高分辨率成像系统的超分辨率快速算法研究

扫描成像广泛用于红外遥感领域，获取高分辨率图像所需的超长线阵探测器近期国内难以生产。设计一种利用光纤束耦合、小规模面阵探测器接收图像的高分辨率成像系统。光纤束入端为六角形/叠层线阵排列、出端为面阵排列，图像经光纤束传输发生空间线/面变换。微扫描成像时目标图像依次通过各层光纤，分离各层光纤耦合的图像得到序列图像。邻近层光纤之间的亚像元错位及微扫描导致系列图像在光纤径向方向和扫描方向都存在细微差异，针对序列图像的空间差异进行超分辨率处理可大幅度提高空间分辨率。结合遥感成像实时性要求，围绕光纤束结构及微扫描技术开展超分辨率快速算法研究。采用相位相关的非整运动参数估计建立微扫描运动模型；引入分层迭代的光流估计进行图像配准，利用改进的Cimmino行处理算法完成超分辨率处理，获取一维方向超过14000像素的高分辨率图像，空间分辨率达到角秒量级。本课题预期成果可用于对地观测、海上搜救等小目标探测场合。

由于提高红外探测器规模获取高分辨率图像的方式受到加工工艺和成本的限制，迫使人们探索高分辨率成像的新方法。本项目围绕光纤束异型结构及微扫描工作方式开展大尺寸图像超分辨率快速处理研究，设计一种利用光纤束耦合、小规模面阵探测器接收图像的高分辨率成像系统。光纤束入端为六角形/叠层线阵排列、出端为面阵排列，图像经光纤束传输发生空间线/面变换。微扫描成像时目标图像依次通过各层光纤，分离各层光纤耦合的图像得到序列图像。邻近层光纤之间的亚像元错位及微扫描导致系列图像在光纤径向方向和扫描方向都存在细微差异，针对序列图像的空间差异进行超分辨率处理可大幅度提高空间分辨率。课题主要研究有：在微扫描模式下各层光纤耦合图像的获取方法；研究大尺度多帧图像的超分辨率快速算法；同时根据理论研究成果和需求来优化光学成像系统和硬件电路处理平台。研究过程中针对光纤耦合图像的超分辨率重建问题，提出了基于邻近层光纤耦合图像的超分辨率重建算法，为确保各层光纤耦合的图像在重建目标图像时均匀镶嵌，提高超分辨率处理时图像匹配融合的精度，我们采取了对微扫描步进参数估计，建立微扫描运动模型的方法，并作为后端图像配准、融合的依据。针对相邻层光纤耦合图像提出了基于多峰拟合扩展相位相关匹配算法和基于双向邻域过滤策略的匹配算法。同时，针对FPGA+DSP硬件平台实现和优化了高分辨率图像处理算法，并从实际成像系统中获取和重建得到了8000×7520的高分辨率图像，验证了本课题的理论研究成果。本课题的研究成果包括在国内外相关领域期刊和会议上发表论文25篇，申报专利4项，其中授权1项，培养硕士10名,在站博士后1名，在读硕士研究生7名、在读博士研究生1名。