专利名称：一种超分辨率红外热像仪及用其获取高分辨率红外图像的方法
技术领域：
本发明涉及一种无光学扫描部件的 超分辨率红外热像仪及用其获取高分辨率红外图像的方法，属于红外热成像技术领域。
背景技术：
在光电成像系统中，图像分辨率是一项重要指标。更高的分辨率意味着更多的图像细节，对于目标探测、识别、航天遥感等应用具有极为重要的意义。尤其是对于红外热像仪，提升分辨率所带来的性能提升更加显著。这是因为红外探测器的分辨率相对较低，导致红外图像的分辨率和细节有所欠缺，限制了红外热像仪的性能提升。限制图像分辨率的基本因素有两种一是光学衍射极限分辨率，二是探测器采样频率(对于面阵探测器，即为空间分辨率)。对于红外热像仪而言，光学衍射极限的影响远远小于探测器采样频率。因此，提升红外探测器焦平面的像元分辨率，可根本上提高图像的分辨率。但是，提升探测器分辨率的成本很高，技术难度也较大。相比之下，采用超分辨技术提升红外图像的空间分辨率，其成本较低，灵活性好，可在充分利用现有成像系统的基础上，大幅度提升图像分辨率和图像质量。目前常规的超分辨率红外热像仪，主要是基于光学扫描部件，在每一帧图像输出时间内采集多幅相关性强的低分辨率红外图像，然后将这些低分辨率红外图像进行配准和重建，合成高分辨率的红外图像。这种红外热像仪已经得以应用，并有效地克服了红外成像系统的限制，提升红外图像分辨率。然而，现有的超分辨率红外热成像技术仍然存在一些问题1)由于采用了光学扫描部件，导致系统体积偏大，成本较高，且影响系统可靠性；2)扫描模式会导致红外热像仪的调制传递函数降低，从而降低成像效果；3)由于扫描参数的未知性和步进动作的精密性，其工程实现的复杂性和精度控制的难度较高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种无光学扫描部件的超分辨率红外热像仪，提高红外图像的分辨率，以提供更丰富的图像细节和更好的图像质量，增强红外热像仪的性能表现，并解决现有超分辨率红外热像仪中光学扫描部件带来的不利影响。本发明的另一个目的是提供一种用于本发明所述的超分辨率红外热像仪的红外光学系统，使用该光学系统使本发明所述的超分辨率红外热像仪获得的图像质量更高。本发明还有一个目的是使用本发明的超分辨率红外热像仪获取高分辨率红外图像的方法，该方法简便，容易掌握，能进一步确保图像质量。为实现本发明超分辨率红外热像仪的技术目的，其技术方案是
一种超分辨率红外热像仪，包括位于超分辨率红外热像仪的最前端并以光轴0-0’为中心轴的编码组件，用于接收场景发射的红外辐射信号，并对红外辐射信号进行编码；在编码组件的后方延光轴0-0’方向依次安装有红外光学系统和面阵红外探测器焦平面；所述红外光学系统用于将通过编码组件的红外辐射会聚于面阵红外探测器焦平面的靶面上，以增强红外图像信噪比，并用于面阵红外探测器焦平面的保护窗口 ；面阵红外探测器焦平面用于将红外辐射信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号输出至红外成像电路组件当中；还有制冷机，用于为面阵红外探测器焦平面和红外光学系统制冷，使二者保持低温工作状态；红外成像电路组件用于将接收到模拟电信号转换为数字信号，然后解码和处理，转换为红外图像，并用于提供面阵红外探测器焦平面工作所需要的偏压信号。进一步的技术方案是
所述的超分辨率红外热像仪，其红外成像电路组件连接在面阵红外探测器焦平面后方；所述制冷机安装在面阵红外探测器焦平面一侧，并与面阵红外探测器焦平面和红外光 学系统连接。所述的超分辨率红外热像仪，其编码组件包括一个前置安装板；在前置安装板后方沿着光轴0-0’方向依次安装包括前置光学窗口、膜片阵列、后置光学窗口、后置安装板和步进转台；所述前置安装板用于安装固定前置光学窗口，后置安装板，用于安装固定后置光学窗口 ；位于前置光学窗口和后置光学窗口之间的膜片阵列由前置安装板和后置安装板安装固定，用于对透光的红外辐射信号编码；前置光学窗口和后置光学窗口均用于保护膜片阵列，并使膜片阵列工作在稳定的环境当中；所述步进转台用于装载固定后置安装板，并驱动整个编码组件转动。所述的超分辨率红外热像仪，其前置安装板其中部为能嵌入前置光学窗口的空心区域；后置光学窗口其形状大小与前置光学窗口相同；后置安装板其中部为能嵌入后置光学窗口的空心区域；步进转台其中部为一个小于后置掩膜光学窗口外形的空心区域。