CN103398782B - 一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超分辨率红外热像仪，尤其是涉及一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪。它包括沿光轴方向依次设置的大口径保护窗、波前调制系统、红外光学系统、面阵红外探测器焦平面、制冷机以及同时与面阵红外探测器焦平面和制冷机连接的系统电路组件；所述波前调制系统还与面阵红外探测器焦平面连接。本发明主要优点是：1.克服了大气湍流扰动的影响，消除了图像模糊、闪光等现象，提高了图像分辨率，使得输出的红外图像清晰、细节丰富；2.红外图像分辨率可以接近光学系统衍射极限；3.使红外热像仪性能表现显著提升；4.没有光学扫描机构，结构简单，体积小、工程实现难度低，具有更高的可靠性与实用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种超分辨率红外热像仪，尤其是涉及一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪。
背景技术
远距离目标的高分辨率光电探测成像技术在军事国防应用领域（如：国家安全防卫、导弹探测跟踪等）至关重要。然而，成像系统接受到的光功率随着光传播距离递减，这很大程度上限制了成像系统的探测距离。提高成像系统有效探测距离的典型方法是增大光学系统的孔径。但是当光学孔径提高到一定程度时，观测目标与成像系统之间的大气湍流成为了限制最终成像质量的主导因素，继续增大光学孔径将不再有效。大气湍流使获得的图像产生模糊，闪光等现象，尤其对于红外热像仪，由于红外探测器的分辨率较低，使得最终获得的红外图像分辨率远低于光学系统极限分辨率，图像细节更加缺失，从而限制了红外热像仪的性能提升。
目前，克服大气湍流影响的主要方法有：自适应光学技术和后期数字图像处理技术。自适应光学技术主要是利用波前探测器和波前校正器光波前进行波前探测、重构以及补偿，达到消除大气湍流影响的目的，但是这种方法要求光波透过大气以近似垂直地面的方向传播，因此，其主要应用于天文望远镜成像系统，例如，中国专利200610112434.6公开了一种基于自适应光学的高分辨力成像望远镜。然而，地对地成像系统探测的光波是以水平或者倾斜方向传播的，在这种情况下，光路经过的大气湍流环境极为复杂，因此自适应光学系统并不适用于基于地对地成像的红外热像仪。后期数字图像处理技术是一种基于软件的图像复原方法，基本可以分为经典复原方法和盲复原方法两类。大气湍流退化图像主要是应用盲复原方法来进行图像复原。这种方法可以利用成像系统获得的退化图像来估计大气湍流以及光学系统的点扩散函数，然后利用估计的点扩散函数去卷积从而复原图像。然而，这类方法在复原速度慢，复原效果不理想，通常只适用于弱大气湍流条件。
目前，提升红外热像仪分辨率的常规方法是利用光学扫描机构获取一系列具有亚像素平移的图像，然后利用图像配准技术融合这些具有亚像素平移的低分辨率图像，进而获得一帧高分辨图像。但是这种超分辨红外热像仪需要高精度的光学扫描机构，从而导致了红外热像仪存在体积大、制造成本高、扫描精度难以控制、可靠性低，等缺点。
针对上述湍流补偿技术和超分辨率热像仪的缺陷，有必要寻求新的方法，开发一种无需光学扫描机构且能够适用于强湍流条件下的地对地成像的超分辨率红外热像仪。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的现有的红外热像仪受大气湍流条件的影响，图像退化严重，分辨率低下的技术问题；提供了一种能够适用于强湍流环境下的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，其特征在于，包括沿光轴方向依次设置的大口径保护窗、波前调制系统、红外光学系统、面阵红外探测器焦平面、制冷机以及同时与面阵红外探测器焦平面和制冷机连接的系统电路组件；所述波前调制系统还与面阵红外探测器焦平面连接。
