CN104168429A - 一种多孔径分波段高分辨率成像装置及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔径分波段高分辨率成像装置及其成像方法。该装置包括卡塞格林光学系统和多孔径分波段成像装置；卡塞格林光学系统由卡塞格林望远镜主镜和卡塞格林望远镜次镜构成；多孔径分波段成像装置包括四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列、四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜、焦平面编码模板和隔光挡板。本发明克服了现有技术中单一波段红外图像对于小目标的检测中遇到的困难，减小目标检测的虚警概率。本发明同时具有超高分辨率成像能力，节省成像像元的优点；并且有效地克服了普遍存在的视场角度小的缺陷。

Description

一种多孔径分波段高分辨率成像装置及其成像方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及的是一种多孔径分波段高分辨率成像装置及其成像方法。

背景技术

传统基于单通道的红外成像导引头普遍存在视场角度小、分辨率低、成像波段单一等缺陷，并且存在难以实现多波段、小型化的问题。这对于实现高分辨率、宽视场、多波段、小型化和良好探测与跟踪能力的红外成像系统的目标造成了很大的阻碍。

哈尔滨工业大学在其申请的专利“球面成像装置及其成像方法”(申请号201001173948.9，公开号CN101867709A)中公开了一种使用球面成像装置的大视场成像方法。该方法采样的球面成像装置由光电转换单元和信号处理单元组成，通过实验测量获得系统点扩散函数，记录目标图像在接收面上的光强分布，最后进行采样频域变换和逆滤波获得大视场图像。该方法存在的不足是，球面成像装置的光学系统结构复杂，需要测量系统点扩散函数，没有生成超分辨率图像，不能解决现有技术中难以通过减小像元尺寸或增加像元数量的方式提高成像分辨率的问题。

西安电子科技大学在其申请的专利“一种超分辨率大视场红外成像方法”(专利申请号201310392234.0，公开号CN103442234A)中公开了一种利用多孔径成像模型获得大视场的高分辨率红外图像的方法。该方法通过压缩感知理论设置压缩编码模板，将模板放置在每个成像孔径的传感器焦平面阵列处，利用稀疏优化算法对每个孔径处获得的多幅低分辨率单元图像进行重构，进而获得超分辨率大市场图像。该方法存在的不足是，系统成像波段单一，对于复杂背景下的目标的识别和提取以及背景杂波的抑制，利用该方法得到的图像会显示出明显的缺陷。

西安电子科技大学在其申请的专利“基于压缩感知孔径的超分辨率成像系统及成像方法”(转申请号201110329866.3，公开号CN102438102A)中公开了一种通过低分辨率采样及图像重构的超分辨率成像方法。该方法基于压缩感知理论设计制作孔径编码模板，置于系统的孔径光阑处，对于整个光场进行混叠，利用低密度的红外探测器阵列获得低分辨率编码图像，最后通过优化解码重建生成超分辨率图像。该方法解决了现有技术红外成像代价昂贵的问题，但是，该方法存在的不足是，单通道成像系统的视场角小，不能在大视场范围生成超分辨率图像。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种多孔径分波段高分辨率成像装置及其成像方法。

本发明的技术方案如下：

一种多孔径分波段高分辨率成像装置，该装置包括卡塞格林光学系统和多孔径分波段成像装置；其技术方案为：

1)卡塞格林光学系统由卡塞格林望远镜主镜2和卡塞格林望远镜次镜1构成；卡塞格林望远镜主镜2是一块中心具有开孔的抛物面镜，卡塞格林望远镜次镜1是一块双曲面镜；卡塞格林望远镜次镜1的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜2的抛物面焦点重合；卡塞格林望远镜主镜2接收来自目标的多个波段的光束；卡塞格林望远镜主镜2和卡塞格林望远镜次镜1垂直于入射光线平行放置，使卡塞格林望远镜次镜1的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜2的抛物面焦点重合；

2)多孔径分波段成像装置3放置于卡塞格林望远镜次镜1的另一共轭焦点处；

3)多孔径分波段成像装置3包括四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列6、四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜4、焦平面编码模板7和隔光挡板5；

