求解G(ξ)采用了聯(lián)立方程組求解法。把圖2(b)中的NBW2的正頻部分離散成m個頻率點，對每個頻率點根據(jù)式(1)、(2)寫出兩個方程式，共得到2m個方程式，由于G的厄米對稱性，其中只有m個方程式是獨立的，可用于求解m個頻率點上的G值。
對于二維或二級以上的微變焦，需要采入更多的抽樣圖像，情況將復(fù)雜一些，但上兩例中的遞推方法和聯(lián)立方程組法也可推廣到二維情形。
在一個實施例中，可用余弦變換代替上述實施例中的傅里葉變換，基于同樣的遞推原理和聯(lián)立方程組解出原目標的余弦頻譜，最后通過逆余弦變換得到分辨率提高的圖像。
在一個實施例中還采用了最小二乘法等算法求解聯(lián)立方程組。
在一個實施例中，對不同抽樣頻率的圖像樣本矩陣進行與上述頻域處理相對應(yīng)的空域處理來分辨率提高的圖像。
總之，微變焦法的共同基本原理是利用多幀不同光學(xué)放大率欠抽樣圖像的混淆信息，解出未被混淆的原目標圖像信息。
下面借助圖3a～3e所示的一個實施例說明雙倍率法的原理。
圖3a～3e是用頻率(位置)矢量描述的減少周期目標欠抽樣時的莫爾贗像的雙倍率法原理示意圖(二維)，圖中η代表頻域中第二維方向的空間頻率。為了清晰，這些圖中只示出了周期目標的兩個頻譜成分，但下述雙倍率法同樣也適用于周期目標含有多個頻譜成分的情況。雙倍率法增加圖像信息的方式與微變焦一樣，但由于周期性目標的頻譜具有離散性特點，在低通濾波后的各次諧波頻率矢量(包括原來就在NBW內(nèi)的和因混淆而進入NBW內(nèi)的)互不重疊的條件下，只需兩幀不同抽樣頻率下的周期目標樣本信號就能消除由高頻混入到NBW內(nèi)引起的莫爾條紋式贗像，并提高對周期目標成像的分辨率。在一個實施例中，兩幀抽樣圖像分別被轉(zhuǎn)換成兩個圖像樣本矩陣，它們的行數(shù)和列數(shù)至少各相差1，抽樣頻率比值以小于1.5為宜。
圖3a中的矢量1、2分別表示周期目標離散頻譜中1、2號頻譜成分在空間頻譜面上的位置矢量。頻譜成分的編號按照該成分的能量(或模值)大小順次排列，或從大到小，或從小到大。由于實際上存在噪聲，所以需舍去能量太小的“頻譜成分”。在一個實施例中，所有模值小于最大頻譜成分模值的1/30的成分均被當(dāng)作噪聲舍去。實函數(shù)的頻譜具有厄米對稱性，為了便于觀察，這里只畫出了對稱譜的一半，實際操作時，對于一對共軛的頻譜成分可采用同一個編號。
第一個光學(xué)放大率對應(yīng)的ξ、η軸抽樣頻率在目標面上的反向投影分別為ξs1、ηs1，目標函數(shù)在空域的抽樣，在頻域表現(xiàn)為原目標頻譜以抽樣頻率為間隔進行周期性復(fù)制(以下簡稱為“鋪排”)，如圖3b所示。
圖3c示出低通濾波情形，濾波函數(shù)按照奈奎斯特帶寬取值，等于rect(ξ/ξs1，η/ηs1)，如圖中矩形區(qū)域NBW1所示。不難證明，對于原目標頻譜成分的任一個位置矢量，不論其大小和方位如何，經(jīng)鋪排后，其相應(yīng)的復(fù)制矢量(包括原矢量)中必定有一個且僅有一個位在NBW內(nèi)。例如，若把圖3a中的1、2經(jīng)鋪排后落在NBW1內(nèi)的位置矢量分別表示為1’、2’，則從圖中可以看出，因1位在NBW1內(nèi)，故1’與1重合；但因2本身位于NBW1之外，所以位在NBW1內(nèi)的是其“混入”NBW1內(nèi)的2’，且2’的模小于2，方向一般也不同于2。從分別代表低頻和高頻位置矢量的1和2的抽樣成像結(jié)果來看，滿足抽樣定理的低頻成分，能夠被準確重建，如1’＝1；被欠抽樣的高頻成分則會發(fā)生混淆，以低頻的形式出現(xiàn)，如2’≠2且|2’|＜|2 |，在本例中具體地有，2’＝2-ηs1η，其中η是η軸上的單位矢量。
圖3d是第二個光學(xué)放大率下，抽樣頻率為ξs2(ηs2)時的低通濾波情形，濾波函數(shù)等于rect(ξ/ξs2，η/ηs2)，如圖中矩形區(qū)域NBW2所示。1、2號頻譜落在該重建通帶內(nèi)的位置矢量分別表示為1”、2”。其中1”仍與1重合(1位于NBW2內(nèi))；2”是2的混淆矢量，2”＝2-ξs2ξ－ηs2η，方向與大小都不能正確反映原目標頻譜，其中是ξ是ξ軸上的單位矢量。
