专利名称：提高图像分辨率的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及含焦平面阵列(FPA)器件的光电成像系统，较具体地涉及突破FPA对这种成像系统图像分辨率的限制的方法与装置。
例如含电荷耦合器件(CCD)、光敏二极管阵列等FPA的光电成像系统在国防和民用方面有着广泛的应用。其成像过程可简单描述如下目标被光学系统成像到FPA的各光敏元上，经抽样转换成一个代表以FPA的像元距倒数为抽样频率的目标图像的电信号，通过低通滤波等适当的电路(模拟或数字)的处理后，最后由显示器、打印机等设备重现出人眼能够接受的连续图像形式。
根据香浓(Shannon)抽样定理，当经过光学系统的目标图像在抽样前仍含有超过探测阵列奈奎斯特(Nyquist)频率(二分之一抽样频率)的高频成分时，则抽样后，这些高频成分将叠加到奈奎斯特频率之内的频率(以下称为“低频”)成分上，产生混淆。混淆不仅使这些高频所对应的图像精细结构无法辨认，而且还会因对低频成分的干扰而引起对目标图像的错误理解。所以如何减少混淆、提高分辨率，是增强光电成像系统像质所亟待解决的问题。
一种提高光电成像系统分辨率的方法是加大光学系统的焦距，使FPA像元距在物面上(目标面)的反向投影减小，从而等效于增加了抽样频率和奈奎斯特带宽(NBW)。但是，若维持原来的视场范围，则必须增加FPA的大小，即增加像元数，这样，无论采用长焦距镜头还是加大的FPA都将使系统的尺寸、重量和造价大幅增加。另一种提高光电成像系统分辨率的途径是直接减小像元距。但是，即使不考虑材料处理的工艺难度，像元尺寸也要受到聚焦到光敏元上的电磁辐射的波长的物理限制。例如，若将红外光敏元减小到与红外波长接近的3μm甚至更小的尺寸，则红外辐射能量就无法通过这种材料转换成电信号。
因此，目前的技术一般采用微扫描法来提高光电成像系统分辨率。它主要用微扫描装置使目标图像相对于探测阵列进行亚像元位移而得到同一目标的一系列抽样图像，在各方向需要移动的亚像元距离取决于各方向需要的微扫描级数，如2×2的微扫描在两个方向上都需要半个像元距的位移，共4帧图像，3×3微扫描需要三分之一像元距的位移，共9帧图像。其后将这些图像合成一帧抽样频率提高的图像，使系统NBW和分辨能力提高。提高的倍数等于微扫描级数。大多微扫描都采用了反射装置，例如见美国专利No.4,517,603(Epsztein and Guyot)、No.4,755,876(Dangler)和No.4,633,317(Uwira et al.)等，这种技术灵活性比较好，但也存在不少缺点，例如由于反射，光路发生弯折，透镜的最小F数(其定义为透镜焦距与孔径直径的比值)便受到渐晕限制；而且为了安装弯折光路的对应元件，透镜后面的工作距离还必须设计得足够大。少数微扫描没有采用反射装置，如美国专利No.5,291,327(McEwen)中提出的利用转盘控制透射区域的微扫描技术，但又引入了一些新的问题一张转盘只对应一种亚像元位移、灵活性差；帧频严重受限于转盘旋转速度和透射区域大小等因素。无论通过什么方法实施微扫描，均是为了获得同一目标相同抽样频率、均匀亚像元位移的多帧抽样图像，从频域上看，这些图像的相位因子恰好均分一个圆周，所以混淆频谱能够相互抵消。这就要求微扫描必须具有足够高的位移精度，使得相位因子能够恰好均分一个圆周。然而精度要求还会随着微扫描级数的增加或实际像元尺寸的减小，即所需亚像元位移的减小，而成倍上升，使得高频振动的小位移的机械装置变得更复杂。况且对于二维图像还需要控制两个方向上的机械位移。因此微扫描装置的价格向来昂贵，这也是其尚未被广泛使用的一个主要原因。
本发明的目的是避免上述不利因素，为提高光电成像系统分辨率提供结构简单、成本较低的微变焦方法与装置以及专门用于消除周期目标莫尔赝像的双倍率方法与装置。
