[发明专利]一种基于超分辨率重建的星载多光谱成像系统设计方法

说明书

本发明公开了一种星载超分辨成像系统实现方法，其通过卫星在轨凝视成像获得同一区域的高时间分辨率视频影像，通过凝扫成像获得超分辨重建所需的亚像元位移信息以及各多光谱波段图像，通过对光学系统F数设计控制光学弥散斑大小，提高超分辨重建效果，引入光流法与特征法互校验指标模型增强亚像元信息提取的鲁棒性，采用全链路超分辨算法重建超分辨图像，从而同时实现了高时间分辨率、高空间分辨率、多光谱分辨率，采用本发明方案实现的星载超分辨成像系统，与相同分辨率尺度的传统星载成像系统相比，能够有效降低光学系统的口径、缩短焦距，从而降低系统的重量和成本。

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种多光谱的星载超分辨成像系统设计方法。

背景技术

高分辨率遥感是衡量一个国家光电技术水平的重要标志，具有巨大的商业与军事价值。传统星载成像系统中，要实现高几何分辨率成像，就要设计大口径、长焦距的光学镜头，使得系统的重量居高不下，通常运行于LEO轨道的米级高分辨率遥感卫星的成像系统重量在300kg以上，系统研制的周期十分漫长，成本高昂。特别是当前微小卫星以造价低、周期短、发射灵活，容易组成星座完成大卫星难以实现的任务等优点成为遥感领域技术创新方向，市场需求高速增长，其整星一般重量小于100kg，传统的高分辨率成像系统必然无法应用于微小卫星。

无论是传统的大卫星还是微小卫星，要在不牺牲分辨率的前提下降低成像系统的重量和研制成本，就必须发展新型成像系统。超分辨成像技术是计算光学领域的重要分支，它利用计算数学、信号处理等理论解决光学成像问题，通过提取具有亚像元位移的多帧影像之间的冗余信息重建高分辨率影像，打破了传统光电成像系统的空间分辨率极限，提高系统的整体指标，开辟了遥感成像探测的新思路。多帧图像超分辨率重建技术要求各帧低分辨率图像的之间除平移和旋转之外没有其它类型的仿射变换，卫星由于飞行高度高，很容易满足这个要求，因此，将超分辨率重建技术与卫星遥感结合的重点在于亚像元采集和提取设计、适用于超分辨成像的光学系统设计、以及超分辨重建算法设计。

另外，通过对高帧频面阵探测器的航天应用，除可获得具有亚像元位移的多帧影像之外，还可获得同一区域的视频影像，从而不再受卫星重访周期的限制。在探测器上覆以光谱滤光膜还可获得多光谱图像，提高成像的光谱分辨率。

现有超分辨率重建技术仅从图像处理算法角度设计超分辨率重建方法，未与成像系统和搭载平台相结合，一定程度上造成了物理先验信息的缺失，难以实现更精确的重建结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种星载超分辨成像系统实现方法，具有重量轻、体积小、研制周期短、研制成本低的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种星载超分辨成像系统实现方法，包括：

在星载超分辨成像系统的探测器表面覆盖全色滤光膜以及至少包含红、绿、蓝波段的多光谱滤光膜；

当所述星载超分辨成像系统利用凝视模式采样时，采集到全色图像和/或多光谱图像，对采集到的图像依次进行图像配准与图像裁剪后获得被测区域的视频影像；

当所述星载超分辨成像系统利用凝扫模式采样时，采集到全色图像与多光谱图像；对全色图像基于多帧序列图像超分辨率重建算法进行超分辨率重建；对多光谱图像依次进行图像配准与信噪比增强处理，之后再进行彩色合成并结合超分辨率重建后的全色图像进行全色增强处理。

所述星载超分辨成像系统中光学系统的各个参数关系式为：

2.44λF_#＝2.44λf/D＝D_airy＝p_ixel

其中，p_ixel为探测器像元尺寸；f/D＝F_#表示光学系统F数，f为焦距，D为口径；D_airy为光学系统弥散斑直径；λ为入射光波长；