圖3e表示利用采入的兩個光學(xué)放大率下的抽樣圖像頻譜信息恢復(fù)出原目標的頻譜位置的過程。將兩次抽樣圖像的低通頻譜放在同一頻率坐標系里，根據(jù)1’＝1”，即可斷定目標的1號譜兩次都被足夠抽樣，其位置矢量1等于1’(1”)。而2’≠2”，則可斷定2號譜至少有一次被欠抽樣，發(fā)生了混淆。因為2’和2”是2分別按各自抽樣頻率間隔鋪排進入NBW的結(jié)果，所以有2＝2’＋M1ξs1ξ＋N1ηs1η (3)2＝2”＋M2ξs2ξ＋N2ηs2η (4)其中M1、N1、M2、N2為整數(shù)。當(dāng)只有一級譜混淆時(實際情況大多如此)，根據(jù)已知的2’、2”和兩次抽樣頻率ξs1(ηs1)、ξs2(ηs2)，利用關(guān)系式(3)和(4)，讓等式右邊的矢量和等于同一個矢量，由此可唯一確定出M1＝0，N1＝1，M2＝1，N2＝1，從而得到2號譜的真實位置矢量2。再將任一幀抽樣圖像的各號譜的頻譜值賦在確定出的各目標譜面位置上，經(jīng)逆傅里葉變換便可恢復(fù)消除了莫爾贗像的目標像。如果出現(xiàn)較弱頻譜成分的丟失，或者其混淆矢量位置與其他較強的成分的頻譜矢量重疊的情況，本方法仍然能減少莫爾贗像，恢復(fù)目標的主要特征。
在一個實施例中，采用了另一種方法來確定原目標頻譜的位置矢量1、2。該方法的前面幾個步驟與上例相同，即首先獲得兩個不同光學(xué)放大率下的頻譜矢量位置，例如圖3c中NBW1內(nèi)的1’、2’和圖3d中NBW2內(nèi)的1”、2”。然后根據(jù)抽樣頻率(ξs1，ηs1)和(ξs2，ηs2)，分別把(1’，2’)和(1”，2”)鋪排擴展成周期性排列，如圖3f和3g所示。接著對這些矢量端點位置賦以值1，其余地點賦以值0。最后將圖3f和3g相乘，相乘結(jié)果中具有值1的地點就代表了原目標的頻譜位置矢量，如圖3h所示。
在一個實施例中，用余弦變換獲得的余弦頻譜代替傅里葉頻譜，沿用上述實施例的方法解出原目標的余弦頻譜，最后通過逆余弦變換得到莫爾贗像減少、分辨率提高的圖像。
總之，雙倍率法的共同基本原理是，利用兩幀不同光學(xué)放大率下的混淆頻譜的位置矢量信息，解出未被混淆的原頻譜的位置矢量。
較嚴格地說，在實踐中，除了目標頻譜的零頻成分外，由于上述成像系統(tǒng)光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，還由于因FPA像元的有限大小所造成的面積積分抽樣影響，由抽樣圖像數(shù)據(jù)計算得到的上述G不是目標的頻譜，而是其像面上受到上述兩個因素調(diào)制后的抽樣前頻譜。為了得到較準確的重建圖像需要對上述G進行補償修正。具體地說，以一維情形為例，設(shè)光電成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)用T1(ξ)表示，像元有限大小所對應(yīng)的傳遞函數(shù)為T2(ξ)，讓T(ξ)＝T1(ξ)T2(ξ)表示抽樣前的總傳遞函數(shù)，則解得的頻譜G(ξ)與實際目標頻譜G0(ξ)的關(guān)系為G(ξ)＝T1(ξ)T2(ξ)G0(ξ)＝T(ξ)G0(ξ)，因此有G0(ξ)＝G(ξ)/T(ξ) (5)式(5)很容易推廣到二維情形G0(ξ，η)＝G(ξ，η)/T(ξ，η) (6)對微變焦重建進行修正時，只需用式(5)或(6)中的G0代替式(1)、(2)中的G；對雙倍率重建進行修正時，式(3)、(4)不需改變，但在對各號頻譜賦值時，可采用G0的值得到更精確的結(jié)果。
在閱讀了上面對本發(fā)明的微變焦法和雙倍率法的進一步詳細說明的基礎(chǔ)上，熟悉有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的人們不難根據(jù)前面對本發(fā)明微變焦裝置和雙倍率裝置的描述，利用現(xiàn)有技術(shù)構(gòu)筑出各種形式的能實現(xiàn)本發(fā)明微變焦法和雙倍率法的裝置。
