CN103257034A - 基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置和方法 - Google Patents

Abstract

基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置和方法属于光电成像和图像处理技术领域，解决了现有探测器错位成像实现方法存在的结构复杂、实现难度大、周期长、成本高等技术问题。该实验装置包括光学镜头、卡口、镜筒、探测器座、连接板、高精度二维平移台、连接座和底座；利用高精度二维平移台实现了二维精确移位，满足探测器错位精度要求，可实现不同的探测器错位成像模式，按照既定移位方式对靶标成像，对得到的多幅低分辨率图像进行融合、重建等处理，得到高分辨率图像，以验证和比较探测器不同错位成像模式的实验效果。本发明的装置结构简单，安装方便，成本低，易于实现，可应用于可见光和红外探测器错位成像技术，具有广泛适用性。

Description

基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置和方法

技术领域

本发明属于光电成像和图像处理技术领域，具体涉及一种基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置和方法，主要用于提高光电成像系统的空间分辨率。

背景技术

近年来，探测器错位成像技术备受国内外关注，探测器错位成像技术能在不改变探测器像元尺寸和光学系统焦距的前提下，提高相机空间分辨率，在具有相同或接近的空间分辨率的情况下，能减小相机光学系统的焦距，从而使卫星相机的体积、质量、成本降低，随着航空航天相机向着高分辨、轻型化、小型化方向的不断发展，深入研究和探索探测器错位成像技术，对提高卫星相机、尤其是红外相机空间分辨率、实现卫星小型化具有重大意义。

探测器错位成像技术是使用一定的方式获取同一场景两幅或多幅具有相互位移（小于探测器像元尺寸）的图像，然后对得到的两幅或多幅图像进行融合、重建等处理，最终得到分辨率提高的图像。

对于线阵探测器，实现探测器错位成像技术主要有以下两种方法：一是棱镜分光法，用分光棱镜把光分成两路，分别将景物成像在焦面位置的两排线阵探测器上，两排线阵探测器在线阵方向错开半个像元。此种方法受探测器拼接精度的影响很大，且由于辐照在每路探测器上的光能量减半，造成系统信噪比下降，最终影响重建图像的效果；二是焦面集成法，把两排线阵探测器按照一定的排列方式集成在一个芯片上。法国2002年发射的SPOT5卫星、德国BIRD卫星上红外遥感器HSRS以及莱卡公司数字航空遥感相机ADS40上都使用了类似的技术，此种方法需要定制特殊排列的探测器，成本非常高，周期也比较长。

对于面阵探测器，其错位成像技术也称为微扫描技术，面阵探测器错位成像技术主要通过改变光路或者改变探测器位置来实现，通过使用快速转向的反射镜改变光路，使用压电技术控制折射部件的移动，也可通过使用基于压电陶瓷的滑动导轨来改变探测器位置等。其共同的技术难点在于控制运动部件运动的精度，且均需要使用精密控制部件和控制电路，结构复杂，实现难度大，成本高，周期长。美国FLIR公司的AN/AAQ-22系列相机使用压电驱动技术实现了面阵探测器错位成像技术，提高了相机的分辨率。

在国内，已经有很多关于探测器错位成像技术的理论和后期高分辨率图像重建算法的研究，但是具体通过实验验证的却很少。在探测器错位成像技术应用到航空航天遥感成像系统中之前，首先在地面上通过实际实验验证探测器错位成像技术的实际效果是非常关键的，也是很有必要的，对应用于航空航天遥感成像具有工程指导意义。在实验室验证探测器错位成像技术，若使用线阵探测器，则须使用分光棱镜或定制特殊排列的探测器，且需要额外的推扫装置实现线阵探测器推扫成像，系统复杂，实现难度大，成本较高。使用面阵探测器则可以避免上述不足，但已有的面阵探测器错位成像技术实现方法，使用压电技术或平行平板等，系统复杂度高，难度大，成本高，实现周期较长。

发明内容

为了解决现有探测器错位成像实现方法存在的结构复杂、实现难度大、周期长、成本高等技术问题，本发明提供一种基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置和方法。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置，包括光学镜头和高精度二维平移台，所述高精度二维平移台包括X方向位移调节旋钮和Y方向位移调节旋钮，其特征在于，该装置还包括连接板、探测器座、镜筒、卡口、连接座和底座；所述卡口与镜筒通过沉头螺钉连接，卡口的一端与光学镜头连接，镜筒的一端与探测器座连接，探测器座通过连接板与高精度二维平移台连接，高精度二维平移台通过连接座与底座连接。

