一种利用分光错位采样实现geo光学卫星超分辨率方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地球静止轨道（GE0)光学卫星分光实现面阵探测器超分辨率方 法，属于卫星制造领域。
【背景技术】
[0002] 目前的对地观测卫星平台大多采用太阳同步轨道，而地球静止轨道由于其轨道高 度较高，难以获得高的地面采样分辨率，因此更多地用于气象观测和通讯应用方面。然而随 着卫星平台各项载荷性能的不断提高，拥有大幅宽、能够对同一区域进行连续观测优点的 静止轨道卫星平台也有望逐步克服地面分辨率较低的缺点，在对地观测技术方面发挥更重 要的作用。静止轨道光学卫星通常采用面阵探测器来实现对观测区域的观测。如果需要在 上千公里的幅宽内获得米级的分辨率，就需要非常大规模的面阵探测器，其研制、安装难度 都非常大，工艺要求也很高。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用分光错位采样实 现GE0光学卫星超分辨率方法，提出了静止轨道光学卫星使用棱镜分光，实现针对面阵探 测器实时生成两幅固定二维像元差图像的方法，提高了GE0光学成像载荷超分辨率的可能 性和工程实现性。
[0004] 本发明技术解决方案的基本思想就是：保持探测像元尺寸不变和传感器不变，通 过布置两个相同的面阵探测器来提高图像的采样密度，在焦平面的工艺设计上要求这两个 面阵探测器拼接时在二维方向上均产生等量亚像元的偏移量。在成像过程中，通过面阵探 测器进行成像，获得两幅二维方向都存在等量亚像元错位采样结果的图像。
[0005] 进而，以两幅原始分辨率影像中的一幅作为参考影像，根据两幅配准影像在高分 网格中的位置关系进行交错重建，对于空白像元处可以进行插值处理，并以此过程开展迭 代，进行全局MTF分析，直至高分辨率影像的初始解收敛，以完成本次超分重建过程。步骤 如下：
[0006] (1)分光成像：利用分光技术将原始光路等分为2路，实现将像平面分割成空间分 离的2个像面，用以获取同一视场的图像信息；
[0007] (2)错位采样：在2个像面位置安装完全相同的2片面阵探测器，2片面阵探测 器对应像元的采样位置在二维方向上均错开固定亚像元尺寸，实现对视场内区域的错位采 样；
[0008] (3)长时曝光：利用地球静止轨道卫星的凝视成像特性，对视场内区域长时间曝 光，保证单幅图像的信噪比特性；
[0009] (4)数据重建：通过步骤（2)错位采样部分获取的图像数据进行重采样分析，将每 片面阵探测器获取图像中相同部分信息无损的交错插入到面阵探测器像元范围中，继而得 到长时间曝光情况下提高一倍入射光子能量以后的双倍采样网格；
[0010] (5)插值融合：利用双倍采样网格，通过插值处理与数据融合，获得到2倍于原始 数据的过采样数据，该采样数据二维地面采样分辨率达到原始地面采样分辨率的1/2,实现 超分辨率。
[0011] 所述分光技术米用组合分光棱镜实现，组合分光棱镜为2块完全相同的三角棱镜 胶合而成的，在胶合面上镀半反半透膜层。
[0012] 所述步骤⑵中2片面阵探测器采用同步的控制电路，保证采样过程完全同步。
[0013] 所述步骤（2)中2片面阵探测器对应像元的采样位置在二维方向上分别错位1/2 像元尺寸的奇数倍的距离，其中分别错位1/2像元尺寸的距离可以保证对成像区域的最大 效率错位采样。
[0014] 所述步骤（3)在长时间曝光是指200-500ms的条件下，这样针对GE0光学成像卫 星在分光光路中所面临的入射光子能量减半、成像亮度变低，解决了两幅相邻成像各成像 参数一致性问题。
[0015] 所述步骤（4)将每片面阵探测器获取图像中相同部分信息无损的交错插入到面 阵探测器像元范围中的交错插入方法为：首先对输入的原始分辨率图像进行高分辨率的梯 度估计，把得到的值作为梯度的一个约束值或者边缘保持的一个约束，应用双三次升采样 算法对图像数据进行处理，然后通过基于双倍采样网格的重建来复原高分辨率图像。
[0016] 所述步骤（5)中插值处理与数据融合的过程为根据调制传递函数MTF对采样过程 进行比对分析，并根据采样比对过程中的梯度数据与偏差对高分辨率图像进行修正，获得 到2倍于原始数据的过采样数据。
[0017] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明基于载荷在地球静止轨道卫星平台 上可实现长时凝视成像且稳定性良好的特性，通过使用棱镜分光的方法，实现同时生成两 幅具有相同成像参数条件下存在一定像元差的原始分辨率光学图像，进而通过超分算法融 合生成相对高分辨率图像。本发明利用便于实现的棱镜分光原理，解决了GE0轨道条件下 高分辨率光学成像时的探测器尺寸限制，满足分辨率提升相关要求，且本发明简单、可靠性 好、便于工程实现。
【附图说明】
[0018] 图1本发明的方法流程框图；
[0019] 图2本发明的棱镜分光不意图；
[0020] 图3本发明的错位采样示意图；
[0021] 图4本发明的数据交错插入方法示意图；
[0022] 图5本发明的约0. 707倍原始分辨率的图像获得过程示意图；
[0023]图6本发明的0. 5倍原始分辨率的图像获得过程示意图。
【具体实施方式】
[0024] 如图1所示，为本发明的方法实现步骤如下：
[0025] (1)分光成像。分光技术有很多种，包括棱镜分光、反射分光等。本发明通过试验 选择棱镜分光，利用一个组合分光棱镜将原始光路等分为2路，将像平面分割成空间分离 的2个像面，用以同时获取同一视场的2幅图像信息。组合分光棱镜为2块完全相同的三 角棱镜胶合而成的，在胶合面上镀半反半透膜层。相同的三角棱镜可以保证光线在折射、反 射过程中的衰减、相移均相同。棱镜分光示意图如图2所示。
[0026] (2)错位采样。在2个新的像面位置安置完全相同的2片面阵探测器，2片面阵探 测器采用同步的控制电路，保证采样过程完全同步。2片面阵探测器布置时，对应像元的采 样位置要在二维方向上均错开固定亚像元尺寸的距离，实现对视场内区域的错位采样