前面借助于一些實施例說明了本發(fā)明提高圖像分辨率的方法與裝置。提供這些實施例的目的僅是為了說明，而不是為了限定本發(fā)明的范疇。本發(fā)明的精神和范疇由后附權(quán)利要求書定義。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人們在不偏離本發(fā)明精神和范疇的情況下，對這些實施例做出的各種修改和變化也應(yīng)該認為被本發(fā)明所涵括。
權(quán)利要求
1.用于提高成像系統(tǒng)FPA(焦平面陣列)等效奈奎斯特帶寬的微變焦法，該方法包括以下步驟利用一個光學(xué)放大率可改變的光學(xué)系統(tǒng)將一個一維或二維目標成像到FPA上形成相應(yīng)的目標圖像，F(xiàn)PA將目標圖像轉(zhuǎn)換成一個代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像的電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；稍微改變光學(xué)放大率若干減一次，分別重復(fù)上述步驟，總共得到同一目標在不同抽樣頻率下的若干幀抽樣圖像；然后利用這若干幀抽樣圖像重建出混淆減少、等效奈奎斯特擴展及分辨率提高的圖像，其中改變光學(xué)放大率的步驟可以采用以下三種方法中的任何一種一是使用固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的微變焦法，其中稍微改變光學(xué)放大率若干減一次的步驟包括光學(xué)放大率改變次數(shù)至少等于微變焦級數(shù)減一(一維)或微變焦級數(shù)的平方減一(二維)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的微變焦法，其中若干幀抽樣圖像中的每一幀抽樣圖像都被模數(shù)轉(zhuǎn)換成一個相應(yīng)的圖像樣本矩陣；并且其中利用若干幀不同抽樣頻率的抽樣圖像重建出混淆減少、奈奎斯特帶寬擴展及分辨率提高的圖像的重建步驟包括對模數(shù)轉(zhuǎn)換成的各幀圖像樣本矩陣進行傅里葉變換或余弦變換得到相應(yīng)頻譜，然后通過遞推公式或最小二乘法聯(lián)立方程求解等數(shù)學(xué)方法解出原目標頻譜，最后通過逆傅里葉變換或逆余弦變換得到分辨率提高的圖像；或者對各幀圖像樣本矩陣進行與上述頻域處理相對應(yīng)的空域處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的微變焦法，其中FPA包括CCD(電荷耦合器件)、光敏二極管陣列和其他光電探測器陣列，并且這些器件的工作波段可以是紅外、可見光、紫外波段或它們的結(jié)合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項的微變焦法，其中利用已知的或測得的光學(xué)系統(tǒng)和FPA的光學(xué)傳遞函數(shù)來補償由FPA探測到的抽樣圖像所受到上述兩個光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，或者，這一補償也可以在其后任何適當(dāng)?shù)牟襟E中進行。
6.用于實現(xiàn)微變焦法的微變焦裝置，該裝置包括用于將目標成像到FPA面上形成目標圖像且能夠稍微改變光學(xué)放大率的光學(xué)系統(tǒng)；用于對目標圖像進行抽樣的FPA，其中FPA位于像面并能將目標圖像的光強分布轉(zhuǎn)換成一個代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像的電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；以及用于根據(jù)FPA輸出的兩幀或多幀代表具有不同抽樣頻率的抽樣圖像重建成一幀混淆減少、奈奎斯特帶寬擴展及分辨率提高的圖像的微變焦重建裝置，其中改變光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)放大率的方式可以是以下三種方式中的任何一種一是光學(xué)系統(tǒng)的焦距固定，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的微變焦裝置，其中的微變焦重建裝置包括用于將每幀抽樣圖像轉(zhuǎn)換成一個相應(yīng)圖像樣本矩陣的模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置；以及用于實施 