4)四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列用于采集由各个波段透镜汇聚的光学信号，四块CCD探测器阵列呈田字形放置；选取红外探测器像元尺寸为25×25μm，每个孔径对应64×64像素探测器阵列，探测器阵列总规模为128×128像素；

5)四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜用于将卡塞格林系统反射的光束汇聚于四块CCD探测器阵列；在四种波段的CCD探测阵列前端分别设置相应的光学成像透镜，透镜与探测器平面之间的距离等于透镜的焦距；

6)焦平面编码模板用于对中波红外和长波红外探测器所成图像进行编码；可见光波段和短波红外直接对目标场景进行成像，针对中波红外CCD探测器阵列像元和长波红外CCD探测器阵列像元采用4×4焦平面编码模板，将焦平面编码模板放置于中波红外和长波红外的CCD探测器阵列前；

7)隔光挡板用于分割四个成像孔径，以保证各个孔径的成像光束不会互相干扰；在每个透镜四周添加隔光挡板，每个透镜会聚一个波段的光波，在对应的CCD探测器阵列上获得四幅不同波段的单元图像阵列。

所述的焦平面编码模板的特点是：1)按水平和垂直方向依次划分出与CCD探测器阵列水平和垂直方向像元数目相等的大正方形区域，该大正方形区域与红外探测器单个像元尺寸相同；2)将每个大正方形区域划分成4×4阵列区域，形成16个小正方形区域；3)初始时刻，大正方形区域中的每个小正方形区域随机地有50％透光，50％不透光；经过Δt每个小正方形区域的透光情况发生变化，随机产生50％的透光区域和50％不透光区域，即在每个Δt内，随机产生一种编码模式。

利用所述的多孔径分波段高分辨率成像装置的成像方法，其步骤如下：

1)获取可见光高分辨率图像、短波红外高分辨率图像、中波红外和长波红外低分辨率编码图像

场景辐射信号经过卡塞格林光学系统到达多孔径分波段成像装置处，对于可见光和短波红外波段，通过一次测量各获得一幅可见光高分辨率图像和短波红外高分辨率图像；对于中波红外和长波红外波段，在焦平面编码模板产生的每种编码模式的Δt时间段内进行拍摄成像，完成M次测量成像，分别获得M幅中波红外低分辨率编码图像和M幅长波红外低分辨率编码图像；

2)对所获得的图像进行图像预处理

通过中值滤波器，对获得的可见光、短波红外波段图像、M幅中波红外低分辨率编码图像和M幅长波红外低分辨率编码图像进行预处理，滤除其中的噪声，获得一幅滤除噪声的可见光图像、一幅滤除噪声的短波红外图像、M幅滤除噪声的中波红外低分辨率编码图像和M幅滤除噪声的长波红外低分辨率编码图像；

3)重构中波红外和长波红外低分辨率编码图像

将M幅中波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个M维列向量；将M幅长波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个M维列向量；采用稀疏优化重构方法，对得到的每一组M维列向量进行重构，获得重建的超分辨率图像向量组；将向量组重新排列成为分辨率增加4×4倍的高分辨率中波红外和长波红外图像；

4)将获得的四个波段的高分辨率图像进行信息融合互补

在对同一场景拍摄后，得到同一场景的可见光图像、短波红外图像，中波红外高分辨率图像、长波红外高分辨率图像；最后对这四幅图像进行信息融合互补，实现特征提取、目标识别和目标跟踪应用。

本发明采用了多波段成像，克服了现有技术中单一波段红外图像对于小目标的检测中遇到的的困难，减小目标检测的虚警概率。由于本发明在系统的中波红外和长波红外的孔径光阑处放置了焦平面编码模板，使用稀疏优化重构算法重构高分辨率图像，克服了现有技术中难以通过减小像元尺寸增加像元数量的方式提高成像分辨率的不足，使得本发明具有了超高分辨率成像能力，节省成像像元的优点。由于本发明采用了多个孔径对同一场景进行成像，相比传统基于单通道的红外成像系统，有效地克服了普遍存在的视场角度小的缺陷。

附图说明

图1为本发明的系统装置组成图；图中，1卡塞格林望远镜次镜、2卡塞格林望远镜主镜、3多孔径分波段成像装置、4透镜、5隔光挡板、6CCD探测器阵列、7焦平面编码模板；F1’为抛物面主反射镜的焦点，F’为双曲面副反射镜的焦点。

