一种基于超分辨率重建的星载多光谱成像系统设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种星载超分辨成像系统实现方法，其通过卫星在轨凝视成像获得同一区域的高时间分辨率视频影像，通过凝扫成像获得超分辨重建所需的亚像元位移信息以及各多光谱波段图像，通过对光学系统F数设计控制光学弥散斑大小，提高超分辨重建效果，引入光流法与特征法互校验指标模型增强亚像元信息提取的鲁棒性，采用全链路超分辨算法重建超分辨图像，从而同时实现了高时间分辨率、高空间分辨率、多光谱分辨率，采用本发明专利技术方案实现的星载超分辨成像系统，与相同分辨率尺度的传统星载成像系统相比，能够有效降低光学系统的口径、缩短焦距，从而降低系统的重量和成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱成像
，尤其涉及一种多光谱的星载超分辨成像系统设计方法。
技术介绍
高分辨率遥感是衡量一个国家光电技术水平的重要标志，具有巨大的商业与军事价值。传统星载成像系统中，要实现高几何分辨率成像，就要设计大口径、长焦距的光学镜头，使得系统的重量居高不下，通常运行于LEO轨道的米级高分辨率遥感卫星的成像系统重量在300kg以上，系统研制的周期十分漫长，成本高昂。特别是当前微小卫星以造价低、周期短、发射灵活，容易组成星座完成大卫星难以实现的任务等优点成为遥感领域技术创新方向，市场需求高速增长，其整星一般重量小于100kg，传统的高分辨率成像系统必然无法应用于微小卫星。无论是传统的大卫星还是微小卫星，要在不牺牲分辨率的前提下降低成像系统的重量和研制成本，就必须发展新型成像系统。超分辨成像技术是计算光学领域的重要分支，它利用计算数学、信号处理等理论解决光学成像问题，通过提取具有亚像元位移的多帧影像之间的冗余信息重建高分辨率影像，打破了传统光电成像系统的空间分辨率极限，提高系统的整体指标，开辟了遥感成像探测的新思路。多帧图像超分辨率重建技术要求各帧低分辨率图像的之间除平移和旋转之外没有其它类型的仿射变换，卫星由于飞行高度高，很容易满足这个要求，因此，将超分辨率重建技术与卫星遥感结合的重点在于亚像元采集和提取设计、适用于超分辨成像的光学系统设计、以及超分辨重建算法设计。另外，通过对高帧频面阵探测器的航天应用，除可获得具有亚像元位移的多帧影像之外，还可获得同一区域的视频影像，从而不再受卫星重访周期的限制。在探测器上覆以光谱滤光膜还可获得多光谱图像，提高成像的光谱分辨率。现有超分辨率重建技术仅从图像处理算法角度设计超分辨率重建方法，未与成像系统和搭载平台相结合，一定程度上造成了物理先验信息的缺失，难以实现更精确的重建结果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种星载超分辨成像系统实现方法，具有重量轻、体积小、研制周期短、研制成本低的优点。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种星载超分辨成像系统实现方法，包括：在星载超分辨成像系统的探测器表面覆盖全色滤光膜以及至少包含红、绿、蓝波段的多光谱滤光膜；当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，采集到全色图像和/或多光谱图像，对采集到的图像依次进行图像配准与图像裁剪后获得被测区域的视频影像；当所述星载超分辨成像系统利用凝扫模式采样时，采集到全色图像与多光谱图像；对全色图像基于多帧序列图像超分辨率重建算法进行超分辨率重建；对多光谱图像依次进行图像配准与信噪比增强处理，之后再进行彩色合成并结合超分辨率重建后的全色图像进行全色增强处理。所述星载超分辨成像系统中光学系统的各个参数关系式为：2.44λF#＝2.44λf/D＝Dairy＝pixel其中，pixel为探测器像元尺寸；f/D＝F#表示光学系统F数，f为焦距，D为口径；Dairy为光学系统弥散斑直径；λ为入射光波长；在超分辨成像时，M倍像素数放大率等效于在探测器大小不变的情况下，使探测器像元尺寸减小为pixel/M，由于超分辨率重建并不改变光学系统弥散斑的大小，在超分辨成像后，弥散斑直径为：D′airy＝Dairy/M，对应光学系统设计时的F数F#′为：F#′＝F#/M。