超像素微掃描方法及相應(yīng)的紅外超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)提出一種超像素微掃描方法及相應(yīng)的紅外超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置。所述方法通過(guò)平行平板轉(zhuǎn)動(dòng)，使圖像在紅外焦平面探測(cè)器的成像平面上發(fā)生超像素位移D，位移量D大于紅外焦平面探測(cè)器的像元間距。所述裝置通過(guò)成像鏡頭組將圖像在紅外焦平面探測(cè)器成像，在成像鏡頭組和紅外焦平面探測(cè)器之間設(shè)置變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)，平行平板置于變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)中，紅外焦平面探測(cè)器連接圖像處理及顯示電路，平行平板始終與光軸保持一個(gè)小于但接近90°的夾角。本發(fā)明專利技術(shù)在不影響超分辨率重建圖像的質(zhì)量前提下，能降低微掃描對(duì)掃描光學(xué)元件加工精度的苛刻要求，對(duì)于不同場(chǎng)頻的探測(cè)器或者不同的掃描模式的情況，均可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景超分辨率實(shí)時(shí)成像的效果。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
超像素微掃描方法及相應(yīng)的紅外超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置
本專利技術(shù)屬于紅外熱成像
，具體涉及一種超像素微掃描方法，以及基于該超像素微掃描的低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景紅外超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置。
技術(shù)介紹
紅外成像技術(shù)是一種將不可見(jiàn)的紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)圖像的技術(shù)。它利用對(duì)紅外波段敏感的探測(cè)器來(lái)收集物體的紅外輻射能量分布，再通過(guò)合適的算法來(lái)恢復(fù)出物體的圖像。由于這一技術(shù)具有被動(dòng)性、隱蔽性、適應(yīng)全天候的特點(diǎn)，因此在軍事、醫(yī)療、公共安全等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。然而受目前半導(dǎo)體制作工藝的限制，相比于普通探測(cè)器，紅外探測(cè)器的像元數(shù)目少，像元尺寸大，像元間距大且各像元中開(kāi)口率也不高，導(dǎo)致了直接通過(guò)紅外探測(cè)器獲取到的紅外圖像的分辨率偏低，且由于采樣頻率不滿足奈奎斯特采樣定律，產(chǎn)生了頻率混疊的現(xiàn)象，進(jìn)而整個(gè)圖像的質(zhì)量比較差。這已經(jīng)無(wú)法滿足軍事上高精度目標(biāo)識(shí)別與定位、精確制導(dǎo)、精確打擊等需求。解決這一問(wèn)題的途徑主要有兩種，一種是改進(jìn)半導(dǎo)體制作工藝水平來(lái)增大像元數(shù)目、減小像元尺寸、提高像元的開(kāi)口率，從而達(dá)到提高圖像分辨率的目的。另一種是采用微掃描方法，有效地重復(fù)利用紅外探測(cè)器的各像素，通過(guò)微掃描作用來(lái)提高成像系統(tǒng)的空間采樣頻率，再?gòu)亩喾鶊D像中重建得到一幅高分辨率的圖像。前者由于這一途徑涉及到半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體加工等前沿領(lǐng)域，短期內(nèi)是很難實(shí)現(xiàn)的。后者雖然會(huì)增大系統(tǒng)的復(fù)雜度，但在短期內(nèi)是可以實(shí)現(xiàn)并帶來(lái)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。微掃描方法的關(guān)鍵技術(shù)是將圖像位移控制在亞像素(幾到幾十微米)量級(jí)，現(xiàn)階段主要通過(guò)I)移動(dòng)探測(cè)器；2)移動(dòng)光路兩類方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。前者采用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)探測(cè)器位移，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)影響探測(cè)器性能和壽命；后者采用平行平板抖動(dòng)/旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，它無(wú)需與探測(cè)器接觸即可實(shí)現(xiàn)無(wú)損掃描，但平行平板加工精度是制約此類微掃描技術(shù)發(fā)展的問(wèn)題之一。另一方面，通常采用的分光法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景實(shí)時(shí)成像，但由于分光法不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且造成了能量衰減，導(dǎo)致對(duì)紅外輻射較弱的目標(biāo)場(chǎng)景的超分辨率圖像重建效果非常不理想。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