本发明的微变焦法包括以下步骤利用一个光学放大率可改变的光学系统将一个一维或二维目标成像到FPA上形成相应的目标图像，FPA将目标图像转换成一个代表以一定抽样频率抽样的目标图像的电信号，构成一帧抽样图像；稍微改变光学放大率若干减一次，分别重复上述步骤，总共得到同一目标在不同抽样频率下的若干帧抽样图像；然后利用这若干帧抽样图像重建出混淆减少、等效奈奎斯特扩展及分辨率提高的图像，其中改变光学放大率的步骤可以采用以下三种方法中的任何一种一是使用固定焦距的光学系统，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
本发明实现微变焦法的微变焦装置包括以下部件用于将目标成像到FPA面上形成目标图像且能够稍微改变光学放大率的光学系统；用于对目标图像进行抽样的FPA，其中FPA位于像面并能将目标图像的光强分布转换成一个代表以一定抽样频率抽样的目标图像的电信号，构成一帧抽样图像；以及用于根据FPA输出的两帧或多帧代表具有不同抽样频率的抽样图像重建成一帧混淆减少、奈奎斯特带宽扩展及分辨率提高的图像的微变焦重建装置，其中改变光学系统光学放大率的方式可以是以下三种方式中的任何一种一是光学系统的焦距固定，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
在一个实施例中，上述光学系统包括自动对焦变焦系统。
在一个实施例中，上述微变焦重建装置包括用于将上述代表抽样图像的电信号转换成图像样本矩阵的模数转换装置。
本发明的双倍率法包括以下步骤利用一个一个至少可改变一次光学放大率的光学系统将一个一维或二维周期性目标成像到FPA上，FPA将目标图像转换成代表以一定抽样频率抽样的目标图像电信号，构成一帧抽样图像；然后改变光学放大率，重复上述步骤，共得到同一目标在两个抽样频率下的两帧抽样图像；最后利用这两帧抽样图像通过频域处理重建出消除了莫尔赝像、NBW扩展及分辨率提高的图像，其中改变光学放大率的步骤可以采用以下三种方法中的任何一种一是使用固定焦距的光学系统，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
本发明实现双倍率法的双倍率装置包括以下部件用于将目标成像到像面且至少可改变一次光学放大率的光学系统；用于对像面上目标图像进行抽样的FPA，其中FPA位于像面且能将目标图像的光强转换成一个代表以一定抽样频率抽样的目标图像的电信号，构成一帧抽样图像；以及，用于根据FPA输出的两帧具有不同抽样频率的抽样图像通过频域处理解出一帧莫尔条纹消除、等效奈奎斯特带宽扩展、分辨率提高的图像的双倍率重建装置，其中光学系统光学放大率的方法可以采用以下三种方法中的任何一种一是使用固定焦距的光学系统，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
在一个实施例中，上述光学系统包括自动对焦变焦系统。
在一个实施例中，上述双倍率重建装置包括用于将上述代表目标图像的电信号转换成图像样本矩阵的模数转换装置。
为减少混淆和提高分辨率，本发明采用稍微改变光学放大率的途径来增加获得的图像信息，由于FPA的实际像元距固定，所以随着光学放大率的改变，折算到目标面上的像元距大小将改变，相当于抽样频率改变，或者等效抽样频率改变。这样，当在目标平面上考察时，上述若干帧抽样图像分别对应了若干个不同的抽样频率。在本说明书的其余部分，若非明确指出，都将在目标面上考察。
不论采用何种方式，改变光学放大率最终都是通过改变像、物距或焦距来实现，只表现为在光轴这一个方向上的位移，避免了微扫描技术那些用来控制两个方向位移的高精度机械装置，而且光学系统的精度要求不受级数和实际像元尺寸的影响，若采用变焦方式，还有现成的装置如自动对焦变焦物镜可以很容易地获得。总之，本发明微变焦技术的分辨率提高程度接近于微扫描技术，却能将成本降低很多；本发明双倍率技术在减少莫尔赝像方面，只需两帧不同抽样频率的图像，简化了信息获取和处理步骤，所以对于周期性目标，效率较微扫描和微变焦均提高了一倍或更多。
