[发明专利]一种多孔径分波段高分辨率成像装置及其成像方法

权利要求书

1.一种多孔径分波段高分辨率成像装置，该装置包括卡塞格林光学系统和多孔径分波段成像装置；其特征在于：

1)卡塞格林光学系统由卡塞格林望远镜主镜(2)和卡塞格林望远镜次镜(1)构成；卡塞格林望远镜主镜(2)是一块中心具有开孔的抛物面镜，卡塞格林望远镜次镜(1)是一块双曲面镜；卡塞格林望远镜次镜(1)的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜(2)的抛物面焦点重合；卡塞格林望远镜主镜(2)接收来自目标的多个波段的光束；卡塞格林望远镜主镜(2)和卡塞格林望远镜次镜(1)垂直于入射光线平行放置，使卡塞格林望远镜次镜(1)的双曲面焦点和卡塞格林望远镜主镜(2)的抛物面焦点重合；

2)多孔径分波段成像装置(3)放置于卡塞格林望远镜次镜(1)的另一共轭焦点处；

3)多孔径分波段成像装置(3)包括四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列(6)、四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜(4)、焦平面编码模板(7)和隔光挡板(5)；

4)四块大小相等的正方形的可见光、短波红外、中波红外和长波红外CCD探测器阵列用于采集由各个波段透镜汇聚的光学信号，四块CCD探测器阵列呈田字形放置；选取红外探测器像元尺寸为25×25μm，每个孔径对应64×64像素探测器阵列，探测器阵列总规模为128×128像素；

5)四块对应于可见光、短波红外、中波红外和长波红外的透镜用于将卡塞格林系统反射的光束汇聚于四块CCD探测器阵列；在四种波段的CCD探测阵列前端分别设置相应的光学成像透镜，透镜与探测器平面之间的距离等于透镜的焦距；

6)焦平面编码模板用于对中波红外和长波红外探测器所成图像进行编码；可见光波段和短波红外直接对目标场景进行成像，针对中波红外CCD探测器阵列像元和长波红外CCD探测器阵列像元采用4×4焦平面编码模板，将焦平面编码模板放置于中波红外和长波红外的CCD探测器阵列前；

7)隔光挡板用于分割四个成像孔径，以保证各个孔径的成像光束不会互相干扰；在每个透镜四周添加隔光挡板，每个透镜会聚一个波段的光波，在对应的CCD探测器阵列上获得四幅不同波段的单元图像阵列。

2.根据权利要求1所述的多孔径分波段高分辨率成像装置，其特征是，所述焦平面编码模板的特点是：1)按水平和垂直方向依次划分出与CCD探测器阵列水平和垂直方向像元数目相等的大正方形区域，该大正方形区域与红外探测器单个像元尺寸相同；2)将每个大正方形区域划分成4×4阵列区域，形成16个小正方形区域；3)初始时刻，大正方形区域中的每个小正方形区域随机地有50％透光，50％不透光；经过Δt每个小正方形区域的透光情况发生变化，随机产生50％的透光区域和50％不透光区域，即在每个Δt内，随机产生一种编码模式。

3.利用权利要求1所述的多孔径分波段高分辨率成像装置的成像方法，其特征是，其步骤如下：

1)获取可见光高分辨率图像、短波红外高分辨率图像、中波红外和长波红外低分辨率编码图像

场景辐射信号经过卡塞格林光学系统到达多孔径分波段成像装置处，对于可见光和短波红外波段，通过一次测量各获得一幅可见光高分辨率图像和短波红外高分辨率图像；对于中波红外和长波红外波段，在焦平面编码模板产生的每种编码模式的Δt时间段内进行拍摄成像，完成M次测量成像，分别获得M幅中波红外低分辨率编码图像和M幅长波红外低分辨率编码图像；

2)对所获得的图像进行图像预处理

通过中值滤波器，对获得的可见光、短波红外波段图像、M幅中波红外低分辨率编码图像和M幅长波红外低分辨率编码图像进行预处理，滤除其中的噪声，获得一幅滤除噪声的可见光图像、一幅滤除噪声的短波红外图像、M幅滤除噪声的中波红外低分辨率编码图像和M幅滤除噪声的长波红外低分辨率编码图像；

3)重构中波红外和长波红外低分辨率编码图像

将M幅中波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个M维列向量；将M幅长波红外低分辨率编码图像中的同一像元的像素值按列展开，得到该像元的一个M维列向量；采用稀疏优化重构方法，对得到的每一组M维列向量进行重构，获得重建的超分辨率图像向量组；将向量组重新排列成为分辨率增加4×4倍的高分辨率中波红外和长波红外图像；

4)将获得的四个波段的高分辨率图像进行信息融合互补

在对同一场景拍摄后，得到同一场景的可见光图像、短波红外图像，中波红外高分辨率图像、长波红外高分辨率图像；最后对这四幅图像进行信息融合互补，实现特征提取、目标识别和目标跟踪应用。