上述高精度二维平移台具有粗调和微调两种方式，在X方向和Y方向均可实现亚微米位移精度，满足探测器错位成像技术的错位精度要求。

上述探测器座用来安装探测器及探测器前端板，其包括用于传输视频信号和相关驱动控制信号的数据接口。

上述光学镜头可采用标准摄影镜头、工业镜头或自制镜头，上述卡口可以针对不同的光学镜头采用不同的设计来适应，以达到连接光学镜头与镜筒的目的。

上述镜筒通过精密螺纹与探测器座连接，旋转镜筒可微调焦距，具有焦距微调功能。

上述底座通过螺钉固定于大理石平台上，其目的是在实验过程中降低外界环境对装置的影响，保持实验装置的稳定性。

利用本发明实验装置进行探测器错位成像实验验证的具体方法，包括如下步骤：

步骤一、在初始位置探测器对靶标进行成像，得到第一幅低分辨率图像；

步骤二、调节高精度二维平移台的X方向位移调节旋钮，移位所用探测器半个像元的距离，得到与步骤一所述第一幅低分辨率图像在X方向错位半个像元距离的第二幅低分辨率图像；

步骤三、调节高精度二维平移台的Y方向位移调节旋钮，移位所用探测器半个像元的距离，得到与步骤一所述第一幅低分辨率图像在X、Y方向均错位半个像元距离的第三幅低分辨率图像；

步骤四、调节高精度二维平移台的X方向位移调节旋钮，向负X方向移位所用探测器半个像元的距离，得到与步骤一所述第一幅低分辨率图像在Y方向错位半个像元距离的第四幅低分辨率图像；

步骤五、利用上位机对步骤一至步骤四得到的两幅或四幅低分辨率图像进行融合、重建、滤波处理，得到高分辨率图像，验证并比较探测器的各种错位成像模式的实验效果，以完成探测器错位成像实验。

本发明的有益效果如下：

1）通过使用高精度二维平移台实现了面阵探测器错位成像技术，位移精度高、控制灵活，可以得到多幅具有精确相互位移的图像；

2）避免使用平行平板、扫描镜等高精度光学元件和压电技术等精密控制装置，大大降低了系统的复杂度和成本，缩短了工程化周期；

3）可应用于不同型号的探测器，包括CCD和CMOS，不仅可应用到可见光谱段探测器错位成像技术，也可用来验证红外谱段探测器错位成像技术，具有广泛适用性；

4）在满足移位精度要求的前提下，能验证不同模式的探测器错位成像模式，如2×2、3×3等；

5）镜头卡口和镜筒结合的设计，可根据具体实验要求更换光学镜头，使用方便，灵活性好，且镜筒具有焦距微调功能，调节方便；

6）具有满足探测器错位成像要求的微米级高移位精度，结构简单，安装方便，控制灵活，成本较低，易于实现。

附图说明

图1是本发明基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置的结构示意图；

图2是本发明中的高精度二维平移台的结构示意图；

图3是本发明中的连接板的结构示意图；

图4是图3的A-A剖视图；

图5是本发明中的探测器座的结构示意图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7是本发明中的镜筒的结构示意图；

图8是图7的C-C剖视图；

图9是本发明中的卡口的结构示意图；

图10是图9的D-D剖视图；

图11是本发明中的连接板、探测器座、镜筒和卡口安装的装配示意图；

图12是本发明的探测器错位成像的两种错位模式示意图。

图中：1、连接板，2、探测器座，3、镜筒，4、卡口，5、光学镜头，6、连接座，7、底座，8、高精度二维平移台，9、X方向位移调节旋钮，10、Y方向位移调节旋钮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明利用高精度二维平移台实现探测器错位成像实验装置，在满足移位精度的前提下，可实现不同的探测器错位成像模式，按照既定的移位方式对靶标（靶标可以是标准分辨率板、鉴别率板、自制图案等）进行成像，每移位一次，便成像一次，对得到的多幅低分辨率图像进行融合、重建等处理，得到高分辨率图像，以验证和比较不同的探测器错位成像模式的实验效果。

如图1至图11所示，本发明基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置包括：连接板1、探测器座2、镜筒3、卡口4、光学镜头5、连接座6、底座7和高精度二维平移台8，所述高精度二维平移台8包括X方向位移调节旋钮9和Y方向位移调节旋钮10。所述卡口4与镜筒3通过沉头螺钉连接，卡口4的一端与光学镜头5连接，镜筒3的一端与探测器座2连接，探测器座2通过连接板1与高精度二维平移台8连接，高精度二维平移台8通过连接座6与底座7连接。