所述探测器为高帧频的面阵CMOS探测器，所述的全色滤光膜以及至少包含红、绿、蓝波段的多光谱滤光膜以条带形式沿卫星飞行方向排列，各个滤光膜之间镀有不透光的过渡带；其中，全色波段所覆盖的像元数多于多光谱滤光膜覆盖的像元数。所述当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，采集到全色图像和/或多光谱图像，对采集到的图像依次进行图像配准与图像裁剪后获得被测区域的视频影像包括：当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，卫星中的星载超分辨成像系统的光轴始终对准成像目标，且通过机动调整，使光轴的晃动保持在一定范围内，并以一定周期对光轴的晃动进行测量和调整以使光轴的晃动量不随时间积累；光轴的晃动用光轴指向稳定度来表示，表示在单位时间内光轴晃动的最大角度，在坐标系O-xyz中，Oz轴为光轴的理想指向，Oxy平面为成像目标所在平面，当指向精度为θ时，光轴将会在顶角为2θ的圆锥内晃动；由于光轴的晃动，使星载超分辨成像系统在凝视模式下所拍摄的每帧图像之间会有一定随机的位移，对采集的全色图像或多光谱图像均通过配准的方式将连续若干帧的图像变换到统一坐标系Oxy下，再对互不重叠的部分进行裁剪，剩余的重叠部分则为所覆盖区域的视频影像。当所述星载超分辨成像系统利用凝扫模式采样时，采集到全色图像与多光谱图像包括：凝扫模式时，卫星需要进行地速补偿，星载超分辨成像系统进行高帧频成像采集，使成像目标被多帧图像所覆盖，在每个光谱条带都能获得包含同一目标的多幅图像；随着卫星的运动，同一地物目标将在全色波段和各个多光谱波段依次成像；采集到的全色图像是用于超分辨成像的低分辨率图像序列，采集到的多光谱图像是用于彩色合成与全色增强所需的各个谱段的图像；卫星地速补偿比为R(R＞1)，卫星运动速度为v，曝光间隔ti，曝光时间te，光轴在卫星运动方向的指向偏差为De，则在某一滤光膜上，沿飞行方向所重合的探测器像元行数imagerow与图像帧数N之间的关系为：上式中，GSD表示地面像元分辨率，Ln为该滤光膜上所占探测器像元行数，Dej为每帧图像成像时光轴的指向偏差；若卫星能通过对指向的校准与控制，使每帧成像时的光轴在卫星运动方向的指向偏差相等，则某一滤光膜上，沿飞行方向所重合的探测器像元行数imagerow与图像帧数N之间的关系为：在沿卫星飞行方向，低分辨率图像序列中的各帧图像之间的亚像元位移通过曝光间隔时间控制，若超分辨成像像素数放大率为M，为获得高的超分辨效果需满足沿飞行方向亚像元位移为均匀分布，各个参量之间的关系为：上式中，Rem表示求余数操作。所述对全色图像基于多帧序列图像超分辨率重建算法进行超分辨率重建包括：凝扫模式采集到的全色图像为具有亚像元位移的多帧影像，其构成的图像序列称为低分辨率图像序列；超分辨成像的数学模型表示为：yk＝DkBkMkx+nk(k＝1,2,...,K)其中，yk指第k幅低分辨率图像，低分辨率图像序列的总数为K；x指超分辨率成像结果；nk表示加性噪声；Dk表示探测器的下采样函数，与超分辨像素数放大倍率W有关；Mk为运动函数，表示各低分辨率图像之间的位移关系，与亚像元位移有关，通过对低分辨率图像序列配准获得；Bk表示模糊函数；采用光流法与特征法互校验来提高配准精度，准确提取亚像元位移信息，配准的互校验指标模型为：其中，MSE表示待配准图像与参考图像的均方误差，所述的参考图像为低分辨率图像序列中任取的一幅图像，则其他低分辨率图像为待配准图像；SSIM表示结构相似度；α、β为权重系数，α和β取值与卫星成像时的太阳高度角和探测器暗电流噪声有关，通过α对MSE的调节和β对SSIM的调节使互校验指标模型取值在区间[0,1]内，J值越大表明配准精度越高，JC和JO分别为特征法和光流法的校验指标，Joptimal为互校验指标。所述对多光谱图像依次进行图像配准与信噪比增强处理包括：对多光谱图像中的每一波段图像分别进行配准，获得多个相同波段滤光膜每帧之间的相同区域图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载超分辨成像系统实现方法，其特征在于，包括：在星载超分辨成像系统的探测器表面覆盖全色滤光膜以及至少包含红、绿、蓝波段的多光谱滤光膜；当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，采集到全色图像和/或多光谱图像，对采集到的图像依次进行图像配准与图像裁剪后获得被测区域的视频影像；当所述星载超分辨成像系统利用凝扫模式采样时，采集到全色图像与多光谱图像；对全色图像基于多帧序列图像超分辨率重建算法进行超分辨率重建；对多光谱图像依次进行图像配准与信噪比增强处理，之后再进行彩色合成并结合超分辨率重建后的全色图像进行全色增强处理。

