一種tdi ccd焦平面編碼超分辨率成像裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于TDI?CCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置，所述裝置包括離軸三反光學(xué)系統(tǒng)、TDI?CCD耦合編碼模板、光學(xué)TDI?CCD探測(cè)器和圖像重構(gòu)模塊；本發(fā)明還公開了一種基于TDI?CCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像方法，包括設(shè)置光學(xué)TDI?CCD探測(cè)器焦平面陣列、設(shè)置TDI?CCD耦合編碼模板、獲取四幅同一場(chǎng)景的低分辨率編碼圖像陣列、圖像預(yù)處理及超分辨率圖像重構(gòu)五個(gè)步驟。本發(fā)明可捕獲到目標(biāo)場(chǎng)景更多信息，提高超分辨率成像能力，提高采樣頻率，減少混淆效應(yīng)。
【專利說明】—種TDI CCD焦平面編碼超分辨率成像裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超分辨率圖像成像【技術(shù)領(lǐng)域】中的圖像采集與重構(gòu)，具體是一種基于TDI CXD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置及方法，屬于圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]超分辨率光學(xué)成像在各個(gè)領(lǐng)域，如空間遙感、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等有重大需求。盡管光學(xué)成像技術(shù)已取得了巨大的進(jìn)步，然而受探測(cè)器制作工藝、工作條件、功耗成本等因素的限制，目前常用的光學(xué)探測(cè)器陣列規(guī)模較小、像元尺寸較大，不足以應(yīng)對(duì)人們不斷增長(zhǎng)的成像分辨率需求。
[0003]現(xiàn)有的超分辨成像方法主要包括傳統(tǒng)的微掃描技術(shù)和亞像元拼接技術(shù)。微掃描可被視為一個(gè)過采樣過程，控制掃描裝置使得系統(tǒng)所成的像在橫、縱坐標(biāo)方向上產(chǎn)生1/N像素的位移，得到NXN幀欠采樣圖像，然后運(yùn)用圖像處理將多幅亞像素位移圖像依照采樣方式融合成一幅圖像，實(shí)現(xiàn)提高分辨率的目的。亞像元拼接是用一臺(tái)相機(jī)對(duì)同一地物目標(biāo)成幾組像，使得構(gòu)成在線陣方向相距1/2像元的圖像和垂直線陣方向相距1/2像元的圖像。利用兩組圖像間相差1/2個(gè)像元的性質(zhì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖像融合，可以將圖像空間分辨率提高。微掃描技術(shù)和亞像元拼接技術(shù)總體來說都是將CCD陣列上互相錯(cuò)位不足一個(gè)像元距離的多幀欠采樣圖像，利用計(jì)算機(jī)圖像處理獲得高分辨率原始場(chǎng)景。
[0004]傳統(tǒng)的超分辨率成像技術(shù)，無論是微掃描還是亞像元技術(shù)，都是間接地提高系統(tǒng)的采樣率，增加最終的采樣數(shù)，但是這些技術(shù)均未使CCD本身的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，采樣頻率依舊低于Nyquist頻率，即獲得的圖像陣列還包括大量模糊混淆現(xiàn)象，在通過圖像處理算法進(jìn)行圖像重建時(shí)，只是在某種意義上提高了數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)并未真正捕獲到場(chǎng)景的某種高頻信息，所以不會(huì)因提高采樣頻率而抑制頻率混淆實(shí)現(xiàn)圖像精確重構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種TDI CXD焦平面編碼超分辨率成像裝置及方法，該裝置和方法可捕獲到目標(biāo)場(chǎng)景更多信息，提高超分辨率成像能力，提高采樣頻率，減少混淆效應(yīng)。
[0006]本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:一種基于TDI CXD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置，所述裝置包括離軸三反光學(xué)系統(tǒng)、TDI C⑶耦合編碼編碼模板、光學(xué)TDICXD探測(cè)器和圖像重構(gòu)模塊；
[0007]所述的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，用于控制觀測(cè)場(chǎng)景的入射光線，并使光線到達(dá)所述的TDI CXD耦合編碼模板進(jìn)行空域調(diào)制；
[0008]所述的TDI CXD耦合編碼模板，用于對(duì)進(jìn)入離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的光線進(jìn)行空域調(diào)制，并使光線到達(dá)所述的光學(xué)TDI CCD探測(cè)器陣列進(jìn)行低分辨率成像；
[0009]所述的光學(xué)TDI CXD探測(cè)器，用于將TDI CXD耦合編碼模板空域調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；
[0010]所述的圖像重構(gòu)模塊，用于將所述的光學(xué)TDI CXD探測(cè)器轉(zhuǎn)化獲得的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并采用像素重排方法，對(duì)濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)，最終獲得超分辨率光學(xué)圖像。
[0011]所述光學(xué)系統(tǒng)采用離軸三反設(shè)計(jì)，所述光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)場(chǎng)景的入射光線通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)主鏡，經(jīng)主鏡反射后到達(dá)次鏡，再經(jīng)次鏡反射到達(dá)三鏡，再經(jīng)次鏡反射達(dá)到三鏡，緊貼TDI C⑶對(duì)準(zhǔn)放置一個(gè)設(shè)計(jì)好的編碼模板，使得光線經(jīng)由TDI CXD耦合編碼模板調(diào)制后經(jīng)三鏡反射到達(dá)光學(xué)TDI CXD探測(cè)器陣列，最后通過圖像重構(gòu)獲得超分辨率光學(xué)圖像。
