[发明专利]一种TDICCD焦平面编码超分辨率成像装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超分辨率图像成像技术领域中的图像采集与重构，具体是一种基于TDI CCD焦平面编码的超分辨率光学成像装置及方法，属于图像处理技术领域。

背景技术

超分辨率光学成像在各个领域，如空间遥感、目标识别与跟踪等有重大需求。尽管光学成像技术已取得了巨大的进步，然而受探测器制作工艺、工作条件、功耗成本等因素的限制，目前常用的光学探测器阵列规模较小、像元尺寸较大，不足以应对人们不断增长的成像分辨率需求。

现有的超分辨成像方法主要包括传统的微扫描技术和亚像元拼接技术。微扫描可被视为一个过采样过程，控制扫描装置使得系统所成的像在横、纵坐标方向上产生1/N像素的位移，得到N×N帧欠采样图像，然后运用图像处理将多幅亚像素位移图像依照采样方式融合成一幅图像，实现提高分辨率的目的。亚像元拼接是用一台相机对同一地物目标成几组像，使得构成在线阵方向相距1/2像元的图像和垂直线阵方向相距1/2像元的图像。利用两组图像间相差1/2个像元的性质，进行数据处理和图像融合，可以将图像空间分辨率提高。微扫描技术和亚像元拼接技术总体来说都是将CCD阵列上互相错位不足一个像元距离的多帧欠采样图像，利用计算机图像处理获得高分辨率原始场景。

传统的超分辨率成像技术，无论是微扫描还是亚像元技术，都是间接地提高系统的采样率，增加最终的采样数，但是这些技术均未使CCD本身的结构发生变化，采样频率依旧低于Nyquist频率，即获得的图像阵列还包括大量模糊混淆现象，在通过图像处理算法进行图像重建时，只是在某种意义上提高了数据量，系统并未真正捕获到场景的某种高频信息，所以不会因提高采样频率而抑制频率混淆实现图像精确重构。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种TDI CCD焦平面编码超分辨率成像装置及方法，该装置和方法可捕获到目标场景更多信息，提高超分辨率成像能力，提高采样频率，减少混淆效应。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于TDI CCD焦平面编码的超分辨率光学成像装置，所述装置包括离轴三反光学系统、TDI CCD耦合编码编码模板、光学TDI CCD探测器和图像重构模块；

所述的离轴三反光学系统，用于控制观测场景的入射光线，并使光线到达所述的TDI CCD耦合编码模板进行空域调制；

所述的TDI CCD耦合编码模板，用于对进入离轴三反光学系统的光线进行空域调制，并使光线到达所述的光学TDI CCD探测器阵列进行低分辨率成像；

所述的光学TDI CCD探测器，用于将TDI CCD耦合编码模板空域调制后的光信号转化为电信号；

所述的图像重构模块，用于将所述的光学TDI CCD探测器转化获得的电信号进行预处理，并采用像素重排方法，对滤除噪声的低分辨率光学编码图像进行图像重构，最终获得超分辨率光学图像。

所述光学系统采用离轴三反设计，所述光学系统观测场景的入射光线通过可转动的反射镜进入光学系统主镜，经主镜反射后到达次镜，再经次镜反射到达三镜，再经次镜反射达到三镜，紧贴TDI CCD对准放置一个设计好的编码模板，使得光线经由TDI CCD耦合编码模板调制后经三镜反射到达光学TDI CCD探测器阵列，最后通过图像重构获得超分辨率光学图像。

所述离轴三反光学系统不存在色差和二级光谱，适合宽谱段范围的成像。

所述离轴三反光学系统既可以利用折转反射镜折叠光路缩短体积，容易实现轻量化设计，又可以使用非球面镜来获得长焦距、大视场、大孔径的组合，满足空间应用对光学系统设计的要求。

一种基于TDI CCD焦平面编码的超分辨率光学成像方法，包括如下步骤：

(1)设置光学TDI CCD探测器焦平面阵列：

将4个积分级数为16的线阵TDI CCD顺序拼接为一个焦平面阵列，得到设置好的光学TDI CCD探测器焦平面阵列；

(2)设置TDI CCD耦合编码模板：

2a)在空间光调制器的工作区域模板上，按水平和垂直方向依次划分出与光学TDI CCD探测器水平和垂直方向像元数目相等的正方向区域，该正方形区域与光学TDI CCD探测器单个像元尺寸相同；