图2为本发明的实施方法步骤图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例

1、多孔径分波段高分辨率成像装置

参照图1，本发明的装置包括两个部分，卡塞格林光学系统，多孔径分波段成像装置。

卡塞格林光学系统组成：由图1可以看出，整个卡塞格林光学系统由卡塞格林望远镜主镜2、卡塞格林望远镜次镜1构成。卡塞格林望远镜主镜2是一块中心具有开孔的抛物面镜，卡塞格林望远镜次镜1是一块双曲面镜，卡塞格林望远镜次镜1的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜2的抛物面焦点重合。图1中F1’为抛物面主反射镜的焦点，F’为双曲面副反射镜的焦点。入射平行光线经由卡塞格林望远镜主镜2反射形成汇聚光束，再由卡塞格林望远镜次镜1反射汇聚于位于卡塞格林望远镜主镜2后方的多孔径分波段成像装置3处。

卡塞格林光学系统的具体参数如下：

焦距f：261.3mm，视场角2ω：2.6°，相对孔径D/f＝12.6。

多孔径分波段成像装置组成：参见图1，该多孔径分波段成像装置由透镜4，隔光挡板5，CCD探测器阵列6和焦平面编码模板7组成；CCD探测器阵列6由四块大小相等的正方形可见光、短波红外(SWIR)、中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)CCD探测器阵列组成，四块CCD探测器阵列呈田字形排列。

所述的四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列用于采集由各个波段透镜汇聚的光学信号，四块CCD探测器阵列呈田字形放置；选取红外探测器像元尺寸为25×25μm，每个孔径对应64×64像素探测器阵列，CCD探测器阵列总规模为128×128像素。

每个孔径的尺寸为4.5mm×4.5mm，多孔径分波段成像装置的尺寸为1cm×1cm。

所述的四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜用于将卡塞格林光学系统反射的光束汇聚于四块CCD探测器阵列；在四种波段的CCD探测器阵列前端分别设置相应的光学成像透镜，透镜与探测器平面之间的距离等于透镜的焦距；

所述的焦平面编码模板用于对中波红外和长波红外探测器所成图像进行编码；可见光波段和短波红外波段直接对目标场景进行成像，针对中波红外CCD探测器阵列像元和长波红外CCD探测器阵列像元采用4×4焦平面编码模板，将焦平面编码模板放置于中波红外和长波红外的CCD探测器阵列前；

所述的隔光挡板用于分割四个成像孔径，以保证各个孔径的成像光束不会互相干扰；在每个透镜四周添加隔光挡板，每个透镜会聚一个波段的光波，在对应的CCD探测器阵列上获得四幅不同波段的单元图像阵列。

2、焦平面编码模板的特征

(1)按水平和垂直方向依次划分出与CCD探测器阵列水平和垂直方向像元数目相等的大正方形区域，该大正方形区域与红外探测器单个像元尺寸相同；

(2)将每个大正方形区域划分成4×4阵列区域，形成16个小正方形区域；

(3)初始时刻，大正方形区域中的每个小正方形区域随机地有50％透光，50％不透光。经过Δt每个小正方形区域的透光情况发生变化，随机产生50％的透光区域和50％不透光区域，即在每个Δt内，随机产生一种编码模式。

3、参照图2，本发明的成像方法具体步骤如下：

(1)获取可见光高分辨率图像、短波红外高分辨率图像、中波红外和长波红外低分辨率编码图像

场景辐射信号经过卡塞格林光学系统到达多孔径分波段成像装置处，对于可见光和短波红外波段，通过一次测量各获得一幅可见光高分辨率图像和短波红外高分辨率图像。对于中波红外和长波红外波段，在焦平面编码模板产生的每种编码模式的Δt时间段内进行拍摄成像，完成16次测量成像，分别获得16幅中波红外低分辨率编码图像和16幅长波红外低分辨率编码图像。