在上述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，所述波前调制系统包括：一个前置安装板、安装在前置安装板上的前置镀膜硅板、安装在前置镀膜硅板后方的后置镀膜硅板、用于安装固定后置镀膜硅板的后置安装板、用于装载前置安装板和后置安装板并安装在后置安装板后方的装载系统、以及一个用于高精度控制后置安装板带动后置镀膜硅板按照系统指令转动的电机伺服系统；所述前置安装板和后置安装板均装载在与电机伺服系统相连的装载机构上，并且前置安装板不能转动，只有安装有后置镀膜硅板的后置安装板能够由电机伺服系统控制转动。
在上述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，所述红外光学系统包括沿光轴方向依次安装的：
一个望远系统：用于将透过波前调制系统的红外光束进行压缩口径；
一个光学消旋机构：用于消除热像仪抖动旋转引起的系统像旋，维持图像稳定；
一个后组成像系统：用于将红外辐射光汇聚于安装在其后方的面阵红外探测器焦平面上。
在上述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，所述前置镀膜硅板和后置镀膜硅板之间的距离小于等于100微米。
在上述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，所述前置镀膜硅板和后置镀膜硅板均是极薄的红外光高透硅板，其板面上镀上中波红外光高透膜，并且其镀膜厚度根据参数已知的二维曲面函数计算获得，二维曲面函数的二维坐标对应于镀膜硅板上各点的位置，通过设定特定的函数参数，使得计算出的镀膜厚度有轻微的波动，呈非均匀分布，其最厚处和最薄处相差不超过3微米。人为设定呈非均匀分布，由最厚处向最薄处平滑过渡是通过曲面函数的参数设定来确定的。
在上述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，所述前置镀膜硅板和后置镀膜硅板的镀膜厚度是互补的，即，当前置镀膜硅板和后置镀膜硅板的相对转动角度为零度的时候，前置镀膜硅板和后置镀膜硅板的镀膜厚度之和对于前置镀膜硅板和后置镀膜硅板上各个点是一样的，即此时两个镀膜硅板厚度正好相反。两个硅板相对转动角度为零时的各点厚度相反。
在上述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，所述电机伺服系统带动后置安装板从而引起后置镀膜硅板相对前置镀膜硅板转动，从而对透过的红外光进行波前相位调制。
因此，本发明具有如下优点：1. 结合波前调制系统和基于已知相位差异参数的超分辨率图像复原算法，有效克服了大气湍流扰动的影响，消除了图像模糊、闪光等现象，提高了图像分辨率，使得输出的红外图像清晰、细节丰富；2. 运用波前调制系统，采集了多帧已知相位差异的大气湍流退化图像，有效改善了图像复原问题的病态性，提高了超分辨率重建算法抑制噪声的能力，同时估计出的大气湍流点扩散函数更加精确，有利于提高超分辨率重建的精度，使得红外图像分辨率可以接近光学系统衍射极限；3. 与传统红外热像仪相比，由于消除了大气湍流的影响，可以通过增大光学孔径，大幅提高红外热像仪的有效探测距离，使红外热像仪性能表现显著提升；4. 与传统的超分辨率红外热像仪相比，本发明没有光学扫描机构，结构简单，体积小、工程实现难度低，具有更高的可靠性与实用性。
附图说明
图1是本发明涉及的基于湍流校正的超分辨率红外热像仪的原理结构示意图。
图2本发明涉及的波前调制系统结构示意图。
图3 本发明涉及的波前相位解算以及超分辨率图像重建算法框图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