3所述微變焦重建步驟的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7的微變焦裝置，其中還包括用于利用已知的或測得的光學(xué)系統(tǒng)和FPA的光學(xué)傳遞函數(shù)來補償由FPA探測到的抽樣圖像所受到上述兩個光學(xué)傳遞函數(shù)的影響的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項的微變焦裝置，其中的重建步驟和/或補償算法可以通過軟件實施，也可以通過硬件實施，還可以通過軟、硬件結(jié)合來實施。
10.用于當(dāng)含F(xiàn)PA的光電成像系統(tǒng)在對周期性目標成像時減少莫爾贗像、擴展等效奈奎斯特帶寬和提高分辨率的雙倍率法，該方法包括以下步驟利用一個一個至少可改變一次光學(xué)放大率的光學(xué)系統(tǒng)將一個一維或二維周期性目標成像到FPA上，F(xiàn)PA將目標圖像轉(zhuǎn)換成代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；然后改變光學(xué)放大率，重復(fù)上述步驟，共得到同一目標在兩個抽樣頻率下的兩幀抽樣圖像；最后利用這兩幀抽樣圖像通過頻域處理重建出消除了莫爾贗像、NBW擴展及分辨率提高的圖像，其中改變光學(xué)放大率的步驟可以采用以下三種方法中的任何一種一是使用固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的雙倍率法，其中FPA包括CCD、光敏二極管陣列和其他光電探測器陣列，并且這些器件的工作波段可以是紅外、可見光、紫外波段或它們的結(jié)合。
12.根據(jù)權(quán)利要求10至11中任一項的雙倍率法，其中利用兩幀抽樣圖像通過頻域處理重建出一幀消除了莫爾贗像和奈奎斯特帶寬擴展、分辨率提高的圖像的步驟包括分別將兩幀抽樣圖像模數(shù)轉(zhuǎn)換成兩個具有不同抽樣頻率的圖像樣本矩陣；分別對這兩個圖像樣本矩陣進行傅里葉變換或余弦變換，得到兩組離散頻譜，舍去能量或模值接近噪聲水平或較小的頻譜成分，并使兩組離散頻譜有相同數(shù)目的頻譜成分；按照各個頻譜成分的能量或模值大小自大到小或自小到大地順次編號；將兩組經(jīng)編號的頻率位置矢量放在同一頻率坐標系中，通過對每一對頻譜成分的頻率位置矢量的分析，求出原目標各頻譜成分的頻率位置矢量，并賦予相應(yīng)的編號；將任一組頻譜成分的值賦予對應(yīng)編號的原目標頻譜成分；以及，對原目標頻譜進行逆傅里葉變換或逆余弦變換得到莫爾贗像消除(或減少)、分辨率提高、主要周期特征恢復(fù)的目標像。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的雙倍率法，其中通過對每一對各對頻率成分的頻率位置矢量的分析求出原目標各頻譜成分的頻率位置矢量的步驟進一步包括對于任一個編號，找出兩組頻率位置矢量中具有該編號且矢量端點重合的一對矢量，從頻率坐標系原點到這對矢量的重合端點所構(gòu)成的矢量即是原目標一個相應(yīng)頻譜成分的頻率位置矢量；把該編號賦予該矢量；對另外的編號逐個地重復(fù)上述操作，直到完成對所有編號的操作，得到原目標中所有可得到的頻率位置矢量。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的雙倍率法，其中通過對每一對頻率成分的頻率位置矢量的分析求出原目標各頻譜成分的頻率位置矢量的步驟進一步包括對兩組頻率位置矢量中每個矢量的端點位置(頻率)賦以一個非零值(例如1)，對其余位置賦予零值，分別得到兩組數(shù)字矩陣；將這兩組矩陣中具有相同位置的元素一一對應(yīng)地相乘，得到一個新矩陣；新矩陣中不為零(例如等于1)的元素的位置(頻率)即代表原目標各頻譜成分的頻率矢量位置。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至13中的任一項的雙倍率法，其中還利用已知的或測得的光學(xué)系統(tǒng)和FPA的光學(xué)傳遞函數(shù)來補償由FPA探測到的抽樣圖像所受到上述兩個光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，或者，這一補償也可以在其后任何適當(dāng)?shù)牟襟E中進行。
