一种基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，包括步骤：1)搭建基于旋转扫描的反射式傅里叶叠层成像系统；2)利用CCD探测器在成像系统的傅里叶面进行旋转扫描得到N幅低分辨率图像序列；3)对采集到的原始低分辨率图像序列进行预处理；4)分别利用相关函数和散斑分形维数的配准方法对预处理图像序列进行配准；5)利用傅里叶叠层成像算法对配准图像序列进行图像重构，得到分辨率提高后的恢复图像。本发明专利技术通过CCD探测器在远场进行旋转扫描来扩大频谱范围，利用傅里叶叠层重构算法快速重建出远场目标物的幅值信息以及相位信息，获得超出系统物镜衍射极限分辨率的恢复图像，有效提高了宏观反射式成像系统的成像质量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法


[0001]本专利技术属于天基遥感成像领域，具体涉及一种基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着航空航天载荷技术的高速发展，天基载荷成像技术已成为目前较为主流的对地、空观测技术，具有覆盖范围广、响应速度快、侦察效率高等优点，被广泛应用于资源勘探、气象观测、城市规划、国防安全、空间探测等领域，对国家安全和国民经济建设具有重要意义。随着天基载荷探测成像系统在民用和军用领域的广泛使用，人们对其成像质量也提出了更高的要求，因此，如何有效提高天基载荷探测图像质量，是未来天基载荷探测技术能否得到进一步发展的关键问题。
[0003]天基载荷成像系统的成像质量主要受到来自复杂成像环境和光学成像系统两方面的影响。一方面，天基载荷成像系统的成像环境较为复杂，其中大气扰动、光照不均、系统震颤等不利因素均会给成像系统带来额外噪声，降低天基载荷探测成像系统的对比度，导致天基载荷探测图像的可靠性低、信息密度低、信噪比低。另一方面，对天基载荷成像系统而言，物面上某一点发出的光波经过远距离传播后，在像面上呈现为一个衍射光斑而非清晰的点，尽管可以通过提高成像系统口径的方法来降低衍射模糊的影响，但使用大口径镜头会提高系统的研制费用、延长系统的研制周期，限制了其大范围的推广和使用。以上两方面均对天基载荷成像系统的成像效果造成一定程度的限制，降低天基载荷探测图像质量，影响天基载荷探测数据的判读、分析和使用，限制了天基载荷成像系统更广泛的应用。因此，如何在有限的硬件条件下，针对天基载荷探测降质图像进行清晰化处理从而提高天基载荷探测图像对比度并增强视觉效果，是天基载荷探测成像领域一个亟待解决的问题。
[0004]综上所述，天基载荷成像系统受成像环境和光学系统的影响，存在天基载荷探测图像质量退化的问题，这导致天基载荷探测系统的成像可靠性变差、准确性变低，限制了天基载荷探测图像在各领域更广泛的使用。
[0005]针对这一需求，计算成像领域提出了一系列新颖的成像系统与方法，以期获得分辨率高于阿贝极限的超分辨图像，也就是所说的“超分辨”成像技术，其中最具代表性的就是傅里叶叠层显微成像技术(FourierPtychographicMicroscopy,FPM)。该方法对样品进行多角度照明，通过数字图像接收器记录下不同角度照明时的低分辨率图像，再利用重构算法，根据空域光强分布信息与傅里叶域(即频域)角度信息之间的映射关系进行交替迭代，最终得到样品的高分辨率强度信息和相位信息，克服传统成像系统中视场范围与空间分辨率之间的制约关系，实现超分辨成像。
[0006]在过去的20年间，许多科研团队基于傅里叶叠层超分成像技术实现了对传统成像系统分辨率极限的突破。2013年，Zheng团队提出了基于LED多角度照明的傅里叶叠层成像系统，该系统利用LED阵列提供系统照明，每个LED灯珠处于不同位置，所以照射样品时的入射角也不同，对应每一个入射角拍摄一幅图像，再利用重构算法就可以从一系列低分辨率
图像中恢复出高分辨率图像。2014年，Williams等人搭建了基于LED阵列的傅里叶叠层成像(FPM)肿瘤细胞计数系统。同年，Chung等人搭建了同样基于傅里叶叠层显微成像的白细胞自动计数系统。2015年，Horstmeyer等人利用基于LED阵列的傅里叶叠层成像系统成功实现了数字化的病理分析。2016年，Pacheco等人首次实现了反射式的傅里叶叠层成像系统，并能够应用于对样品进行快速的大视场表面检测。
[0007]以上各种基于傅里叶叠层的超分辨技术都是从显微成像的角度进行研究的，该技术在宏观成像系统的应用还没有成熟。由于宏观成像系统和微观成像系统的成像距离导致二者存在本质差别，传统傅里叶叠层成像技术并不适用于远距离成像系统，且利用照明角度进行频谱扫描的方式并不适用于远距离成像系统，因此在将该技术由微观推广到宏观时，不能仅将模型进行尺度放大，还需要基于宏观反射式成像系统的成像原理，对成像系统和重构算法进行修改和优化。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，只需要将旋转扫描采图与重构算法相结合就能实现远距离成像系统的超分辨成像，适用于宏观反射式成像系统的分辨率提高和目标检测。
[0009]实现本专利技术的技术解决方案为：基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1、搭建基于旋臂扫描的天基小卫星载荷合成孔径激发成像系统，包括激光照明模块、扫描成像模块、软件控制模块。首先由激光器发出的脉冲光束经过一个扩束透镜对光束进行扩束，再放置一个光阑控制该扩束光的光束质量尽可能的均匀，最后在对扩束光通过一个聚焦透镜进行聚焦成一束平行光，转入步骤2。
[0011]步骤2、控制搭载着相机的旋转台在成像系统的傅里叶面进行旋转扫描，采集得到原始成像镜头口径下的N幅低分辨率图像序列，其中CCD探测器成像范围相互重叠，其重叠率为80％，N≥24，转入步骤3。
[0012]步骤3、对原始图像进行高斯滤波和图像增强的处理，使图像有用的高频信息更加明显，得到预处理图像序列，转入步骤4。
[0013]步骤4、若成像目标物是光滑物体，需要使用基于变换域的配准方法对预处理图像序列进行配准；若目标物为粗糙物体时，需要使用基于散斑分形维数的配准方法对预处理图像序列进行配准，得到配准图像序列，转入步骤5。
[0014]步骤5、利用傅里叶叠层成像重构算法对配准图像进行重构处理，得到一幅恢复图像。
[0015]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：本专利技术解决了传统傅里叶叠层显微成像技术推广到宏观成像系统时照明角度变换困难的问题，提出利用镜头在成像系统的频谱面进行扫描实现等效的频谱扫描，设计了一个基于旋转扫描的宏观傅里叶叠层成像系统，获得一系列原始成像镜头口径下的常规图像，并利用重构算法对所得图像进行迭代，扩大成像系统的等效口径，得到像质提高的高清图像，在不需要高成本的大口径成像镜头的前提下突破了宏观反射式成像系统的衍射极限，降低了宏观反射式成像系统实现超分辨的成本。
附图说明
[0016]图1是基于旋转扫描的宏观反射式傅里叶叠层超分辨成像方法的流程图。
[0017]图2是基于旋转扫描的宏观反射式傅里叶叠层超分辨成像方法的系统光路图。
[0018]图3是镜头到CCD探测器之间的光场传播示意图。
[0019]图4是旋转扫描路径示意图。
具体实施方式
[0020]本专利技术在传统傅里叶叠层超分显微成像技术的基础上，将傅里叶叠层超分成像技术由微观推广到宏观，根据傅里叶叠层的基本原理，将宏观成像系统和频谱叠层扫描进行有机结合，提出利用CCD探测器在傅里叶叠层成像系统的傅里叶面进行旋转扫描，获得原始低分辨率图像序列，并利用重构算法对所得图像进行迭代，扩大成像系统的等效口径，得到分辨率提高的恢复图像，最终实现宏观成像系统的超分辨成像，拓展了的传统傅里叶叠层超分成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、搭建基于旋转扫描的宏观反射式傅里叶叠层成像系统：所述基于旋转扫描的傅里叶叠层成像系统包括共光轴依次设置的激光器、扩束镜、光阑、凸透镜、目标物、反射接收端的成像镜头、CCD探测器，还包括精密电动旋转台；其中反射接收端的成像镜头固定在CCD探测器上，成像镜头与对应的CCD探测器固定在精密电动旋转台上；激光器发出的光经过扩束镜和光阑进行扩束滤波后提供相对均匀的照明，再由凸透镜将光场转化为平行光，对目标物进行相干照明，实现有限距离下的远场夫琅禾费衍射；此时目标物发出的光场经远距离传播后在成像镜头前表面的光场分布就是目标物的远场夫琅禾费衍射结果，转入步骤2；步骤2、控制搭载在旋转台上的CCD探测器在垂直于光路平面进行旋转扫描，采集得到的N幅低分辨率图像作为原始图像序列；其中CCD探测器的成像范围相互重叠，且重叠率大于80％，N≥24，转入步骤3；步骤3、对采集到的原始图像序列中的图像逐一进行畸变校正和图像去噪，得到预处理图像序列，转入步骤4；步骤4、对预处理图像序列进行配准，得到配准图像序列：对于镜面反射目标物图像，利用基于变换域的方法对预处理图像进行配准，得到配准图像序列；对于漫反射目标物，利用基于散斑分形维数的配准方法得到配准图像序列，转入步骤5；步骤5、利用傅里叶叠层成像重构算法对配准图像序列进行重构处理，得到一幅恢复图像。2.根据权利要求1所述的基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，其特征在于：所述基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像系统的目标物为反射式目标物。3.根据权利要求1所述的基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，其特征在于：目标物发出的光场经远距离传播后进入成像镜头，将其远距离传播看作是一次夫琅禾费远场传播；利用成像镜头的孔径对其傅里叶频谱进行截取之后，再被CCD探测器接收，采集得到N幅成像镜头口径下的低分辨率原始图像序列；上述低分辨率图像记录了目标物的光强信息，对低分辨率图像开根号即得到对应扫描位置时的振幅信息。4.根据权利要求1所述的基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，其特征在于：步骤4中，利用基于变换域和散斑分形维数的配准方法对预处理图像序列进行配准，得到配准图像序列，具体如下：FP系统对光滑物体进行成像时，明场图像与暗场图像之间需要采用变换域的方法对预处理图像序列进行配准；若FP系统对粗糙物体进行成像时，需要采用散斑分形维数配准方法对预处理图像序列配准。5.根据权利要求1所述的基于旋臂扫描的天基小卫星载荷激发成像方法，其特征在于：步骤5中，用傅里叶叠层成像重构算法对配准图像序列进行重构处理，提高其分辨率，得到一幅恢复图像，具体如下：步骤5
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1、配准图像序列选择一张作为基准，对其进行插值放大到重构之后的图像大小，再结合一个相位为0、振幅为1的高分辨率图像，即得到初始光场，将初始光场作为高分辨率初始解对重构结果进行初步约束，对初始光场做傅里叶变换就得到了在频域的对应频
谱信息，即初始高分辨率频谱：其中，(u0，v0)是旋转角度为0
°
对应的频谱孔径中心处的频域级坐标，其中u0代表0
°
对应的频...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈华，李琛，陈宇帆，朱日宏，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：