由图1所示，一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪的整体组成和工作方法。所述的红外热像仪主要包括：大口径保护窗口1、波前调制系统2、望远系统3、光学消旋机构4、后组成像系统5、面阵红外探测器焦平面6、制冷机7、系统电路组件8。以上所述主要组件的安装方法如下：沿着光轴方向，依次安装大口径保护窗口1、波前调制系统2、望远系统3、光学消旋机构4、后组成像系统5、面阵红外探测器焦平面6。制冷机7安装在面阵红外探测器焦平面阵列6侧边。
在上述的实施方式中，大口径保护窗口1安装在整个红外热像仪的最前端，用来保护红外热像仪的波前调制系统以及光学系统，使它们稳定工作。波前调制系统2安装于大口径保护窗口1后方，经过参数设定对波前相位进行已知参数的调制。望远系统3以光轴为中心安装在波前调制系统2后方，对经过波前相位调制后的红外辐射光进行压缩口径，并且使透过的光为平行光。光学消旋机构4安装于望远系统3后方，用于消除热像仪抖动旋转引起的系统像旋，维持图像稳定。后组成像系统5以光轴为中心安装在光学消旋机构4后方，用于将红外辐射光汇聚于安装在其后方的面阵红外探测器焦平面6上。面阵红外探测器焦平面6与制冷机7以及系统电路组件8连接，将红外辐射信号转换为模拟电路信号，并将模拟信号传输给系统电路组件8中。制冷机7安装于面阵红外探测器焦平面一侧，用来保证面阵红外探测器焦平面6工作在低温环境下以降低噪声影响。系统电路组件8安装于光学系统侧面，用于将面阵红外探测器焦平面6传输过来的模拟信号转换为数字信号，并且进行数字图像处理，最终输出红外图像，并且上述系统电路组件8还为波前调制系统2和面阵红外探测器焦平面6提供所需的偏压和控制信号。
在上述的实时方式的基础上，波前调制系统如图2所示。沿着光轴方向依次安装前置安装板2.1、前置镀膜硅板2.2、后置镀膜硅板2.3、后置安装板2.4，装载机构2.5，在光轴侧边安装电机伺服系统2.6。前置安装板2.1以光轴为中心，其中心是一个与前置镀膜硅板2.2一样大的圆形空心区域，用来安装固定前置镀膜硅板2.2，使其处于固定状态。前置镀膜硅板2.2固定安装在前置安装板2.1上，用来对红外辐射光的波前相位进行调制。后置镀膜硅板2.3大小与前置镀膜硅板2.2一样，安装在在前置镀膜硅板2.2后方，与前置镀膜硅板2.2之间的距离不超过100微米，其用来对波前相位进行第二次调制。后置安装板2.4以光轴为中心安装在最后，其中心是一个与后置镀膜硅板2.3一样大圆形空心区域，用来固定安装后置镀膜硅板2.3。装载机构2.5安装在后置安装板后方，用于装载前置安装板2.1和后置安装板2.4。电机伺服系统2.6安装于光轴侧面，与装载机构2.5相结合，精确控制安装于后置安装板2.4上的后置镀膜硅板2.3绕光轴按照相关设定转动。
对于上述的前置镀膜硅板2.2和后置镀膜硅板2.3，它们均是极薄的红外光高透硅板，其上面镀上一层高透膜，对于硅板上各点，高透膜的厚度有微弱差异，存在轻微的波动，其最厚处厚度和最薄处厚度相差不超过3微米。当红外辐射光透过硅板的时候，由于硅板上镀膜厚度的差异而产生微弱光程差，从而引起波前相位的变化。安装前置镀膜硅板2.2的前置安装板2.1完全固定在电机伺服系统上始终不动，电机伺服系统控制后置安装板2.4带动后置镀膜硅板2.3按照预先设定的程序转动。设d 2 (x，y)表示前置镀膜硅板2.2对应坐标（x，y）处的厚度，d 3 (x，y)表示后置镀膜硅板2.3对应坐标（x，y）处的厚度，当后置镀膜硅板2.3和前置镀膜硅板2.2的相对转动角度为零的时候，它们上面各点的镀膜厚度是互补的，即d 2 (x，y)+ d 3 (x，y)的值不随坐标位置改变，从而透过硅板各点的光路的光程差为零，因而此时调制系统不对波前进行相位调制。当后置镀膜硅板2.3相对前置镀膜硅板2.2转动一定角度时，d 2 (x，y)+ d 3 (x，y)的值对应各个坐标存在差异，透过硅板各点的光路的光程差不为零，从而引起波前相位的改变，起到相位调制的作用。
本发明的具体工作原理及进行大气湍流校正获取超分辨率红外图像的方法如下所述。
1）首先测定本发明的红外光学系统以及面阵红外焦平面阵列的联合点扩散函数为PSF0，存储到系统电路组件的内存中；