16.用于實現(xiàn)雙倍率法的雙倍率裝置，該裝置包括用于將目標成像到像面且至少可改變一次光學(xué)放大率的光學(xué)系統(tǒng)；用于對像面上目標圖像進行抽樣的FPA，其中FPA位于像面且能將目標圖像的光強轉(zhuǎn)換成一個代表以一定抽樣頻率抽樣的目標圖像的電信號，構(gòu)成一幀抽樣圖像；以及，用于根據(jù)FPA輸出的兩幀具有不同抽樣頻率的抽樣圖像通過頻域處理解出一幀莫爾條紋消除、等效奈奎斯特帶寬擴展、分辨率提高的圖像的雙倍率重建裝置，其中光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)放大率的方法可以采用以下三種方法中的任何一種一是使用固定焦距的光學(xué)系統(tǒng)，沿著光軸改變目標與光學(xué)系統(tǒng)的相對位置——物距，并調(diào)整相應(yīng)的像距聚焦成像，或者依照改變的像距再來調(diào)整物距，總之是焦距不變，通過改變像、物距來達到目的；二是采用可變焦距光學(xué)系統(tǒng)，如變焦物鏡，選擇不同焦距調(diào)焦成像，即可得到不同光學(xué)放大率；三是變焦、調(diào)整物距和像距結(jié)合進行。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的雙倍率裝置，其中的雙倍率重建裝置包括用于實現(xiàn)權(quán)利要求12所述利用兩幀抽樣圖像通過頻域處理重建出一幀消除了莫爾贗像和奈奎斯特帶寬擴展、分辨率提高的圖像的步驟所需的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17的雙倍率裝置，其中的雙倍率重建裝置包括用于實現(xiàn)權(quán)利要求13所述的對每一對頻率成分的頻率位置矢量的分析求出原目標各頻譜成分的頻率位置矢量的步驟所需的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求16或17的雙倍率裝置，其中的雙倍率重建裝置包括用于實現(xiàn)權(quán)利要求14所述對每一對頻率成分的頻率位置矢量的分析求出原目標各頻譜成分的頻率位置矢量的步驟所需的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求16至19中任一項的雙倍率裝置，其中還包括用于實現(xiàn)權(quán)利要求15所述對抽樣圖像所受光學(xué)系統(tǒng)和FPA的光學(xué)傳遞函數(shù)的影響進行補償?shù)难b置。
21.根據(jù)權(quán)利要求16至20中任一項的雙倍率裝置，其中的頻域處理和/或補償算法可以通過軟件實施，也可以通過硬件實施，還可以通過軟、硬件結(jié)合來實施。
全文摘要
本發(fā)明提出提高含焦平面陣列(FPA)光電成像系統(tǒng)分辨率的微變焦以及雙倍率方法與裝置。兩者均利用放大率可變的光學(xué)系統(tǒng)將目標成像到FPA上,并通過改變放大率得到同一目標在不同等效抽樣間距下的兩幀或更多幀抽樣圖像,最后通過這些抽樣圖像重建出提高了分辨率的圖像。但兩者的適用范圍、需要的抽樣圖像幀數(shù)以及重建方法都不同:對于二維目標,微變焦適用于任何目標、需4幀抽樣圖像;雙倍率適用于周期性目標、需2幀抽樣圖像。
文檔編號H04N5/30GK1330488SQ0010923
公開日2002年1月9日 申請日期2000年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月19日
發(fā)明者張海濤, 趙達尊 申請人:張海濤, 趙達尊