(2)对所获得的图像进行图像预处理

通过中值滤波器，对获得的可见光、短波红外波段图像、16幅中波红外低分辨率编码图像和16幅长波红外低分辨率编码图像进行预处理，滤除其中的噪声，获得一幅滤除噪声的可见光图像、一幅滤除噪声的短波红外图像、16幅滤除噪声的中波红外低分辨率编码图像和16幅滤除噪声的长波红外低分辨率编码图像。

(3)重构中波红外和长波红外低分辨率编码图像

将16幅中波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个16维列向量；将16幅长波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个16维列向量；采用稀疏优化重构方法，对得到的每一组16维列向量进行重构，获得重建的超分辨率图像向量组。将向量组重新排列成为分辨率增加4×4倍的高分辨率中波红外和长波红外图像。

稀疏优化重构方法的具体步骤如下：

第一步，在焦平面编码模板的一个大正方形光调制区域内，将光通过的区域设定为1，光不通过的区域设定为0，按照大正方形每一时刻的透光特征规律，生成压缩编码矩阵；将压缩编码矩阵按行展开，得到压缩编码行向量。经过t时间完成16次随机测量，对于探测器的每个相互独立的像素可得到16个测量数据。

第二步，将中波红外和长波红外16幅低分辨率编码图像中的同一像元像素值按列展开，得到16维列向量。对于探测器的每个相互独立的像素，该过程表示为：

y=Φf

展开成向量形式为：

$\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\\ ...\\ y_{16}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Φ}}_1\\ {\mathrm{\Φ}}_2\\ ...\\ {\mathrm{\Φ}}_{16}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{f}_1\\ f_2\\ ...\\ f_{16}\end{array}\right]$

其中，Ф_i(i＝1,2,...,16)表示第i次压缩测量对应的模板编码矩阵转换为1×(4×4)维向量的结果，f为该像素区域内光场强度转化为列向量的结果。探测器上所有像元重建过程都是相同的且独立进行，为平衡计算时间和重构准确度，本文采用梯度投影稀疏重建算法对图像进行优化重构。

第三步，将低分辨率编码图像列向量投影到稀疏域，得到初始稀疏分解稀疏向量：

θ₀＝(DAψ)^-1y

其中θ₀表示初始稀疏分解系数向量，D表示降采样矩阵，A表示焦平面编码模板所对应的测量矩阵，ψ表示稀疏域下的稀疏变换，稀疏域是指小波域，离散余弦域或者傅里叶域，(·)^-1表示矩阵的逆运算，y表示16幅低分辨率编码图像中的同一像元像素值按列展开得到的列向量。

第四步，采用梯度投影稀疏重构算法，将稀疏域的矩阵、初始稀疏分解稀疏向量、焦平面编码模板对应的测量矩阵作为初始输入值，求解最小二范数优化方程，得到最佳优化估计向量。

其中，最小二范数迭代方程如下：

$\widehat{\mathrm{\θ}}=\arg \underset{\mathrm{\θ}}{\min }\frac{1}{2}{\left|\right|y-\mathrm{DA\Ψ\θ}\left|\right|}_2^2+\mathrm{\τ}{\left|\right|\mathrm{\θ}\left|\right|}_1$

其中，代表最佳稀疏分解估计系数，arg min_θ(·)代表以初始稀疏分解系数向量为变量的条件最小算符，θ代表初始稀疏分解的系数向量，y代表对低分辨率编码图像进行向量化得到的列向量，D表示降采样矩阵，A表示焦平面编码模板所对应的测量矩阵，Ψ表示稀疏域，τ表示惩罚因子，τ的取值范围为0到1的小数，表示对二范数求平方值。

(4)将获得的四个波段的高分辨率图像进行信息融合互补

在对同一场景拍摄后，可以得到同一场景的可见光图像、短波红外图像，中波红外高分辨率图像、长波红外高分辨率图像。最后对这四幅图像进行信息融合互补，实现特征提取、目标识别和目标跟踪等应用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多孔径分波段高分辨率成像装置，该装置包括卡塞格林光学系统和多孔径分波段成像装置；其特征在于：