实施例：光学镜头5采用尼康AF50mmf/1.4D标准镜头；卡口4设计为适用于尼康F卡口镜头的结构，连接标准镜头和镜筒3，卡口基准面到探测器座2的探测器安装平面的距离为46.5mm；探测器采用DALSA的1M帧转移型CCDFTT1010M，其像元尺寸为12um×12um，填充因子为100%，半个像元的距离即6um；FPGA采用XILINX的XC2V1000芯片，视频采用LVDS输出格式；高精度二维平移台8采用超高精度手动平移台HYB20-60RN，具有粗调和微调两种方式，移动量为粗动±6.5mm，微动±0.3mm，千分尺最小读数为粗动10um/刻度，微动0.5um/刻度，满足探测器错位精度。

如图12所示，常用的探测器错位成像模式有两种，对角错位模式和四点错位模式，由图可知，对角错位模式得到两幅低分辨率图像，四点错位模式得到四幅低分辨率图像，由其错位关系可知，四点错位模式得到的四幅低分辨率图像包含了对角错位模式需要得到的两幅低分辨率图像，因此仅进行四点错位模式成像即可验证和比较这两种错位成像模式的效果。靶标采用ISO12233标准分辨率板，采用本发明实验装置进行如图12所示的四点错位成像模式的具体步骤如下：

步骤1：在初始位置，对靶标进行成像，得到第一幅低分辨率图像；

步骤2：调节高精度二维平移台8的X方向位移调节旋钮9，向X正方向移位6um，对靶标进行成像，得到第二幅低分辨率图像，与第一幅分辨率图像在X方向错位半个像元的距离；

步骤3：调节高精度二维平移台8的Y方向位移调节旋钮10，向Y正方向移位6um，对靶标进行成像，得到第三幅低分辨率图像，与第一幅分辨率图像在X和Y方向均错位半个像元的距离；

步骤4：调节X方向位移调节旋钮9，向X负方向移位6um，对靶标进行成像，得到第四幅低分辨率图像，与第一幅分辨率图像在Y方向错位半个像元的距离；

步骤5：将得到的第一幅、第三幅低分辨率图像或者是第二幅、第四幅低分辨率图像作为对角错位模式下得到的两幅低分辨率图像，对两幅低分辨率图像进行融合、插值、滤波等处理，得到对角错位模式下重建的高分辨率图像；对得到的第一、二、三、四幅低分辨率图像进行融合、重建等处理，得到四点错位模式下重建的高分辨率图像；验证并比较两种错位模式的重建效果。

此实施例通过高精度二维平移台8实现了满足探测器错位成像错位精度的移位，实现了探测器错位成像实验装置和方法，与常规通过压电技术等实现方法相比，在满足错位精度的同时，具有结构简单、安装方便、成本低、易于工程化实现的优点。

Claims (5)

1.基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置，包括光学镜头（5）和高精度二维平移台（8），所述高精度二维平移台（8）包括X方向位移调节旋钮（9）和Y方向位移调节旋钮（10），其特征在于，该装置还包括连接板（1）、探测器座（2）、镜筒（3）、卡口（4）、连接座（6）和底座（7）；所述卡口（4）与镜筒（3）通过沉头螺钉连接，卡口（4）的一端与光学镜头（5）连接，镜筒（3）的一端与探测器座（2）连接，探测器座（2）通过连接板（1）与高精度二维平移台（8）连接，高精度二维平移台（8）通过连接座（6）与底座（7）连接。

2.如权利要求1所述的基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置，其特征在于，所述探测器座（2）包括用于传输视频信号和驱动控制信号的数据接口。

3.如权利要求1所述的基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置，其特征在于，所述光学镜头（5）为标准摄影镜头或工业镜头或自制镜头。

4.如权利要求1所述的基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验装置，其特征在于，所述镜筒（3）通过精密螺纹与探测器座（2）连接。

5.基于高精度二维平移台的探测器错位成像实验方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一、在初始位置探测器对靶标进行成像，得到第一幅低分辨率图像；

步骤二、调节高精度二维平移台（8）的X方向位移调节旋钮（9），移位所用探测器半个像元的距离，得到与步骤一所述第一幅低分辨率图像在X方向错位半个像元距离的第二幅低分辨率图像；

步骤三、调节高精度二维平移台（8）的Y方向位移调节旋钮（10），移位所用探测器半个像元的距离，得到与步骤一所述第一幅低分辨率图像在X、Y方向均错位半个像元距离的第三幅低分辨率图像；

步骤四、调节高精度二维平移台（8）的X方向位移调节旋钮（9），向负X方向移位所用探测器半个像元的距离，得到与步骤一所述第一幅低分辨率图像在Y方向错位半个像元距离的第四幅低分辨率图像；

步骤五、利用上位机对步骤一至步骤四得到的两幅或四幅低分辨率图像进行融合、重建、滤波处理，得到高分辨率图像，验证并比较探测器的各种错位成像模式的实验效果，以完成探测器错位成像实验。

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