一种分布式多模衍射成像方法技术

本发明专利技术公开了一种分布式多模衍射成像方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：根据应用需求设计分布式多模衍射成像系统，获取多视场、多谱段的时序图像；步骤二：对获取的多视场、多谱段的时序图像进行配准；步骤三：融合多视场、多谱段、多时相信息，实现超分辨率重建；步骤四：利用图像复原算法提升图像传递函数，去除非设计级次衍射光产生的背景辐射，得到高分辨率图像。本发明专利技术利用分布式排列的多个子衍射系统单独成像，且具有不同探测谱段，图像间存在亚像素偏移，获取多视场、多谱段、多时相图像数据后，通过融合、超分、复原算法最终获取高分辨率图像，具有高分辨率、轻量化、成本低等优势，为高分辨率光学卫星载荷跨越式发展提供了技术途径。术途径。术途径。

【技术实现步骤摘要】
一种分布式多模衍射成像方法


[0001]本专利技术属于光学成像领域，涉及一种图像获取方法，具体涉及一种超轻量化、高分辨率、软硬结合的光学遥感图像获取方法。

技术介绍

[0002]高分辨率高质量的光学卫星遥感图像能够迅速、准确捕获地球表面及其局部区域的最新时空信息，在环境监测、军事侦察、测绘、监视、告警等方面发挥着重要作用，对战时、平时的国家军事、政治和经济的意义不言而喻，由于轨道的特殊性，高轨卫星可实现对地重点区域持续观测，具备高时、空分辨率的监视能力。理论上，静止轨道实现1～2m分辨率需要通过10m以上口径才可实现。传统的单体空间光学载荷采用折/反射光学系统，即通过透镜和反射镜等常规光学元件实现光的聚焦和像差校正进行成像，为满足高分辨率成像需求，不得不采用昂贵的光学材料、复杂的光学表面面形和更多的光学元件数量，造成价格高，复杂度及重量、体积大大增加，难以满足空间光学载荷同时具有超大口径、轻量化、加工周期短、成本低等特点的要求。迫切需求研究超高分辨率、轻量化、成本低的新型成像技术。
[0003]衍射成像系统是通过在光学基地材料表面刻蚀浮雕微结构来实现衍射成像，具有重量超轻、面型设计自由度高、易于折叠/展开等优点，是解决超大口径光学载荷空间应用技术瓶颈难题的最有前景的创新成像体制之一。但超大口径衍射成像系统需要设计主镜的折叠展开结构，拼接精度不足会严重制约各孔径间共像性能，另一方面，衍射元件口径越大，其边缘微结构栅格密度越大，衍射效率越低，造成成像性能下降，此外衍射元件还存在宽谱段成像难题。因此，有必要将硬件设计、加工、应用保障难度适当转移至后端超分辨率重建算法，紧密结合硬件、软件匹配设计，提出新的超高分辨率、轻量化成像方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是面向超高分辨率高质量的光学遥感成像技术发展需求，提出一种分布式多模衍射成像方法，将前端系统设计与后端处理算法有机结合，利用多个分布式排列的衍射子系统获取多视场、多谱段的时序图像，结合配准、超分、复原等后端处理算法，获取高分辨率图像。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种分布式多模衍射成像方法，包括如下步骤：
[0007]步骤一：根据应用需求设计分布式多模衍射成像系统，获取多视场、多谱段的时序图像，其中：
[0008]分布式多模衍射成像系统由若干个分布式排列的子衍射系统组成，每个子衍射系统独立成像，排列方式不限于环形或矩阵结构；
[0009]每个子衍射系统的主镜均采用轻量化衍射元件，可采用单体衍射透镜结构，如菲涅尔透镜或光子筛结构，表面微结构根据具体焦距、谱段需求进行设计，对于无轻量化要求的应用场景，主镜也可采用传统折射/反射镜。
[0010]每个子衍射系统具有不同探测谱段，子衍射系统图像间存在亚像素视场偏移；
[0011]步骤二：对步骤一获取的多视场、多谱段的时序图像进行配准，所述配准方法为以基于金字塔结构的由粗到细的配准方法；
[0012]步骤三：采用小波融合、PCA融合、凸集投影或MAP等方法融合多视场、多谱段、多时相信息，实现超分辨率重建；
[0013]步骤四：利用图像复原算法提升图像传递函数，去除非设计级次衍射光产生的背景辐射，得到高分辨率图像，具体步骤如下：
[0014]在正则化图像复原模型基础上，将衍射效率影响引入正则化图像复原模型，得到正则化方程为：
[0015][0016]式中，G为步骤三中超分辨率重建得到的图像结果，F为最终图像复原结果，式中，G为步骤三中超分辨率重建得到的图像结果，F为最终图像复原结果，分别是水平差分滤波器与竖直差分滤波器，H为系统传递函数，χ为可信度参数，δ为脉冲响应函数，η为系统衍射效率，||
·
||1、||
·
||2分别表示1范数、2范数计算符号；
[0017]正则化方程的求解步骤如下：
[0018](1)设初始迭代图像F1＝G，在第j次迭代中，计算中间变量ω
j
：
[0019]ω
j
＝v
‑
tH
T