1)卡塞格林光学系统由卡塞格林望远镜主镜(2)和卡塞格林望远镜次镜(1)构成；卡塞格林望远镜主镜(2)是一块中心具有开孔的抛物面镜，卡塞格林望远镜次镜(1)是一块双曲面镜；卡塞格林望远镜次镜(1)的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜(2)的抛物面焦点重合；卡塞格林望远镜主镜(2)接收来自目标的多个波段的光束；卡塞格林望远镜主镜(2)和卡塞格林望远镜次镜(1)垂直于入射光线平行放置，使卡塞格林望远镜次镜(1)的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜(2)的抛物面焦点重合；

2)多孔径分波段成像装置(3)放置于卡塞格林望远镜次镜(1)的另一共轭焦点处；

3)多孔径分波段成像装置(3)包括四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列(6)、四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜(4)、焦平面编码模板(7)和隔光挡板(5)；

4)四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列用于采集由各个波段透镜汇聚的光学信号，四块CCD探测器阵列呈田字形放置；选取红外探测器像元尺寸为25×25μm，每个孔径对应64×64像素探测器阵列，探测器阵列总规模为128×128像素；

5)四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜用于将卡塞格林系统反射的光束汇聚于四块CCD探测器阵列；在四种波段的CCD探测阵列前端分别设置相应的光学成像透镜，透镜与探测器平面之间的距离等于透镜的焦距；

6)焦平面编码模板用于对中波红外和长波红外探测器所成图像进行编码；可见光波段和短波红外直接对目标场景进行成像，针对中波红外CCD探测器阵列像元和长波红外CCD探测器阵列像元采用4×4焦平面编码模板，将焦平面编码模板放置于中波红外和长波红外的CCD探测器阵列前；

7)隔光挡板用于分割四个成像孔径，以保证各个孔径的成像光束不会互相干扰；在每个透镜四周添加隔光挡板，每个透镜会聚一个波段的光波，在对应的CCD探测器阵列上获得四幅不同波段的单元图像阵列。

2.根据权利要求1所述的多孔径分波段高分辨率成像装置，其特征是，所述焦平面编码模板的特点是：1)按水平和垂直方向依次划分出与CCD探测器阵列水平和垂直方向像元数目相等的大正方形区域，该大正方形区域与红外探测器单个像元尺寸相同；2)将每个大正方形区域划分成4×4阵列区域，形成16个小正方形区域；3)初始时刻，大正方形区域中的每个小正方形区域随机地有50％透光，50％不透光；经过Δt每个小正方形区域的透光情况发生变化，随机产生50％的透光区域和50％不透光区域，即在每个Δt内，随机产生一种编码模式。

3.利用权利要求1所述的多孔径分波段高分辨率成像装置的成像方法，其特征是，其步骤如下：

1)获取可见光高分辨率图像、短波红外高分辨率图像、中波红外和长波红外低分辨率编码图像

场景辐射信号经过卡塞格林光学系统到达多孔径分波段成像装置处，对于可见光和短波红外波段，通过一次测量各获得一幅可见光高分辨率图像和短波红外高分辨率图像；对于中波红外和长波红外波段，在焦平面编码模板产生的每种编码模式的Δt时间段内进行拍摄成像，完成M次测量成像，分别获得M幅中波红外低分辨率编码图像和M幅长波红外低分辨率编码图像；

2)对所获得的图像进行图像预处理

通过中值滤波器，对获得的可见光、短波红外波段图像、M幅中波红外低分辨率编码图像和M幅长波红外低分辨率编码图像进行预处理，滤除其中的噪声，获得一幅滤除噪声的可见光图像、一幅滤除噪声的短波红外图像、M幅滤除噪声的中波红外低分辨率编码图像和M幅滤除噪声的长波红外低分辨率编码图像；

3)重构中波红外和长波红外低分辨率编码图像

将M幅中波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个M维列向量；将M幅长波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个M维列向量；采用稀疏优化重构方法，对得到的每一组M维列向量进行重构，获得重建的超分辨率图像向量组；将向量组重新排列成为分辨率增加4×4倍的高分辨率中波红外和长波红外图像；

4)将获得的四个波段的高分辨率图像进行信息融合互补

在对同一场景拍摄后，得到同一场景的可见光图像、短波红外图像，中波红外高分辨率图像、长波红外高分辨率图像；最后对这四幅图像进行信息融合互补，实现特征提取、目标识别和目标跟踪应用。