CCD错位成像系统与高分辨率图像重构技术

发布时间：2020-07-27 18:29

【摘要】：电荷耦合器件(CCD)被广泛应用于航空和航天遥感成像中,在环境监测、资源普查、地形测绘和军事侦察等领域发挥着重要作用,随着遥感应用技术的发展,人们对遥感相机的分辨率提出越来越高的要求。采用传统方法提高遥感相机分辨率,一是增大光学系统焦距,则会造成遥感相机体积、质量、成本大大增加,且必须重新设计光学系统;二是减小CCD像元尺寸,在光机系统不变的情况下,减小CCD像元尺寸,造成成像系统MTF下降、信噪比降低,影响成像质量。尤其是在红外探测方面,由于红外谱段的特殊性质及红外谱段感光材料的限制,相比于可见光谱段探测器,红外探测器的像元尺寸一般较大,像元间距也较大,在相同的光学系统下,红外谱段图像的分辨率较低,采用传统方法提高红外相机空间分辨率,将造成卫星相机体积、质量成倍增长,光机结构难以实现,对卫星装载平台要求更苛刻。如何在现有光机系统不变的前提下,提高成像系统分辨率、增强图像质量,成为研究热点问题。近年来,CCD错位成像技术备受国内外关注。CCD错位成像技术能在不改变光学系统焦距和CCD像元尺寸的前提下,提高相机空间分辨率,增强图像质量,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CCD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。应用CCD错位成像技术的关键在于如何获取具有亚像素位移的低分辨率图像以及如何从多幅低分辨率图像提取冗余信息重构高分辨率图像,基于此,本文对CCD错位成像系统的实现以及高分辨率图像重构技术做了深入的研究,论文主要研究工作以及研究成果如下。1,从调制传递函数(MTF)的角度定量评估了CCD错位成像模式的图像质量,建立了不同像元填充因子的CCD错位成像的仿真数学模型,并在Matlab上采用ISO12233靶标进行了仿真验证。基于MTF的定量分析和基于Matlab的仿真表明,错位成像能提高成像图像的MTF,增强图像质量,综合考虑光学遥感成像系统的图像质量、数据量、信噪比及系统复杂度等因素,由两排线阵CCD错位1/2像元的错位成像模式和面阵CCD四点错位成像模式性价比最高,确立了最优的CCD错位成像方案,为CCD错位成像系统的设计提供了参考。2,建立了一种基于高精度二维平移台的CCD错位成像系统,采用自行设计的KAI-1020成像系统,实现了对角错位成像模式和四点错位成像模式,得到相互错位半个像元的多幅低分辨率图像。采用SIFT配准方法对得到的错位图像进行配准,结果表明,平均错位误差为0.015个像元,最大错位误差为0.05个像元。提出的错位成像实现方法对移位精度要求低、易于实现,克服了现有CCD错位成像实现方法结构复杂、实现难度大、成本高、周期长、对移位精度要求苛刻等缺点。3,提出了一种基于图像梯度的三次B样条高分辨率图像重构算法,对对角错位成像模式中得到的两幅相互错位半个像元的低分辨率图像进行插值重构,得到重构高分辨率图像。与传统插值算法的对比表明,提出的算法在各项图像质量评价指标上均有所提高,图像的边缘细节更丰富,减小了边缘细节失真,视觉效果更好。4,提出结合CCD错位成像技术和图像复原技术提高图像质量,并提出了一种基于MTF的改进维纳滤波算法,补偿重构高分辨率图像的MTF。采用基于MTF的改进维纳滤波算法进行图像复原,在锐化图像细节的同时,能在一定程度上抑制平坦区域的噪声,提高图像的信噪比。对错位成像得到的相互错位半个像元的低分辨率图像进行重构,并进一步进行图像复原,实验结果表明,错位成像技术能将图像分辨率至少提高1.4倍,降低图像混叠,增强图像质量。采用基于MTF的改进维纳滤波算法进行图像复原,有效补偿了重构高分辨率图像的MTF,在锐化图像细节的同时,抑制了平坦区域的噪声,提高了图像信噪比。结合CCD错位成像技术和图像复原技术,解决了重构图像分辨率提高、MTF下降的问题。5,提出了一种CCD错位成像的应用实施方案。采用两片相同的面阵CCD,通过半反半透棱镜拼接实现CCD对角错位成像模式,以FPGA为核心,控制两片面阵CCD同时成像,得到同一时刻、同一场景在二维方向上均相互错位半个像元的两幅图像,在FPGA上实时实现后期高分辨率图像重构算法和图像复原,最终可以实时输出分辨率得到提高、MTF也经过补偿的高分辨率图像。采用两片Sony公司ICX415AL为图像传感器,以Altera公司EP4CE30F484为主控制器,搭建完成了基于棱镜拼接的CCD错位成像系统。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41

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