為了解決移動(dòng)光路法中平行平板加工精度過(guò)于苛刻的問(wèn)題，本專利技術(shù)提供了一種超像素微掃描方法；為了動(dòng)態(tài)場(chǎng)景實(shí)時(shí)超分辨率成像的圖像質(zhì)量得到更好的保證，本專利技術(shù)還提供了一種基于超像素微掃描的低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置。本專利技術(shù)提供的一種超像素微掃描的方法，通過(guò)成像鏡頭組將一幅場(chǎng)景聚焦在紅外焦平面探測(cè)器上，再通過(guò)置于成像鏡頭組與紅外焦平面探測(cè)器之間的變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)帶動(dòng)平行平板轉(zhuǎn)動(dòng)，使圖像在紅外焦平面探測(cè)器的成像平面上發(fā)生超像素位移D，平行平板始終與光軸保持一個(gè)小于但接近90°的夾角。設(shè)置平行平板的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f和紅外焦平面探測(cè)器的場(chǎng)頻&滿足如下關(guān)系式f=f0/N, N = 2，4，9，16...當(dāng)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)頻率低于平行平板的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí)，平行平板每旋轉(zhuǎn)一周，紅外焦平面探測(cè)器自動(dòng)采集到N幅同一目標(biāo)場(chǎng)景的紅外圖像。掃描間距為紅外焦平面探測(cè)器的像元間距的倍，k = 1，2，3。N本專利技術(shù)所述的一種低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景超分辨率紅外實(shí)時(shí)成像裝置，包括成像鏡頭組、平行平板、變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)、紅外焦平面探測(cè)器和圖像處理及顯示電路。紅外焦平面探測(cè)器位于成像鏡頭組的焦平面上，變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)位于成像鏡頭組和紅外焦平面探測(cè)器之間，平行平板置于變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)中，紅外焦平面探測(cè)器連接圖像處理及顯示電路。所述的平行平板始終與光軸保持一個(gè)小于但接近90°的夾角，由變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)平行平板，使圖像在紅外焦平面探測(cè)器的成像平面上發(fā)生位移量 D。變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)的機(jī)械轉(zhuǎn)軸、平行平板的旋轉(zhuǎn)軸與系統(tǒng)光軸完全重合，且轉(zhuǎn)速可根據(jù)紅外焦平面探測(cè)器的場(chǎng)頻和掃描模式來(lái)匹配。平行平板的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f和紅外焦平面探測(cè)器的場(chǎng)頻fo滿足關(guān)系式f=fc/N，N = 2，4，9，16···，N表示當(dāng)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)頻率低于平行平板的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí)，平行平板每旋轉(zhuǎn)一周，紅外焦平面探測(cè)器自動(dòng)采集到N幅同一目標(biāo)場(chǎng)kN + 1景的紅外圖像；掃描間距為紅外焦平面探測(cè)器的像元間距的倍，k = 1，2，3。N所述的圖像處理及顯示電路包括圖像處理電路和圖像顯示電路兩部分，圖像處理電路中采用DSP、FPGA完成圖像信號(hào)的處理及控制，并把最終的圖像信號(hào)顯示在圖像顯示電路中的IXD屏幕上。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和積極效果在于(1)采用本專利技術(shù)的紅外實(shí)時(shí)成像裝置，可以得到超分辨率的紅外圖像，極大提高探測(cè)器的性能；(2)本專利技術(shù)超像素微掃描方法及其紅外實(shí)時(shí)成像裝置采用超像素的微掃描位移，降低了平行平板加工的難度，減少了由于加工公差產(chǎn)生的掃描位移相對(duì)誤差；(3)本專利技術(shù)的超像素微掃描方法，在不影響超分辨率重建圖像的質(zhì)量前提下，能降低微掃描對(duì)掃描光學(xué)元件加工精度的苛刻要求；(4)本專利技術(shù)的紅外實(shí)時(shí)成像裝置，對(duì)于不同場(chǎng)頻的探測(cè)器或者不同的掃描模式的情況，均可實(shí)現(xiàn)低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景超分辨率實(shí)時(shí)成像；(5)相比于分光法實(shí)時(shí)成像，本專利技術(shù)可對(duì)輻射源更弱的低動(dòng)態(tài)目標(biāo)物體實(shí)時(shí)成像。