[发明专利]超像素微扫描方法及相应的红外超分辨率实时成像装置

说明书

技术领域

本发明属于红外热成像技术领域，具体涉及一种超像素微扫描方法，以及基于该超像素微扫描的低动态场景红外超分辨率实时成像装置。

背景技术

红外成像技术是一种将不可见的红外辐射能量转换成可见图像的技术。它利用对红外波段敏感的探测器来收集物体的红外辐射能量分布，再通过合适的算法来恢复出物体的图像。由于这一技术具有被动性、隐蔽性、适应全天候的特点，因此在军事、医疗、公共安全等领域有着广泛而重要的应用。

然而受目前半导体制作工艺的限制，相比于普通探测器，红外探测器的像元数目少，像元尺寸大，像元间距大且各像元中开口率也不高，导致了直接通过红外探测器获取到的红外图像的分辨率偏低，且由于采样频率不满足奈奎斯特采样定律，产生了频率混叠的现象，进而整个图像的质量比较差。这已经无法满足军事上高精度目标识别与定位、精确制导、精确打击等需求。

解决这一问题的途径主要有两种，一种是改进半导体制作工艺水平来增大像元数目、减小像元尺寸、提高像元的开口率，从而达到提高图像分辨率的目的。另一种是采用微扫描方法，有效地重复利用红外探测器的各像素，通过微扫描作用来提高成像系统的空间采样频率，再从多幅图像中重建得到一幅高分辨率的图像。前者由于这一途径涉及到半导体材料、半导体加工等前沿领域，短期内是很难实现的。后者虽然会增大系统的复杂度，但在短期内是可以实现并带来实际应用价值。

微扫描方法的关键技术是将图像位移控制在亚像素（几到几十微米）量级,现阶段主要通过1）移动探测器；2）移动光路两类方法来实现。前者采用压电陶瓷实现探测器位移，但其机械结构复杂，且长期振动会影响探测器性能和寿命；后者采用平行平板抖动/旋转实现，它无需与探测器接触即可实现无损扫描，但平行平板加工精度是制约此类微扫描技术发展的问题之一。另一方面，通常采用的分光法来实现动态场景实时成像，但由于分光法不但结构复杂而且造成了能量衰减，导致对红外辐射较弱的目标场景的超分辨率图像重建效果非常不理想。

发明内容

为了解决移动光路法中平行平板加工精度过于苛刻的问题，本发明提供了一种超像素微扫描方法；为了动态场景实时超分辨率成像的图像质量得到更好的保证，本发明还提供了一种基于超像素微扫描的低动态场景超分辨率实时成像装置。

本发明提供的一种超像素微扫描的方法，通过成像镜头组将一幅场景聚焦在红外焦平面探测器上，再通过置于成像镜头组与红外焦平面探测器之间的变转速旋转扫描结构带动平行平板转动，使图像在红外焦平面探测器的成像平面上发生超像素位移D，平行平板始终与光轴保持一个小于但接近90°的夹角。

设置平行平板的转动频率f和红外焦平面探测器的场频f₀满足如下关系式：

f=f₀/N，N＝2,4,9,16…

当目标物体的运动频率低于平行平板的转动频率时，平行平板每旋转一周，红外焦平面探测器自动采集到N幅同一目标场景的红外图像。扫描间距为红外焦平面探测器的像元间距的倍，k＝1,2,3。

本发明所述的一种低动态场景超分辨率红外实时成像装置，包括成像镜头组、平行平板、变转速旋转扫描结构、红外焦平面探测器和图像处理及显示电路。红外焦平面探测器位于成像镜头组的焦平面上，变转速旋转扫描结构位于成像镜头组和红外焦平面探测器之间，平行平板置于变转速旋转扫描结构中，红外焦平面探测器连接图像处理及显示电路。

所述的平行平板始终与光轴保持一个小于但接近90°的夹角，由变转速旋转扫描结构带动旋转，通过转动平行平板，使图像在红外焦平面探测器的成像平面上发生位移量D。变转速旋转扫描结构的机械转轴、平行平板的旋转轴与系统光轴完全重合，且转速可根据红外焦平面探测器的场频和扫描模式来匹配。平行平板的转动频率f和红外焦平面探测器的场频f₀满足关系式：f=f₀/N，N＝2,4,9,16…，N表示当目标物体的运动频率低于平行平板的转动频率时，平行平板每旋转一周，红外焦平面探测器自动采集到N幅同一目标场景的红外图像；扫描间距为红外焦平面探测器的像元间距的倍，k＝1,2,3。

所述的图像处理及显示电路包括图像处理电路和图像显示电路两部分，图像处理电路中采用DSP、FPGA完成图像信号的处理及控制，并把最终的图像信号显示在图像显示电路中的LCD屏幕上。