(HF
j
‑
v)；
[0020]式中，v表示利用差分滤波器得到的高频图像，t为阈值，F
j
表示第j次迭代时的清晰图像计算结果；
[0021](2)利用软阈值算法更新图像，计算公式为：
[0022]F
j+1
＝max(|ω
j
|
‑
tχ,0)sign(ω
j
)；
[0023]式中，max(
·
)表示最大值运算，sign(
·
)表示符号运算；
[0024](3)重复步骤(1)和步骤(2)，当迭代次数达到预设值时，可得到图像复原结果，该图像即为最终高分辨率图像。
[0025]相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：
[0026](1)本专利技术创新性提出了一种分布式多模衍射成像方法，利用分布式排列的多个子衍射系统单独成像，且具有不同探测谱段，图像间存在亚像素偏移，获取多视场、多谱段、多时相图像数据后，通过融合、超分、复原算法最终获取高分辨率图像，具有高分辨率、轻量化、成本低等优势，为高分辨率光学卫星载荷跨越式发展提供了技术途径。
[0027](2)多个子衍射系统独立成像，避免了孔径拼接精度不足造成的图像质量退化，另一方面，该系统中衍射元件微结构栅格密度相对较低，不仅有利于提高衍射效率保证成像质量，还能显著降低微结构刻蚀加工难度。
[0028](3)各子系统具有不同的探测谱段，一定程度上解决了传统衍射系统的宽谱段成像难题，此外，通过后端处理算法匹配设计，实现多视场、多谱段、多时相图像的超分重建，有利于降低前端系统研制成本，同时设计融入衍射特性的图像复原方法，解决了衍射成像导致的模糊、背景辐射等问题，进一步提升图像分辨能力。
[0029](4)该成像方法不仅能够应用于高分辨率光学遥感成像，还可应用于医学成像、地面监控成像、无人机成像等领域。
附图说明
[0030]图1为分布式多模衍射成像方法流程图；
[0031]图2为分布式多模衍射成像结构示意图；
[0032]图3为分布式多模衍射系统直接成像结果(不同视场、不同波段)；
[0033]图4为分布式多模衍射系统最终图像获取结果(多视场、多谱段时序图像融合超分复原结果)。
具体实施方式
[0034]下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。
[0035]本专利技术提供了一种分布式多模衍射成像方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
[0036]步骤一：根据应用需求设计分布式多模衍射成像系统，获取多视场、多谱段的时序图像。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：步骤一：根据应用需求设计分布式多模衍射成像系统，获取多视场、多谱段的时序图像；步骤二：对步骤一获取的多视场、多谱段的时序图像进行配准；步骤三：融合多视场、多谱段、多时相信息，实现超分辨率重建；步骤四：利用图像复原算法提升图像传递函数，去除非设计级次衍射光产生的背景辐射，得到高分辨率图像。2.根据权利要求1所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述分布式多模衍射成像系统由若干个分布式排列的子衍射系统组成，其中：每个子衍射系统独立成像；每个子衍射系统具有不同探测谱段，子衍射系统图像间存在亚像素视场偏移。3.根据权利要求2所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述子衍射系统的排列方式为环形或矩阵结构。4.根据权利要求1所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述子衍射系统的主镜均采用单体衍射透镜结构或传统折射/反射镜。5.根据权利要求4所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述单体衍射透镜结构为菲涅尔透镜或光子筛。6.根据权利要求1所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述步骤二中，配准方法为以基于金字塔结构的由粗到细的配准方法。7.根据权利要求1所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述步骤三中，采用小波融合、PCA融合、凸集投影或MAP方法进行融合。8.根据权利要求1所述的分布式多模衍射成像方法，其特征在于所述步骤四的具体步骤如下：在正则化图像复原模型基础上，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：江世凯，胡建明，智喜洋，张伟，董俊廷，鲍广震，施天俊，王达伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：