附圖說(shuō)明圖I是本專利技術(shù)的超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖2是旋轉(zhuǎn)的傾斜平行平板產(chǎn)生的光軸運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖3是本專利技術(shù)實(shí)施例中超分辨率圖像重建的示意圖4是采用本專利技術(shù)微掃描方法或本專利技術(shù)成像裝置得到的超分辨率圖像重建實(shí)物圖對(duì)比；其中I-成像鏡頭組；2_平行平板；3_變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)；4_紅外焦平面探測(cè)器；5-圖像處理及顯示電路。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)做進(jìn)一步說(shuō)明。本專利技術(shù)一是提供了一種超像素微掃描方法，在不影響超分辨率重建圖像的質(zhì)量前提下，能降低微掃描對(duì)掃描光學(xué)元件加工精度的苛刻要求；二是提供了一種低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景紅外超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置，對(duì)于不同場(chǎng)頻的探測(cè)器或者不同的掃描模式的情況，均可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景超分辨率實(shí)時(shí)成像的效果。如圖1所示，本專利技術(shù)提供的一種低動(dòng)態(tài)場(chǎng)景紅外超分辨率實(shí)時(shí)成像裝置包括成像鏡頭組I、平行平板2、變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)3、紅外焦平面探測(cè)器4和圖像處理及顯示電路5。紅外焦平面探測(cè)器4位于成像鏡頭組I的焦平面上，變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)3位于成像鏡頭組I和紅外焦平面探測(cè)器4之間，紅外焦平面探測(cè)器4連接圖像處理及顯示電路5。 通過(guò)成像鏡頭組I將一幅場(chǎng)景聚焦在紅外焦平面探測(cè)器4上，再通過(guò)變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)3 帶動(dòng)與光軸成一傾角的平行平板2轉(zhuǎn)動(dòng)，使圖像在紅外焦平面探測(cè)器4的成像平面上發(fā)生位移量D。圖像處理及顯示電路5包括圖像處理電路和圖像顯示電路兩部分，圖像處理電路中采用DSP、FPGA完成對(duì)紅外焦平面探測(cè)器4采集的圖像信號(hào)的處理，并把最終的圖像信號(hào)顯示在圖像顯示電路中的IXD屏幕上。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)的傾斜平行平板2產(chǎn)生的光軸軌跡是一個(gè)以原光軸為圓心，位移量D為半徑的圓周。傾斜放置的平行平板2產(chǎn)生光軸位移量D，由于位移量D大于紅外焦平面探測(cè)器4的像元間距，因此稱作超像素位移。設(shè)置平行平板2的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f和紅外焦平面探測(cè)器4的場(chǎng)頻&滿足如下關(guān)系式f=f0/N, N = 2，4，9，16...當(dāng)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)頻率低于平行平板2的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí)，平行平板2每旋轉(zhuǎn)一周，紅外焦平面探測(cè)器4自動(dòng)采集到N幅同一目標(biāo)場(chǎng)景的紅外圖像，再通過(guò)圖像處理算法重建超分辨率紅外圖像。例如，采用2X2的掃描方式，則平行平板旋轉(zhuǎn)一周，紅外焦平面探測(cè)器4 采集到4幅圖像，其中每?jī)煞噜張D像對(duì)應(yīng)的像點(diǎn)位置都本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種超像素微掃描方法，其特征在于，通過(guò)成像鏡頭組將一幅場(chǎng)景聚焦在紅外焦平面探測(cè)器上，再通過(guò)置于成像鏡頭組與紅外焦平面探測(cè)器之間的變轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)構(gòu)帶動(dòng)平行平板轉(zhuǎn)動(dòng)，使圖像在紅外焦平面探測(cè)器的成像平面上發(fā)生超像素位移D，平行平板的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f和紅外焦平面探測(cè)器的場(chǎng)頻f0滿足如下關(guān)系式：f=f0/N，N＝2,4,9,16…當(dāng)目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)頻率低于平行平板的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率時(shí)，平行平板每旋轉(zhuǎn)一周，紅外焦平面探測(cè)器自動(dòng)采集到N幅同一目標(biāo)場(chǎng)景的紅外圖像；掃描間距為紅外焦平面探測(cè)器的像元間距的倍，k＝1,2,3。FDA00002389764500011.jpg

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫鳴捷，林志立，劉星，于康龍，歐攀，張春熹，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：