为了改善重建图像的质量，本发明还提出了频域补偿方法，该方法包括以下步骤获取光学系统的光学传递函数信息；获取FPA像元形状、尺寸及布局信息，并计算相应的光学传递函数；以及，在上述微变焦法和双倍率法的重建步骤中对上述两种光学传递函数进行补偿。
下面将结合附图和具体实施例对本发明的微变焦法和双倍率法作进一步详细的说明。
图1示出以不同抽样间距Δx1和Δx2对同一一维目标函数g(x)进行抽样的情形。
图2(a)和(b)分别示出目标频谱G(ξ)在不同抽样频率ξs1(＝1/Δx1)和ξs2(＝1/Δx2)下的频谱交叠示意图；为了便于观察，这里简单地用线性函数表示G(ξ)，但G(ξ)的实际分布取决于目标的光强分布，可以是任意形状的厄米对称复函数。
图3是用频率矢量描述的双倍率法的原理图。其中图3a是周期目标的频率矢量示意图；图3b是抽样频率ξs1(ηs1)下的频谱铺排示意图；图3c是图3b的低通滤波示意图；图3d是抽样频率ξs2(ηs2)下的频谱铺排及其低通滤波示意图；图3e是双倍率法重建原目标频谱的示意图；图3f至3h是双倍率法另一个实施例的示意图。
图1是一个一维目标g(x)以不同抽样间距Δx1和Δx2抽样的情形，其中x是该一维方向的坐标轴。通过改变抽样间距，可以使我们获得更多位置上的目标样本值，为提高分辨率增加了信息来源。本发明的微变焦法和双倍率法都是通过改变光学放大率，使FPA面(像面)上固定尺寸的抽样间距(如CCD的像元距)在目标面(物面)上的反向投影大小改变，从而得到同一目标在不同抽样间距下的图像样本值。
将NBW在任一频率轴上能够扩展的倍数定义为该方向上的微变焦级数，则能够将分辨率提高到各次抽样中最小抽样频率的一倍的二级微变焦需要采入2(一维)或2×2(二维)帧不同抽样频率的图像，三级需要3(一维)或3×3帧(二维)。为了最大限度提高分辨率，应尽量减少抽样频率的改变程度以使最小抽样频率尽量大，通常最大抽样频率与最小抽样频率的比值以小于1.5为宜，所以称之为微变焦法。
在一个实施例中，FPA输出的每一帧抽样图像被转换成一个数字的图像样本矩阵(简称图像矩阵)，如果不使用插值，则各个抽样频率下的图像矩阵的大小(行数和列数)各不相同，行数和列数至少各相差1。
为了简单起见，先借助一个实施例说明一维微变焦法原理。
用ξ代表x方向上的空间频率，假定目标频谱G(ξ)是带限的，即当|ξ|＞ξ0时，G(ξ)＝0，其中ξ0称物体的“截止频率”。众所周知，若反投影到目标平面后，FPA的抽样频率ξs(等于抽样间距Δx的倒数)大于2ξ0，则根据香浓抽样定理，对抽样信号频谱进行宽度为NBW([-1/2ξs，1/2ξs])的门形低通滤波后即可完全恢复原目标频谱G(ξ)和原目标分布g(x)。但若2ξ0＞ξs＞ξ0，则将因出现目标一级谱混入NBW内的混淆噪声，这时简单的低通滤波不再能恢复G(ξ)。当ξs更小时，将发生更高级次的混淆。
图2(a)和(b)分别示出了目标频谱G(ξ)在不同抽样频率ξs1和ξs2下，一级谱与零级谱的混叠示意图；其中2ξ0＞ξs1＞ξs2≥ξ0，Δξ＝ξs1－ξs2，G1(ξ)和G2(ξ)是两个抽样频率下的低通滤波重建频谱，低通滤波的带宽分别等于各自的奈奎斯特带宽NBW1和NBW2。显然，这时G1(ξ)和G2(ξ)都是欠抽样得到的频谱，不能正确表示G(ξ)。微变焦的目的即是要从G1(ξ)、G2(ξ)或更多个欠抽样频谱重建G(ξ)。在图2所示的一维实施例中，由于有ξs2≥ξ0，故只需用二级微变焦方法，即利用两个不同抽样频率的图像低通频谱G1(ξ)和G2(ξ)，来解出混淆前的目标谱G(ξ)，将系统分辨率提高近一倍。若定义 并省略常系数，则G1(ξ)=rect(ξξs1)[G(ξ+ξs1)+G(ξ)+G(ξ-ξs1)]---(1)]]>G2(ξ)=rect(ξξs2)[G(ξ+ξ2)+G(ξ)+G(ξ-ξs2)]---(2)]]>首先从图2(a)知当ξ∈
时，G(ξ)＝G1(ξ)；于是利用图2(b)中的ξ∈