【技术特征摘要】
1.一种星载超分辨成像系统实现方法，其特征在于，包括：在星载超分辨成像系统的探测器表面覆盖全色滤光膜以及至少包含红、绿、蓝波段的多光谱滤光膜；当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，采集到全色图像和/或多光谱图像，对采集到的图像依次进行图像配准与图像裁剪后获得被测区域的视频影像；当所述星载超分辨成像系统利用凝扫模式采样时，采集到全色图像与多光谱图像；对全色图像基于多帧序列图像超分辨率重建算法进行超分辨率重建；对多光谱图像依次进行图像配准与信噪比增强处理，之后再进行彩色合成并结合超分辨率重建后的全色图像进行全色增强处理。2.根据权利要求1所述的一种星载超分辨成像系统实现方法，其特征在于，所述星载超分辨成像系统中光学系统的各个参数关系式为：2.44λF#＝2.44λf/D＝Dairy＝pixel其中，pixel为探测器像元尺寸；f/D＝F#表示光学系统F数，f为焦距，D为口径；Dairy为光学系统弥散斑直径；λ为入射光波长；在超分辨成像时，M倍像素数放大率等效于在探测器大小不变的情况下，使探测器像元尺寸减小为pixel/M，由于超分辨率重建并不改变光学系统弥散斑的大小，在超分辨成像后，弥散斑直径为：D′airy＝Dairy/M，对应光学系统设计时的F数F′#为：F′#＝F#/M。3.根据权利要求1或2所述的一种星载超分辨成像系统实现方法，其特征在于，所述探测器为高帧频的面阵CMOS探测器，所述的全色滤光膜以及至少包含红、绿、蓝波段的多光谱滤光膜以条带形式沿卫星飞行方向排列，各个滤光膜之间镀有不透光的过渡带；其中，全色波段所覆盖的像元数多于多光谱滤光膜覆盖的像元数。4.根据权利要求1所述的一种星载超分辨成像系统实现方法，其特征在于，所述当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，采集到全色图像和/或多光谱图像，对采集到的图像依次进行图像配准与图像裁剪后获得被测区域的视频影像包括：当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，卫星中的星载超分辨成像系统的光轴始终对准成像目标，且通过机动调整，使光轴的晃动保持在一定范围内，并以一定周期对光轴的晃动进行测量和调整以使光轴的晃动量不随时间积累；光轴的晃动用光轴指向稳定度来表示，表示在单位时间内光轴晃动的最大角度，在坐标系O-xyz中，Oz轴为光轴的理想指向，Oxy平面为成像目标所在平面，当指向精度为θ时，光轴将会在顶角为2θ的圆锥内晃动；由于光轴的晃动，使星载超分辨成像系统在凝视模式下所拍摄的每帧图像之间会有一定随机的位移，对采集的全色图像或多光谱图像均通过配准的方式将连续若干帧的图像变换到统一坐标系Oxy下，再对互不重叠的部分进行裁剪，剩余的重叠部分则为所覆盖区域的视频影像。5.根据权利要求1所述的一种星载超分辨成像系统实现方法，其特征在于，当所述星载超分辨成像系统利用凝扫模式采样时，采集到全色图像与多光谱图像包括：凝扫模式时，卫星需要进行地速补偿，星载超分辨成像系统进行高帧频成像采集，使成像目标被多帧图像所覆盖，在每个光谱条带都能获得包含同一目标的多幅图像；随着卫星的运动，同一地物目标将在全色波段和各个多光谱波段依次成像；采集到的全色图像是用于超分辨成像的低分辨率图像序列，采集到的多光谱图像是用于彩色合成与全色增...

【专利技术属性】
技术研发人员：相里斌，吕群波，谭政，刘扬阳，方煜，孙建颖，赵娜，陈鑫雯，裴琳琳，李伟艳，张丹丹，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11