[0012]所述離軸三反光學(xué)系統(tǒng)不存在色差和二級(jí)光譜，適合寬譜段范圍的成像。
[0013]所述離軸三反光學(xué)系統(tǒng)既可以利用折轉(zhuǎn)反射鏡折疊光路縮短體積，容易實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，又可以使用非球面鏡來獲得長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)、大孔徑的組合，滿足空間應(yīng)用對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
[0014]一種基于TDI CXD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像方法，包括如下步驟:
[0015](I)設(shè)置光學(xué)TDI CXD探測(cè)器焦平面陣列:
[0016]將4個(gè)積分級(jí)數(shù)為16的線陣TDI CXD順序拼接為一個(gè)焦平面陣列，得到設(shè)置好的光學(xué)TDI CXD探測(cè)器焦平面陣列；
[0017](2)設(shè)置TDI CXD耦合編碼模板:
[0018]2a)在空間光調(diào)制器的工作區(qū)域模板上，按水平和垂直方向依次劃分出與光學(xué)TDIC⑶探測(cè)器水平和垂直方向像元數(shù)目相等的正方向區(qū)域，該正方形區(qū)域與光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器單個(gè)像元尺寸相同；
[0019]2b)在光學(xué)探測(cè)器線陣方向上將正方形區(qū)域自上至下等分為4個(gè)等寬等高的小長(zhǎng)方形，第一個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第一部分通光，第二個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第二部分通光，第三個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板第三部分通光，第四個(gè)16級(jí)TDI CCD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第四部分通光，得到設(shè)置好的TDI CXD耦合編碼模板；
[0020](3)獲取四幅同一場(chǎng)景的低分辨率編碼圖像陣列:
[0021 ] 3a)將步驟2b)中得到的TDI CXD耦合編碼模板放置在光學(xué)TDI CXD探測(cè)器前，緊貼光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器的焦平面陣列，TDI CXD耦合編碼模板上的所有正方形區(qū)域與焦平面陣列上的所有像元一一對(duì)準(zhǔn)；
[0022]3b)利用編碼測(cè)量方法，依次獲得同一場(chǎng)景的四幅低分辨率光學(xué)圖像；
[0023]在該步驟中，所述的編碼測(cè)量方法的具體步驟如下:
[0024]第一步，按下高分辨率成像系統(tǒng)的快門，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第一個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第一部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0025]第二步，第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第二個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第二部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0026]第三步，第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI C⑶耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第三個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第三部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第三幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0027]第四步，第三幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第四個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第四部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第四幅低分辨率光學(xué)編碼圖像。
[0028](4)圖像預(yù)處理:
[0029]通過中值濾波器，對(duì)獲得的四幅低分辨率光學(xué)編碼圖像進(jìn)行預(yù)處理，濾除其中的噪聲，獲得四幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0030](5)超分辨率圖像重構(gòu):
[0031]5a)創(chuàng)建目標(biāo)圖像矩陣，目標(biāo)圖像矩陣的行數(shù)等于4倍的低分辨率光學(xué)編碼圖像的行數(shù)，目標(biāo)圖像矩陣的列數(shù)等于低分辨率光學(xué)編碼圖像的列數(shù)；
[0032]5b)采用像素重排方法，對(duì)四幅濾除噪聲的光學(xué)編碼圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得超分辨率光學(xué)圖像。
[0033]在該步驟中的像素重排方法的具體步驟如下:
[0034]第一步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i_3行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-3行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0035]第二步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i_2行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-2行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0036]第三步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i_l行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-l行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0037]第四步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第4i行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0038]采用上述裝置和方法后，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，第一，由于本發(fā)明在光學(xué)TDI CXD探測(cè)器的焦平面陣列前加了 TDI CXD耦合編碼模板，利用TDI CXD耦合編碼模板對(duì)CXD像元交軌方向分辨率進(jìn)行細(xì)分，捕獲到目標(biāo)場(chǎng)景更多信息，克服了現(xiàn)有技術(shù)中難以通過減小像元尺寸或增大相機(jī)焦距的方式提高成像分辨率的不足，使得本發(fā)明具有了超分辨率成像能力。
[0039]第二，由于本發(fā)明采用像素重排法，利用多幅低分辨率圖像信息的相關(guān)互補(bǔ)特性，或低分辨率混疊圖像結(jié)合優(yōu)化重建，提高采樣頻率，減少混淆效應(yīng)，克服了傳統(tǒng)成像技術(shù)針對(duì)探測(cè)器低頻采樣對(duì)系統(tǒng)分辨率的局限性，獲得超分辨率光學(xué)圖像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1所示的是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0041]圖2所示的是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)光路圖；
[0042]圖3所示的是本發(fā)明的步驟圖；
[0043]圖4所示的是本發(fā)明中光學(xué)TDI CXD探測(cè)器焦平面陣列示意圖；
[0044]圖5所示的是本發(fā)明中探測(cè)器單個(gè)像元像素重排法示意圖；

【具體實(shí)施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地說明。
[0046]參照附圖1，本發(fā)明的裝置包括離軸三反光學(xué)系統(tǒng)、TDI CXD耦合編碼模板、光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器和圖像重構(gòu)模塊。
[0047]離軸三反光學(xué)系統(tǒng)用于控制觀測(cè)場(chǎng)景的入射光線，并使光線到達(dá)所述的TDI CXD耦合編碼模板進(jìn)行空域調(diào)制。
[0048]TDI CXD耦合編碼模板用于對(duì)進(jìn)入離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的光線進(jìn)行空域調(diào)制，并使光線到達(dá)光學(xué)TDI CXD探測(cè)器陣列進(jìn)行低分辨率成像。
[0049]光學(xué)TDI CXD探測(cè)器用于將TDI CXD耦合編碼模板空域調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。
[0050]圖像重構(gòu)模塊用于將光學(xué)TDI CXD探測(cè)器轉(zhuǎn)化獲得的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并采用像素重排方法，對(duì)濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)，最終獲得超分辨率光學(xué)圖像。
[0051]參考附圖2的光路圖，光學(xué)系統(tǒng)采用離軸三反設(shè)計(jì)。
[0052]在圖2中，I為轉(zhuǎn)動(dòng)反射鏡，2為主鏡，3為次鏡，4為三鏡，5為TDI C⑶耦合編碼模板，6為光學(xué)TDI CCD探測(cè)器。光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)場(chǎng)景的入射光線通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡I進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)主鏡2，經(jīng)主鏡2反射后到達(dá)次鏡3，再經(jīng)次鏡3反射到達(dá)三鏡4，緊貼TDI CXD對(duì)準(zhǔn)放置一個(gè)設(shè)計(jì)好的TDI CXD耦合編碼模板5，使得光線經(jīng)由TDI CXD耦合編碼模板5調(diào)制后經(jīng)三鏡4反射到達(dá)光學(xué)TDI CXD探測(cè)器陣列6。
[0053]參照附圖3，本發(fā)明的具體步驟如下:
[0054]步驟1:設(shè)置光學(xué)TDI CXD探測(cè)器焦平面陣列。
[0055]參考附圖4，將4個(gè)積分級(jí)數(shù)為16的線陣TDI CXD順序拼接為一個(gè)焦平面陣列，得到設(shè)置好的光學(xué)TDI CXD探測(cè)器焦平面陣列；
[0056]步驟2:設(shè)置TDI CXD耦合編碼模板。
[0057]在空間光調(diào)制器的工作區(qū)域模板上，按水平和垂直方向依次劃分出與光學(xué)TDIC⑶探測(cè)器水平和垂直方向像元數(shù)目相等的正方向區(qū)域，該正方形區(qū)域與光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器單個(gè)像元尺寸相同。