2）电机伺服系统2.6接收系统电路组件8发出的信号，通过装载机构2.5控制后置安装板2.4带动后置镀膜硅板2.3转动一定角度θ i ，系统电路组件8根据转动角度θ i 可以计算前置镀膜硅板2.2和后置镀膜硅板2.3镀膜总厚度为d i ，从而可以计算出波前相位变化为φ i ；
3）当目标场景红外辐射光透过波前调制系统，其波前相位会改变φ i ，经过红外光学系统后，红外辐射光被汇聚到面阵红外焦平面6的靶面上，接着面阵红外焦平面6将红外辐射信号转变为模拟电信号输入到系统电路组件中。
4）系统电路组件8将接受到的模拟电信号转换为数字红外图像y i ，并存储在内存中，同时还向电机伺服系统发送信号，使其控制后置安装板2.4带动后置镀膜硅板2.3转动一定角度，然后再次回到步骤2），完成步骤2）到4)。
5）当系统电路组件8获得了T帧红外图像后，通过高速数字运算，最小化下面的惩罚函数（1），从而得到一幅大气湍流校正后的超分辨率红外图像。
（1）
其中，为面阵红外探测器焦平面的下采样算符，PSF t 为大气湍流引起的点扩散函数，为估计出的PSF t 的相位参数，为估计的超分辨率复原图像，M、N分别为水平和垂直方向的像素个数。图像复原的方法如图3所示。通过采用迭代算法，找出能使函数（1）最小化的和。最小化过程可以细分为两步：a）固定参数，采用梯度下降法求出使函数E最小的图像估计；b）固定，采用基于牛顿法的子空间信任区域法（subspace trust-region）找出使函数E最小的参数。
6）在上述过程中，制冷机7保持工作状态，维持面阵红外探测器焦平面6的低温稳定工作环境。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (5)
1. 一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，其特征在于，包括沿光轴方向依次设置的大口径保护窗、波前调制系统、红外光学系统、面阵红外探测器焦平面、制冷机以及同时与面阵红外探测器焦平面和制冷机连接的系统电路组件；所述波前调制系统还与面阵红外探测器焦平面连接；所述波前调制系统包括：一个前置安装板、安装在前置安装板上的前置镀膜硅板、安装在前置镀膜硅板后方的后置镀膜硅板、用于安装固定后置镀膜硅板的后置安装板、用于装载前置安装板和后置安装板并安装在后置安装板后方的装载系统、以及一个用于高精度控制后置安装板带动后置镀膜硅板按照系统指令转动的电机伺服系统；所述前置安装板和后置安装板均装载在与电机伺服系统相连的装载机构上，并且前置安装板不能转动，只有安装有后置镀膜硅板的后置安装板能够由电机伺服系统控制转动。
2. 根据权利要求1所述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，其特征在于，所述前置镀膜硅板和后置镀膜硅板之间的距离小于等于100微米。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，其特征在于，所述前置镀膜硅板和后置镀膜硅板均是极薄的红外光高透硅板，其板面上镀上中波红外光高透膜，并且其镀膜厚度根据参数已知的二维曲面函数计算获得，二维曲面函数的二维坐标对应于镀膜硅板上各点的位置，通过设定特定的函数参数，使得计算出的镀膜厚度有轻微的波动，呈非均匀分布，其最厚处和最薄处相差不超过3微米。
4. 根据权利要求1所述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，其特征在于，所述前置镀膜硅板和后置镀膜硅板的镀膜厚度是互补的，即，当前置镀膜硅板和后置镀膜硅板的相对转动角度为零度的时候，前置镀膜硅板和后置镀膜硅板的镀膜厚度之和对于前置镀膜硅板和后置镀膜硅板上各个点是一样的。
5. 根据权利要求1所述的一种基于大气湍流校正的超分辨率红外热像仪，其特征在于，所述电机伺服系统带动后置安装板从而引起后置镀膜硅板相对前置镀膜硅板转动，从而对透过的红外光进行波前相位调制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |