一种图像稳定的超分辨率成像系统及方法技术方案

本发明专利技术是一种图像稳定的超分辨率成像系统及方法，其包括在被观测的目标光束的传播路径的成像光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、成像镜头组和成像相机，超分辨率图像合成单元的输入端与成像相机的输出端连接，超分辨率图像合成单元，用于将接收成像相机传送的多幅欠采样图像合成为超分辨率图像；在被观测的目标光束的传播路径的探测光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、探测镜头组和探测相机，探测相机的输出端与计算控制单元的输入端连接，摆镜驱动器的输入端与计算控制单元的输出端连接，摆镜驱动器的输出端与摆镜的驱动端连接，摆镜驱动器，用于将计算控制单元发送的电压模拟量放大成摆镜驱动电压模拟量输出到摆镜。

【技术实现步骤摘要】
一种图像稳定的超分辨率成像系统及方法
本专利技术属于高分辨率成像领域，具体地说，它涉及一种图像稳定的超分辨率成像系统与方法。
技术介绍
光电成像是人类获取可见光红外多光谱图像信息的重要技术手段，广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。光电成像系统的分辨率一般指图像通过系统后可分辨的最小细节，是表征系统探测能力的重要技术指标，影响该指标的因素主要有成像透镜的孔径尺寸和图像传感器的几何参数等。受物理条件限制，人们获得图像的分辨率较低，而这些低分辨率图像不能很好地满足实际需要，尤其是在航天、遥感、军事侦察等领域，于是人们希望利用多幅低分辨率图像之间存在的像素内位移含有原始高分辨率图像的信息来重建超分辨率图像。目前的超分辨重建技术包括微扫描和亚像元技术两种实现方式。微扫描可以看作是一个过采样过程，它利用微扫描装置将光学系统所成的图像在水平和垂直方向进行亚像素位移，得到多帧欠抽样图像，并运用数字图像处理器将这些图像按照获得图像的方式和顺序进行交叉重建成一帧图像，从而达到最终实现提高分辨率的目的。二级微扫描技术是用四幅欠采样图像合成一幅高分辨率图像，如图1所示，其中1、2、3、4分别表示按二级微扫描顺序获得的四幅欠采样图像的顺序号，最终合成的高分辨率图像是这四幅欠采样图像像素融合的结果，所含的像素增加了四倍。亚像元技术是通过把采样式成像系统常规焦平面上的一排探测器线阵列改成在线阵方向和垂直线阵方向上错位排列若干探测器线阵列，在线阵列方向上通过错位、在垂直线阵方向上通过提高或不提高时间采样频率的手段来提高物方空间分辨率的一种方法。总体说来微扫描和亚像元技术两种实现方式都是将相机连续采集到的互相错位不足一个像元距离的一序列离散图像，通过之后的数字软件融合技术合成为一张高分辨率的图像。在实际的航天、遥感、军事侦察等领域应用中，采用阵列排布多个探测器的亚像元技术实现超分辨率重建增加了项目的经济成本，且探测器与探测器间隙的存在产生了欠采样噪声，使系统得到的图像并不能完全再现被观察的场景。采用微扫描技术实现超分辨率重建可有效地减少了欠采样噪声，提高了系统分辨率，改善了成像质量。实现微扫描技术的形式多种多样，按驱动方式的不同大致可以分为电机驱动和压电陶瓷驱动两类。这两类微扫描都是通过控制光学系统中的光学元件转动、改变其光学面的法线方向从而使光学系统像面上的被观测场景图像产生微小移动。然而不论哪类微扫描技术都不能克服系统平台姿态控制的残余抖动所导致的探测器采样积分时间内的图像抖动，即系统平台抖动直接影响微扫描获得的一系列欠采样图像序列的分辨率，进而影响被观测视场的超分辨重建。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为提高航天、遥感、军事侦察等领域的空间光电系统的分辨率，克服系统平台姿态控制的残余抖动对单幅欠采样图像分辨率的影响，将一系列图像稳定的欠采样图像合成为一幅超分辨率图像，本专利技术提出了一种即可稳定单幅图像又可实现超分辨率成像的灵活多用的超分辨率成像系统及方法。(二)技术方案本专利技术的第一方面，提供一种图像稳定的超分辨率成像系统，该系统含有成像光路和探测光路，所述包括成像光学元件组、分光镜、探测镜头组、探测相机、计算控制单元、摆镜驱动器、摆镜、成像镜头组、成像相机、超分辨率图像合成单元，其中：被观测的目标光束的第一传播路径为在成像光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、成像镜头组和成像相机，超分辨率图像合成单元的输入端与成像相机的输出端连接；来自于被观测的目标光束入射到成像光学元件组后再入射到摆镜，经摆镜反射面反射后入射到分光镜，目标光束中的一部分光能量经分光镜透射到成像镜头组并形成目标像面，成像相机位于目标像面上，成像相机，用于对接收的入射光信号进行光电转换形成并以无线或有线形式传输的多幅欠采样图像，超分辨率图像合成单元，用于将接收的多幅欠采样图像合成为超分辨率图像；被观测的目标光束的第二传播路径为在探测光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、探测镜头组和探测相机，探测相机的输出端与计算控制单元的输入端连接，摆镜驱动器的输入端与计算控制单元的输出端连接，摆镜驱动器的输出端与摆镜的驱动端连接，来自于被观测的目标光束入射到成像光学元件组后再入射到摆镜，经摆镜反射面反射后入射到分光镜，目标光束中的另一部分光能量经分光镜反射到探测镜头组并形成探测像面，探测相机位于探测像面上；入射到探测相机上的光信号经光电转换后形成并传输探测窗口图像，计算控制单元将接收的探测窗口图像进行计算生成并输出摆镜的位置控制电压模拟量；摆镜驱动器，用于将接收的摆镜的位置控制电压模拟量放大成摆镜驱动电压模拟量输出到摆镜。本专利技术的第二方面，提供一种图像稳定的超分辨率成像方法，该方法采用本专利技术图像稳定的超分辨率成像系统实现的步骤如下：步骤S1:对图像稳像的超分辨率系统初始化，进入图像稳定超分辨率成像工作模式；步骤S2:探测相机对目标场景成像，获得探测窗口图像；步骤S3:计算控制单元存储第一次获得的探测窗口图像作为参考图像，并对当前探测窗口图像与参考图像进行互相关函数计算得到相关峰值的位置，即得到探测窗口图像在探测像面上的偏移量，再根据探测光路与成像光路之间的几何光学关系，获得目标像面图像偏移量；计算目标像面图像偏移量与目标像面图像偏移量的设定值之间的偏差；步骤S4:计算控制单元再将目标像面图像偏移量偏差转换为成像光路中摆镜转动的位置控制量；步骤S5:摆镜驱动器根据位置控制量驱动成像光路中的摆镜偏转；重复步骤S2～步骤S4，直至成像相机完成一次图像稳定的欠采样图像成像；步骤S6:判断成像相机是否完成所有欠采样图像成像，如果没有完成所有欠采样图像成像，则执行步骤S7，如果已经完成所有欠采样图像成像，则执行步骤S8；步骤S7:设置下一次成像相机成像时的目标像面图像偏移量的设定值，执行步骤S2；步骤S8:超分辨率图像合成单元对得到的多幅欠采样图像进行图像配准，计算欠采样图像之间的偏移量；步骤S9:超分辨率图像合成单元根据欠采样图像之间的偏移量，采用图像融合复原方法由多幅欠采样图像得到一幅目标的超分辨率图像。(三)有益效果本专利技术与现有技术相比的优点如下：(1)本专利技术得到的超分辨率图像比现有技术得到的超分辨率图像的分辨率更高。本专利技术在现有的成像光学装置中增加了探测相机、计算控制单元、摆镜驱动器和能动可控的摆镜，通过他们的实时探测与校正避免了系统平台姿态控制残余抖动对单幅欠采样图像分辨率的影响，保证了超分辨成像中单幅欠采样图像的分辨率，进而保证最终得到的超分辨率图像是多幅稳定的欠采样图像的合成结果，这是现有超分辨率成像系统无法达到的。(2)本专利技术较现有技术更灵活多用。本专利技术系统可以有四种工作模式：一是不进行图像稳定超分辨率成像工作，此时本专利技术系统中的摆镜静止不动，与现有的成像光学装置的成像方式相同，等同于现有的成像光学装置；二是图像稳定的成像工作，此时本专利技术系统中的摆镜仅实时校正成像相机积分时间内的光轴抖动，所述系统获得的单幅图像的图像分辨率较传统成像系统图像分辨率高；三是超分辨率成像工作，此时本专利技术中的摆镜仅作为微扫描超分辨率重建技术获得多幅欠采样图像的微扫描装置，不再进行光轴抖动的实时校正，等同于传统的微扫描超分辨率成像装置；四是图像稳定的超分辨率成像工作，此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图像稳定的超分辨率成像系统，其特征在于，该系统含有成像光路和探测光路，所述成像光路和探测光路包括成像光学元件组、分光镜、探测镜头组、探测相机、计算控制单元、摆镜驱动器、摆镜、成像镜头组、成像相机、超分辨率图像合成单元，其中：被观测的目标光束的第一传播路径为在成像光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、成像镜头组和成像相机，超分辨率图像合成单元的输入端与成像相机的输出端连接；来自于被观测的目标光束入射到成像光学元件组后再入射到摆镜，经摆镜反射面反射后入射到分光镜，目标光束中的一部分光能量经分光镜透射到成像镜头组并形成目标像面，成像相机位于目标像面上，成像相机，用于对接收的入射光信号进行光电转换形成并以无线或有线形式传输的多幅欠采样图像，超分辨率图像合成单元，用于将接收的多幅欠采样图像合成为超分辨率图像；被观测的目标光束的第二传播路径为在探测光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、探测镜头组和探测相机，探测相机的输出端与计算控制单元的输入端连接，摆镜驱动器的输入端与计算控制单元的输出端连接，摆镜驱动器的输出端与摆镜的驱动端连接，来自于被观测的目标光束入射到成像光学元件组后再入射到摆镜，经摆镜反射面反射后入射到分光镜，目标光束中的另一部分光能量经分光镜反射到探测镜头组并形成探测像面，探测相机位于探测像面上；入射到探测相机上的光信号经光电转换后形成并传输探测窗口图像，计算控制单元将接收的探测窗口图像进行计算生成并输出摆镜的位置控制电压模拟量；摆镜驱动器，用于将接收的摆镜的位置控制电压模拟量放大成摆镜驱动电压模拟量输出到摆镜。...

【技术特征摘要】
1.一种图像稳定的超分辨率成像系统，其特征在于，该系统含有成像光路和探测光路，所述成像光路和探测光路包括成像光学元件组、分光镜、探测镜头组、探测相机、计算控制单元、摆镜驱动器、摆镜、成像镜头组、成像相机、超分辨率图像合成单元，其中：被观测的目标光束的第一传播路径为在成像光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、成像镜头组和成像相机，超分辨率图像合成单元的输入端与成像相机的输出端连接；来自于被观测的目标光束入射到成像光学元件组后再入射到摆镜，经摆镜反射面反射后入射到分光镜，目标光束中的一部分光能量经分光镜透射到成像镜头组并形成目标像面，成像相机位于目标像面上；成像相机，用于对接收的入射光信号进行光电转换形成并以无线或有线形式传输的多幅欠采样图像，超分辨率图像合成单元，用于将接收的多幅欠采样图像合成为超分辨率图像；被观测的目标光束的第二传播路径为在探测光路方向依次放置成像光学元件组、摆镜、分光镜、探测镜头组和探测相机，探测相机的输出端与计算控制单元的输入端连接，摆镜驱动器的输入端与计算控制单元的输出端连接，摆镜驱动器的输出端与摆镜的驱动端连接，来自于被观测的目标光束入射到成像光学元件组后再入射到摆镜，经摆镜反射面反射后入射到分光镜，目标光束中的另一部分光能量经分光镜反射到探测镜头组并形成探测像面，探测相机位于探测像面上；入射到探测相机上的光信号经光电转换后形成并传输探测窗口图像，计算控制单元将接收的探测窗口图像进行计算生成并输出摆镜的位置控制电压模拟量；摆镜驱动器，用于将接收的摆镜的位置控制电压模拟量放大成摆镜驱动电压模拟量输出到摆镜。2.根据权利要求1所述图像稳定的超分辨率成像系统，其特征在于，所述系统进行图像稳定的超分辨率成像时，探测相机采集被观测目标的探测窗口图像，计算控制单元通过探测窗口图像计算得到目标像面图像运动的方向和大小，用伺服控制算法得到摆镜实际的控制量，由摆镜驱动器驱动摆镜偏转，使经摆镜的镜面反射的成像光路光线不发生偏转，此时摆镜仅实时校正成像相机积分时间内的光轴抖动，用于提高单幅欠采样图像的图像分辨率，从而达到在成像相机的积分时间内稳定图像的目的，使成像相机获得一幅稳定的欠采样图像。3.根据权利要求2所述图像稳定的超分辨率成像系统，其特征在于，所述计算控制单元存储第一次获得的探测窗口图像作为参考图像，并对当前探测窗口图像与参考图像进行互相关函数计算得到相关峰值的位置，即得到探测窗口图像在探测像面上的偏移量，再根据探测光路与成像光路之间的几何光学关系，获得目标像面图像偏移量；计算目标像面偏移量与目标像面图像偏移量的设定值之间的偏差。4.根据权利要求3所述图像稳定的超分辨率成像系统，其特征在于，所述计算控制单元根据微扫描超分辨率重建所需的欠采样图像获取顺序和相应的目标像面图像偏移量设定值，控制驱动摆镜偏转固定角度，并在下一次欠采样图像积分曝光时间内实时...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴妍峰，姜爱民，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台，
类型：发明
国别省市：北京;11