[0058]在光學(xué)TDI CXD探測(cè)器線陣方向上將正方形區(qū)域自上至下等分為4個(gè)等寬等高的小長(zhǎng)方形，第一個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第一部分通光，第二個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第二部分通光，第三個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板第三部分通過，第四個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第四部分通光，得到設(shè)置好的TDI C⑶耦合編碼模板。
[0059]本發(fā)明的實(shí)施例中，劃分的4個(gè)等寬等高小長(zhǎng)方形區(qū)域尺寸均為光學(xué)探測(cè)器單個(gè)像元尺寸的1/4，通過在像元前放置TDI CXD耦合編碼模板，對(duì)像元部分區(qū)域進(jìn)行遮擋，使單個(gè)像元探測(cè)到的成像區(qū)域小于一個(gè)像元尺寸，從而獲得亞像素級(jí)別的信息。
[0060]步驟3:獲取四幅同一場(chǎng)景的低分辨率編碼圖像陣列。
[0061]將TDI C⑶耦合編碼模板放置在光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器前，緊貼光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器的焦平面陣列，TDI CCD耦合編碼模板上的所有正方形區(qū)域與焦平面陣列上的所有像元——對(duì)準(zhǔn)；
[0062]利用編碼測(cè)量方法，依次獲得同一場(chǎng)景的四幅低分辨率光學(xué)圖像；
[0063]所述的基于線陣TDI CCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像方法的具體步驟如下:
[0064]第一步，按下高分辨率成像系統(tǒng)的快門，TDI C⑶耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過TDI CCD耦合編碼模板透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0065]本發(fā)明的實(shí)施例中，僅讓經(jīng)過第一個(gè)16級(jí)TDI C⑶線陣每個(gè)像元編碼模塊的第一部分透光區(qū)域的光通過，在焦平面陣列上記錄第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像。
[0066]第二步，第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過TDI CXD耦合編碼模板透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0067]本發(fā)明的實(shí)施例中，僅讓經(jīng)過第二個(gè)16級(jí)TDI C⑶線陣每個(gè)像元編碼模塊的第二部分透光區(qū)域的光通過，在焦平面陣列上記錄第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像。
[0068]第三步，第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過TDI CXD耦合編碼模板透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第三幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0069]本發(fā)明的實(shí)施例中，僅讓經(jīng)過第三個(gè)16級(jí)TDI C⑶線陣每個(gè)像元編碼模塊的第三部分透光區(qū)域的光通過，在焦平面陣列上記錄第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像。
[0070]第四步，第三幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過TDI CXD耦合編碼模板透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第四幅低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0071]本發(fā)明的實(shí)施例中，僅讓經(jīng)過第四個(gè)16級(jí)TDI C⑶線陣每個(gè)像元編碼模塊的第四部分透光區(qū)域的光通過，在焦平面陣列上記錄第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像。
[0072]步驟4:圖像預(yù)處理:
[0073]通過中值濾波器，對(duì)獲得的四幅低分辨率光學(xué)編碼圖像進(jìn)行預(yù)處理，濾除其中的噪聲，獲得四幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像；
[0074]步驟5:超分辨率圖像重構(gòu):
[0075]創(chuàng)建目標(biāo)圖像矩陣，目標(biāo)圖像矩陣的行數(shù)等于4倍的低分辨率光學(xué)編碼圖像的行數(shù)，目標(biāo)圖像矩陣的列數(shù)等于低分辨率光學(xué)編碼圖像的列數(shù)；
[0076]采用像素重排方法，對(duì)四幅濾除噪聲的光學(xué)編碼圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得超分辨率光學(xué)圖像。
[0077]所述的像素重排法的具體步驟如下:
[0078]第一步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i_3行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第4i_3行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0079]第二步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i_2行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-2行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0080]第三步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i_l行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-l行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0081]第四步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第4i行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