所述的超分辨率红外热像仪，其膜片阵列包含一块对接收的红外辐射信号透明的正方形的基板和NXN个正方形膜片，其中N为大于等于8，小于等于64的自然数；所述基板以光轴ο-o’为中心轴。所述的超分辨率红外热像仪，其正方形膜片固连在基板朝向前置光学窗口的平面上，形成一个正方型NXN阵列，用于对红外辐射信号产生衍射效应，从而实现红外辐射信号编码功能。所述的超分辨率红外热像仪，其基板为硅基板或锗基板。所述的超分辨率红外热像仪，其正方形膜片与基板固连为贴合连接。所述的超分辨率红外热像仪，其正方形膜片有两种，一种为高透光率膜片，另一种为低透光率膜片；高透光率膜片与低透光率膜片的透光率之比为10 : O. 8 I. 5。所述的超分辨率红外热像仪，其低透光率膜片的数量大于等于正方形膜片总数的1/4，小于等于正方形膜片总数的3/4，其余的正方形膜片为高透光率膜片。本发明的用于本发明所述的超分辨率红外热像仪的红外光学系统的技术方案是
按光线先进入的构件其位置在前来定义相应构件在前和在后的位置关系，所述光学系统它包括一个前置透镜，用作整个红外光学系统的前保护窗口，维持红外光学系统内部环境状态的稳定性；一个会聚透镜，位于前置透镜之后，用于将编码后的红外辐射信号会聚于在其后的面阵红外探测器焦平面的靶面上，从而提高红外图像信号的信噪比；一个后置透镜，位于会聚透镜与面阵红外探测器焦平面之间，用于面阵红外探测器焦平面的光学窗口，将红外光学系统与面阵红外探測器焦平面隔离开，从而保持红外光学系统内部环境的稳定并保持面阵红外探測器焦平面工作环境的稳定；ー个冷却套管，用于为红外光学系统制冷保持其热稳定性；所述前置透镜、会聚透镜和后置透镜均安装在冷却套管内部。使用本发明的超分辨率红外热像仪获取高分辨率红外图像的方法技术方案，包括如下步骤
A、标定超分辨率红外热像仪的点扩展函数
在步进转台旋转之前标定一次，记录此时点扩展函数为;步进转台顺时针旋转90度，记录此时点扩展函数为Φ2 ;步进转台再顺时针旋转90度，记录此时点扩展函数为Φ3;步进转台再顺时针旋转90度，记录此时点扩展函数为Φ4 ；
B、完成红外辐射的编码
场景发射红外辐射信号f首先传输至编码组件，编码组件接收红外辐射，并对透射后的红外辐射产生衍射效应，从而完成红外辐射的编码；
C、会聚编码后的红外辐射
透射穿过编码组件后，红外辐射传输至红外光学系统，该红外光学系统将编码后的红外辐射会聚于面阵红外探測器焦平面的靶面上；
D、发送红外辐射信号转换的模拟电信号
面阵红外探測器焦平面将编码后的红外辐射信号转换为模拟电信号，并输出至红外成像电路组件当中，并接收红外成像电路组件发送的偏置信号，保持正常的工作状态；
E、模拟电信号转换并保存第一组红外图像信号
红外成像电路组件接收面阵红外探測器焦平面发送的模拟电信号，并将其转换为数字信号，然后进行解码和信号处理，转换形成第一组红外图像信号め=Φ/，并保存在红外成像电路组件当中；
F、形成并保存第二组红外图像信号
步进转台顺时针旋转90度，然后再一次完成步骤B至E，形成第二组红外图像信号 并保存在红外成像电路组件当中；
G、形成并保存第三组红外图像信号
步进转台再次顺时针旋转90度，然后再一次完成步骤B至Ε，形成第三组红外图像信号め=φ/，并保存在红外成像电路组件当中；
H、形成并保存第四组红外图像信号
步进转台再次顺时针旋转90度，然后再一次完成步骤B至Ε，形成第四组红外图像信号ぬ=ゆ/，并保存在红外成像电路组件当中；
I、融合四组红外图像信号形成高分辨率红外图像
红外成像电路组件结合标定的四组点扩展函数，将保存的同一场景下的四组红外图像信号进行融合，演算出场景发射的红外辐射信号f，形成ー帧高分辨率红外图像。上述方法进ー步的技术方案是
所述的获得高分辨率红外图像的方法，其演算出场景发射的红外辐射信号/，形成ー帧 高分辨率红外图像，其步骤为
首先求得/,然后对其进行傅里叶逆变换，获得/的解，最后将这ー帧高分辨率红外图像输出显示；/根据下式求得
权利要求
1.ー种超分辨率红外热像仪，其特征在干，包括位于超分辨率红外热像仪的最前端并以光轴0-0’为中心轴的编码组件(100)，用于接收场景(OOl)发射的红外辐射信号，并对红外辐射信号进行编码；在编码组件(100)的后方延光轴0-0’方向依次安装有红外光学系统(200)和面阵红外探測器焦平面(300);所述红外光学系统(200)用于将通过编码组件(100)的红外辐射会聚于面阵红外探測器焦平面(300)的靶面上，以增强红外图像信噪比，并用于面阵红外探測器焦平面(300)的保护窗ロ ；面阵红外探測器焦平面(300)用于将红外辐射信号转换为模拟电信号，并将模拟电信号输出至红外成像电路组件(500)当中；还有制冷机(400)，用于为面阵红外探測器焦平面(300)和红外光学系统(200)制冷，使二者保持低温工作状态；红外成像电路组件(500)用于将接收到模拟电信号转换为数字信号，然后解码和处理，转换为红外图像，并用于提供面阵红外探測器焦平面(300)工作所需要的偏压信号。
2.根据权利要求I所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，所述红外成像电路组件(500 )连接在面阵红外探測器焦平面(300 )后方；所述制冷机(400 )安装在面阵红外探測器焦平面(300)—侧，并与面阵红外探測器焦平面(300)和红外光学系统(200)连接。
3.根据权利要求I所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，所述编码组件(100)包括ー个前置安装板(101);在前置安装板(101)后方沿着光轴0-0’方向依次安装包括前置光学窗ロ(102)、膜片阵列(103)、后置光学窗ロ(104)、后置安装板(105)和步进转台(106)；所述前置安装板(101)用于安装固定前置光学窗ロ(102)，后置安装板(105)，用于安装固定后置光学窗ロ( 104);位于前置光学窗ロ( 102)和后置光学窗ロ( 104)之间的膜片阵列(103)由前置安装板(101)和后置安装板(105)安装固定，用于对透光的红外辐射信号编码；前置光学窗ロ(102)和后置光学窗ロ(104)均用于保护膜片阵列(103)，并使膜片阵列(103)工作在稳定的环境当中；所述步进转台(106)用于装载固定后置安装板(105)，并驱动整个编码组件(100)转动。
4.根据权利要求3所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，前置安装板(101)其中部为能嵌入前置光学窗ロ( 102)的空心区域；后置光学窗ロ( 104)其形状大小与前置光学窗ロ( 102)相同；后置安装板(105)其中部为能嵌入后置光学窗ロ( 104)的空心区域；步进转台(106)其中部为一个小于后置掩膜光学窗ロ( 104)外形的空心区域。
5.根据权利要求I所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，膜片阵列(103)包含ー块对接收的红外辐射信号透明的正方形的基板(103. I)和NXN个正方形膜片(103. 2)，其中N为大于等于8，小于等于64的自然数；所述基板(103. I)以光轴0-0’为中心轴。
6.根据权利要求5所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，正方形膜片(103.2)固连在基板(103. I)朝向前置光学窗ロ(102)的平面上，形成ー个正方型NXN阵列，用于对红外辐射信号产生衍射效应，从而实现红外辐射信号编码功能。
7.根据权利要求5所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，基板(103.I)为硅基板或错基板。
8.根据权利要求6所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，正方形膜片(103.2)与基板(103. I)固连为贴合连接。
9.根据权利要求5或6或7或8所述的超分辨率红外热像仪，其特征在干，正方形膜片(103. 2)有两种，一种为高透光率膜片(103. 21)，另ー种为低透光率膜片(103. 22);高透光率膜片(103. 21)与低透光率膜片(103. 22)的透光率之比为10 : O. 8 I. 5。
10.根据权利要求9所述的超分辨率红外热像仪，其特征在于，低透光率膜片(103.22)的数量大于等于正方形膜片(103. 2)总数的1/4，小于等于正方形膜片(103. 2)总数的3/4，其余的正方形膜片(103. 2)为高透光率膜片(103. 21)。
11.ー种用于权利要求I所述的超分辨率红外热像仪的红外光学系统，其特征在干，按光线先进入的构件其位置在前来定义相应构件在前和在后的位置关系，所述光学系统(200)它包括ー个前置透镜(201 )，用作整个红外光学系统(200)的前保护窗ロ，维持红外光学系统(200)内部环境状态的稳定性；一个会聚透镜(202),位于前置透镜(201)之后,用于将编码后的红外辐射信号会聚于在其后的面阵红外探測器焦平面(300)的靶面上，从而提高红外图像信号的信噪比；ー个后置透镜(203)，位于会聚透镜(202)与面阵红外探測器焦平面(300)之间，用于面阵红外探測器焦平面(300)的光学窗ロ，将红外光学系统(200)与面阵红外探測器焦平面(300)隔离开，从而保持红外光学系统(200)内部环境的稳定并保持面阵红外探測器焦平面(300)工作环境的稳定；ー个冷却套管(204)，用于为红外光学系统(200)制冷保持其热稳定性；所述前置透镜(201)、会聚透镜(202)和后置透镜(203)均安装在冷却套管(204)内部。
12.—种用上述任ー权利要求所述的超分辨率红外热像仪获取高分辨率红外图像的方法，其特征在于，包括如下步骤 A、标定超分辨率红外热像仪的点扩展函数 在步进转台(106)旋转之前标定一次,记录此时点扩展函数为;步进转台(106)顺时针旋转90度，记录此时点扩展函数为Φ2 ;步进转台(106)再顺时针旋转90度，记录此时点扩展函数为Φ3;步进转台(106)再顺时针旋转90度，记录此时点扩展函数为Φ4; B、完成红外辐射的编码 场景(001)发射红外辐射信号f首先传输至编码组件(100)，编码组件(100)接收红外辐射，并对透射后的红外辐射产生衍射效应，从而完成红外辐射的编码； C、会聚编码后的红外辐射 透射穿过编码组件(100)后，红外辐射传输至红外光学系统(200)，该红外光学系统(200)将编码后的红外辐射会聚于面阵红外探測器焦平面(300)的靶面上； D、发送红外辐射信号转换的模拟电信号 面阵红外探測器焦平面(300)将编码后的红外辐射信号转换为模拟电信号，并输出至红外成像电路组件(500)当中，并接收红外成像电路组件(500)发送的偏置信号，保持正常的工作状态； E、模拟电信号转换并保存第一组红外图像信号 红外成像电路组件(500)接收面阵红外探測器焦平面(300)发送的模拟电信号，并将其转换为数字信号，然后进行解码和信号处理，转换形成第一组红外图像信号めニゅ/，并保存在红外成像电路组件(500)当中； F、形成并保存第二组红外图像信号 步进转台(106)顺时针旋转90度，然后再一次完成步骤B至E，形成第二组红外图像信号g2=(p2f，并保存在红外成像电路组件(500 )当中； G、形成并保存第三组红外图像信号步进转台(106)再次顺时针旋转90度，然后再一次完成步骤B至E，形成第三组红外图像信号g3=Φ3f，并保存在红外成像电路组件(500)当中； H、形成并保存第四组红外图像信号 步进转台(106)再次顺时针旋转90度，然后再一次完成步骤B至E，形成第四组红外图像信号g4=Φ4f，并保存在红外成像电路组件(500)当中； I、融合四组红外图像信号形成高分辨率红外图像 红外成像电路组件(500)结合标定的四组点扩展函数，将保存的同一场景下的四组红外图像信号进行融合，演算出场景(001)发射的红外辐射信号/，形成ー帧高分辨率红外图像。
13.根据权利要求12所述的获得高分辨率红外图像的方法，其特征在于，所述演算出场景(001)发射的红外辐射信号/，形成ー帧高分辨率红外图像，其步骤为 首先求得/ ,然后对其进行傅里叶逆变换，获得/的解，最后将这ー帧高分辨率红外图像输出显示；/根据下式求得其中/、&和教分别为f、gi φ,.的傅里叶变换； i=l, 2，3，4，代表采集的红外图像信号组数； τ为^的共轭； P为正则化參数。
全文摘要
本发明涉及一种超分辨率红外热像仪及用其获取高分辨率红外图像的方法。红外热像仪包括位于最前端的编码组件，在编码组件的后方延光轴方向依次安装有红外光学系统和面阵红外探测器焦平面，还有制冷机，用于为面阵红外探测器焦平面和红外光学系统制冷，使二者保持低温工作状态。应用方法包括会聚编码后的红外辐射、发送红外辐射信号转换的模拟电信号、模拟电信号转换并保存红外图像信号等步骤，最后融合多组红外图像信号形成高分辨率红外图像。本发明的优点是无光学扫描部件，改进了红外热像仪的分辨率性能，提高了热像仪的可靠性和稳定性，提高了整个成像设备的图像质量；重量轻，实现难度低，制造和使用成本低。
文档编号G01J5/10GK102661801SQ20121018343
公开日2012年9月12日 申请日期2012年6月6日 优先权日2012年6月6日
发明者余徽, 张智杰, 王晨晟, 陈福胜 申请人:中国船舶重工集团公司第七一七研究所, 华中科技大学