【摘要】：電荷耦合器件(CCD)被廣泛應(yīng)用于航空和航天遙感成像中,在環(huán)境監(jiān)測、資源普查、地形測繪和軍事偵察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,隨著遙感應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,人們對遙感相機(jī)的分辨率提出越來越高的要求。采用傳統(tǒng)方法提高遙感相機(jī)分辨率,一是增大光學(xué)系統(tǒng)焦距,則會造成遙感相機(jī)體積、質(zhì)量、成本大大增加,且必須重新設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng);二是減小CCD像元尺寸,在光機(jī)系統(tǒng)不變的情況下,減小CCD像元尺寸,造成成像系統(tǒng)MTF下降、信噪比降低,影響成像質(zhì)量。尤其是在紅外探測方面,由于紅外譜段的特殊性質(zhì)及紅外譜段感光材料的限制,相比于可見光譜段探測器,紅外探測器的像元尺寸一般較大,像元間距也較大,在相同的光學(xué)系統(tǒng)下,紅外譜段圖像的分辨率較低,采用傳統(tǒng)方法提高紅外相機(jī)空間分辨率,將造成衛(wèi)星相機(jī)體積、質(zhì)量成倍增長,光機(jī)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn),對衛(wèi)星裝載平臺要求更苛刻。如何在現(xiàn)有光機(jī)系統(tǒng)不變的前提下,提高成像系統(tǒng)分辨率、增強(qiáng)圖像質(zhì)量,成為研究熱點(diǎn)問題。近年來,CCD錯位成像技術(shù)備受國內(nèi)外關(guān)注。CCD錯位成像技術(shù)能在不改變光學(xué)系統(tǒng)焦距和CCD像元尺寸的前提下,提高相機(jī)空間分辨率,增強(qiáng)圖像質(zhì)量,在具有相同或接近的空間分辨率的情況下,能減小相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的焦距,從而使衛(wèi)星相機(jī)的體積、質(zhì)量、成本降低,隨著航空航天相機(jī)向著高分辨、輕型化、小型化方向的不斷發(fā)展,深入研究和探索CCD錯位成像技術(shù),對提高衛(wèi)星相機(jī)、尤其是紅外相機(jī)空間分辨率、實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星小型化具有重大意義。應(yīng)用CCD錯位成像技術(shù)的關(guān)鍵在于如何獲取具有亞像素位移的低分辨率圖像以及如何從多幅低分辨率圖像提取冗余信息重構(gòu)高分辨率圖像,基于此,本文對CCD錯位成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及高分辨率圖像重構(gòu)技術(shù)做了深入的研究,論文主要研究工作以及研究成果如下。1,從調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的角度定量評估了CCD錯位成像模式的圖像質(zhì)量,建立了不同像元填充因子的CCD錯位成像的仿真數(shù)學(xué)模型,并在Matlab上采用ISO12233靶標(biāo)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。基于MTF的定量分析和基于Matlab的仿真表明,錯位成像能提高成像圖像的MTF,增強(qiáng)圖像質(zhì)量,綜合考慮光學(xué)遙感成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)量、信噪比及系統(tǒng)復(fù)雜度等因素,由兩排線陣CCD錯位1/2像元的錯位成像模式和面陣CCD四點(diǎn)錯位成像模式性價(jià)比最高,確立了最優(yōu)的CCD錯位成像方案,為CCD錯位成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。2,建立了一種基于高精度二維平移臺的CCD錯位成像系統(tǒng),采用自行設(shè)計(jì)的KAI-1020成像系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對角錯位成像模式和四點(diǎn)錯位成像模式,得到相互錯位半個像元的多幅低分辨率圖像。采用SIFT配準(zhǔn)方法對得到的錯位圖像進(jìn)行配準(zhǔn),結(jié)果表明,平均錯位誤差為0.015個像元,最大錯位誤差為0.05個像元。提出的錯位成像實(shí)現(xiàn)方法對移位精度要求低、易于實(shí)現(xiàn),克服了現(xiàn)有CCD錯位成像實(shí)現(xiàn)方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大、成本高、周期長、對移位精度要求苛刻等缺點(diǎn)。3,提出了一種基于圖像梯度的三次B樣條高分辨率圖像重構(gòu)算法,對對角錯位成像模式中得到的兩幅相互錯位半個像元的低分辨率圖像進(jìn)行插值重構(gòu),得到重構(gòu)高分辨率圖像。與傳統(tǒng)插值算法的對比表明,提出的算法在各項(xiàng)圖像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)上均有所提高,圖像的邊緣細(xì)節(jié)更豐富,減小了邊緣細(xì)節(jié)失真,視覺效果更好。4,提出結(jié)合CCD錯位成像技術(shù)和圖像復(fù)原技術(shù)提高圖像質(zhì)量,并提出了一種基于MTF的改進(jìn)維納濾波算法,補(bǔ)償重構(gòu)高分辨率圖像的MTF。采用基于MTF的改進(jìn)維納濾波算法進(jìn)行圖像復(fù)原,在銳化圖像細(xì)節(jié)的同時(shí),能在一定程度上抑制平坦區(qū)域的噪聲,提高圖像的信噪比。對錯位成像得到的相互錯位半個像元的低分辨率圖像進(jìn)行重構(gòu),并進(jìn)一步進(jìn)行圖像復(fù)原,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,錯位成像技術(shù)能將圖像分辨率至少提高1.4倍,降低圖像混疊,增強(qiáng)圖像質(zhì)量。采用基于MTF的改進(jìn)維納濾波算法進(jìn)行圖像復(fù)原,有效補(bǔ)償了重構(gòu)高分辨率圖像的MTF,在銳化圖像細(xì)節(jié)的同時(shí),抑制了平坦區(qū)域的噪聲,提高了圖像信噪比。結(jié)合CCD錯位成像技術(shù)和圖像復(fù)原技術(shù),解決了重構(gòu)圖像分辨率提高、MTF下降的問題。5,提出了一種CCD錯位成像的應(yīng)用實(shí)施方案。采用兩片相同的面陣CCD,通過半反半透棱鏡拼接實(shí)現(xiàn)CCD對角錯位成像模式,以FPGA為核心,控制兩片面陣CCD同時(shí)成像,得到同一時(shí)刻、同一場景在二維方向上均相互錯位半個像元的兩幅圖像,在FPGA上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)后期高分辨率圖像重構(gòu)算法和圖像復(fù)原,最終可以實(shí)時(shí)輸出分辨率得到提高、MTF也經(jīng)過補(bǔ)償?shù)母叻直媛蕡D像。采用兩片Sony公司ICX415AL為圖像傳感器,以Altera公司EP4CE30F484為主控制器,搭建完成了基于棱鏡拼接的CCD錯位成像系統(tǒng)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41

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4 本報(bào)特約記者 姜振

本文編號：2772207