[0082]參照附圖3，對(duì)本發(fā)明的TDI CXD焦平面編碼模板，以及相對(duì)于傳統(tǒng)成像方法獲得的性能提升更加直觀地描述如下。將4個(gè)積分級(jí)數(shù)為16的線陣TDI CCD順序拼接為一個(gè)焦平面陣列，設(shè)計(jì)的TDI CXD耦合編碼模板在交軌方法上將每個(gè)像元自上至下等分為4份，第一個(gè)TDI CXD線陣每個(gè)像元的第一部分通光，第二個(gè)TDI CXD線陣每個(gè)像元的第二部分通光，第三個(gè)TDI C⑶每個(gè)像元的第三部分通光，第四個(gè)16級(jí)TDI C⑶每個(gè)像元的第四部分通光，積分時(shí)間相當(dāng)于積分級(jí)數(shù)為64的線陣TDI C⑶所需的積分時(shí)間。經(jīng)過64級(jí)TDICCD所需的探測(cè)時(shí)間后，光學(xué)TDI CCD探測(cè)器將依次獲得同一場(chǎng)景的四幅低分辨率圖像，利用圖像處理融合四幅低分辨率圖像最高可使探測(cè)分辨率提高4倍。
[0083]參考附圖5，對(duì)本發(fā)明的探測(cè)器單個(gè)像元像素重排法，更加形象直觀地描述如下。將探測(cè)器上單個(gè)像元獲得的低分辨率光學(xué)圖像的像素值順序排列在目標(biāo)圖像矩陣中，得到單個(gè)像元的重構(gòu)圖像矩陣。在圖5(a)表示第一個(gè)TDI C⑶焦平面陣列單個(gè)像元編碼獲得的圖像，記錄了焦平面像元最上面區(qū)域的信息，在圖5(b)表示第二個(gè)TDI C⑶焦平面陣列單個(gè)像元編碼獲得的圖像，記錄了焦平面像元第二區(qū)域的信息，在圖5(c)表示第三個(gè)TDICCD焦平面陣列單個(gè)像元編碼獲得的圖像，記錄了焦平面像元第三區(qū)域的信息，在圖5(d)表示第四個(gè)TDI CCD焦平面陣列單個(gè)像元編碼獲得的圖像，表示了焦平面像元最下面區(qū)域的信息，在圖5(e)為單個(gè)像元對(duì)應(yīng)的超分辨率重構(gòu)獲得的超分辨率圖像重構(gòu)矩陣，焦平面陣列上所有像元的圖像重構(gòu)方法相同。
【權(quán)利要求】
1.一種基于TDI C⑶焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置，其特征在于，所述裝置包括離軸三反光學(xué)系統(tǒng)、TDI CXD耦合編碼模板、光學(xué)TDI CXD探測(cè)器和圖像重構(gòu)模塊； 所述的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，用于控制觀測(cè)場(chǎng)景的入射光線，并使光線到達(dá)所述的TDICCD耦合編碼模板進(jìn)行空域調(diào)制； 所述的TDI CCD耦合編碼模板，用于對(duì)進(jìn)入離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的光線進(jìn)行空域調(diào)制，并使光線到達(dá)所述的光學(xué)TDI CCD探測(cè)器陣列進(jìn)行低分辨率成像； 所述的光學(xué)TDI CCD探測(cè)器，用于將TDI CCD耦合編碼模板空域調(diào)制后的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)； 所述的圖像重構(gòu)模塊，用于將所述的光學(xué)TDI CCD探測(cè)器轉(zhuǎn)化獲得的電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，并采用像素重排方法，對(duì)濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)，最終獲得超分辨率光學(xué)圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣TDICCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置，其特征在于，所述光學(xué)系統(tǒng)采用離軸三反設(shè)計(jì)，所述光學(xué)系統(tǒng)觀測(cè)場(chǎng)景的入射光線通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)主鏡，經(jīng)主鏡反射后到達(dá)次鏡，再經(jīng)次鏡反射到達(dá)三鏡，再經(jīng)次鏡反射達(dá)到三鏡，緊貼TDI C⑶對(duì)準(zhǔn)放置一個(gè)設(shè)計(jì)好的編碼模板，使得光線經(jīng)由TDI C⑶耦合編碼模板調(diào)制后經(jīng)三鏡反射到達(dá)光學(xué)TDI CXD探測(cè)器陣列，最后通過圖像重構(gòu)獲得超分辨率光學(xué)圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣TDICCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置，其特征在于，所述離軸三反光學(xué)系統(tǒng)不存在色差和二級(jí)光譜，適合寬譜段范圍的成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線陣TDICCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像裝置，其特征在于，所述離軸三反光學(xué)系統(tǒng)既可以利用折轉(zhuǎn)反射鏡折疊光路縮短體積，容易實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，又可以使用非球面鏡來獲得長(zhǎng)焦距、大視場(chǎng)、大孔徑的組合，滿足空間應(yīng)用對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
5.一種基于TDI CCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)設(shè)置光學(xué)TDICXD探測(cè)器焦平面陣列: 將4個(gè)積分級(jí)數(shù)為16的線陣TDI CCD順序拼接為一個(gè)焦平面陣列，得到設(shè)置好的光學(xué)TDI CXD探測(cè)器焦平面陣列； (2)設(shè)置TDICXD耦合編碼模板: 2a)在空間光調(diào)制器的工作區(qū)域模板上，按水平和垂直方向依次劃分出與光學(xué)TDI CXD探測(cè)器水平和垂直方向像元數(shù)目相等的正方向區(qū)域，該正方形區(qū)域與光學(xué)TDI CXD探測(cè)器單個(gè)像元尺寸相同； 2b)在光學(xué)探測(cè)器線陣方向上將正方形區(qū)域自上至下等分為4個(gè)等寬等高的小長(zhǎng)方形，第一個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第一部分通光，第二個(gè)16級(jí)TDICXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第二部分通光，第三個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板第三部分通光，第四個(gè)16級(jí)TDI CCD線陣所有像元對(duì)應(yīng)的編碼模板的第四部分通光，得到設(shè)置好的TDI C⑶耦合編碼模板； (3)獲取四幅同一場(chǎng)景的低分辨率編碼圖像陣列: 3a)將步驟2b)中得到的TDI C⑶耦合編碼模板放置在光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器前，緊貼光學(xué)TDI C⑶探測(cè)器的焦平面陣列，TDI C⑶耦合編碼模板上的所有正方形區(qū)域與焦平面陣列上的所有像兀 對(duì)準(zhǔn)； 3b)利用編碼測(cè)量方法，依次獲得同一場(chǎng)景的四幅低分辨率光學(xué)圖像； (4)圖像預(yù)處理: 通過中值濾波器，對(duì)獲得的四幅低分辨率光學(xué)編碼圖像進(jìn)行預(yù)處理，濾除其中的噪聲，獲得四幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像； (5)超分辨率圖像重構(gòu): 5a)創(chuàng)建目標(biāo)圖像矩陣，目標(biāo)圖像矩陣的行數(shù)等于4倍的低分辨率光學(xué)編碼圖像的行數(shù)，目標(biāo)圖像矩陣的列數(shù)等于低分辨率光學(xué)編碼圖像的列數(shù)； 5b)采用像素重排方法，對(duì)四幅濾除噪聲的光學(xué)編碼圖像進(jìn)行圖像重構(gòu)，獲得超分辨率光學(xué)圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣TDICCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像方法，其特征在于，步驟3b)中所述的編碼測(cè)量方法的具體步驟如下: 第一步，按下高分辨率成像系統(tǒng)的快門，TDI CCD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第一個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第一部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像； 第二步，第一幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第二個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第二部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像； 第三步，第二幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CXD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第三個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第三部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第三幅低分辨率光學(xué)編碼圖像； 第四步，第三幅低分辨率光學(xué)編碼圖像記錄完成后，TDI CCD耦合編碼模塊對(duì)進(jìn)入推掃成像系統(tǒng)的光束進(jìn)行空域調(diào)制，僅讓經(jīng)過第四個(gè)16級(jí)TDI CXD線陣每個(gè)像元編碼模塊的第四部分透光區(qū)域的光通過，阻擋其他部分，在焦平面陣列上記錄第四幅低分辨率光學(xué)編碼圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線陣TDICCD焦平面編碼的超分辨率光學(xué)成像方法，其特征在于，步驟5b)中所述的像素重排方法的具體步驟如下: 第一步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第41-3行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-3行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)； 第二步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第41-2行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-2行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)； 第三步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第41-l行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第41-l行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)； 第四步，將第一幅濾除噪聲的低分辨率光學(xué)編碼圖像第4i行第j列的像素值，賦值給目標(biāo)圖像矩陣第4i行第j列的元素，i的取值為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像行數(shù)的正整數(shù)，j的取值范圍為I到低分辨率光學(xué)編碼圖像列數(shù)的正整數(shù)。
【文檔編號(hào)】H04N5/369GK104168430SQ201410406429
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】王曉蕊, 董凱旋, 袁影, 劉朝樞, 吳穎霞, 王小兵, 袁宏學(xué) 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)