段可求得该段中的G(ξ－ξs2)(等于G2(ξ)－G(ξ))；再回到图2(a)，当ξ∈[Δξ，2Δξ]时，又可根据刚求得的G(ξ－Δξ－ξs2)＝G(ξ－ξs1)求出G(ξ)值(等于G1(ξ)－G(ξ－ξs1))，以此类推，直到递推出所有G(ξ)值。由于g(x)为实函数，G(ξ)具有厄米对称性，所以当n≥ξs2/(2Δξ)(其中n为递推次数)时即可得到|ξ|∈
范围内的所有G(ξ)。换言之，重建结果相当于NBW扩展到了2*NBW2时的抽样情形。
根据另一个实施例，由式(1)、(2)求解G(ξ)采用了联立方程组求解法。把图2(b)中的NBW2的正频部分离散成m个频率点，对每个频率点根据式(1)、(2)写出两个方程式，共得到2m个方程式，由于G的厄米对称性，其中只有m个方程式是独立的，可用于求解m个频率点上的G值。
对于二维或二级以上的微变焦，需要采入更多的抽样图像，情况将复杂一些，但上两例中的递推方法和联立方程组法也可推广到二维情形。
在一个实施例中，可用余弦变换代替上述实施例中的傅里叶变换，基于同样的递推原理和联立方程组解出原目标的余弦频谱，最后通过逆余弦变换得到分辨率提高的图像。
在一个实施例中还采用了最小二乘法等算法求解联立方程组。
在一个实施例中，对不同抽样频率的图像样本矩阵进行与上述频域处理相对应的空域处理来分辨率提高的图像。
总之，微变焦法的共同基本原理是利用多帧不同光学放大率欠抽样图像的混淆信息，解出未被混淆的原目标图像信息。
下面借助图3a～3e所示的一个实施例说明双倍率法的原理。
图3a～3e是用频率(位置)矢量描述的减少周期目标欠抽样时的莫尔赝像的双倍率法原理示意图(二维)，图中η代表频域中第二维方向的空间频率。为了清晰，这些图中只示出了周期目标的两个频谱成分，但下述双倍率法同样也适用于周期目标含有多个频谱成分的情况。双倍率法增加图像信息的方式与微变焦一样，但由于周期性目标的频谱具有离散性特点，在低通滤波后的各次谐波频率矢量(包括原来就在NBW内的和因混淆而进入NBW内的)互不重叠的条件下，只需两帧不同抽样频率下的周期目标样本信号就能消除由高频混入到NBW内引起的莫尔条纹式赝像，并提高对周期目标成像的分辨率。在一个实施例中，两帧抽样图像分别被转换成两个图像样本矩阵，它们的行数和列数至少各相差1，抽样频率比值以小于1.5为宜。
图3a中的矢量1、2分别表示周期目标离散频谱中1、2号频谱成分在空间频谱面上的位置矢量。频谱成分的编号按照该成分的能量(或模值)大小顺次排列，或从大到小，或从小到大。由于实际上存在噪声，所以需舍去能量太小的“频谱成分”。在一个实施例中，所有模值小于最大频谱成分模值的1/30的成分均被当作噪声舍去。实函数的频谱具有厄米对称性，为了便于观察，这里只画出了对称谱的一半，实际操作时，对于一对共轭的频谱成分可采用同一个编号。
第一个光学放大率对应的ξ、η轴抽样频率在目标面上的反向投影分别为ξs1、ηs1，目标函数在空域的抽样，在频域表现为原目标频谱以抽样频率为间隔进行周期性复制(以下简称为“铺排”)，如图3b所示。
图3c示出低通滤波情形，滤波函数按照奈奎斯特带宽取值，等于rect(ξ/ξs1，η/ηs1)，如图中矩形区域NBW1所示。不难证明，对于原目标频谱成分的任一个位置矢量，不论其大小和方位如何，经铺排后，其相应的复制矢量(包括原矢量)中必定有一个且仅有一个位在NBW内。例如，若把图3a中的1、2经铺排后落在NBW1内的位置矢量分别表示为1’、2’，则从图中可以看出，因1位在NBW1内，故1’与1重合；但因2本身位于NBW1之外，所以位在NBW1内的是其“混入”NBW1内的2’，且2’的模小于2，方向一般也不同于2。从分别代表低频和高频位置矢量的1和2的抽样成像结果来看，满足抽样定理的低频成分，能够被准确重建，如1’＝1；被欠抽样的高频成分则会发生混淆，以低频的形式出现，如2’≠2且|2’|＜|2 |，在本例中具体地有，2’＝2-ηs1η，其中η是η轴上的单位矢量。
图3d是第二个光学放大率下，抽样频率为ξs2(ηs2)时的低通滤波情形，滤波函数等于rect(ξ/ξs2，η/ηs2)，如图中矩形区域NBW2所示。1、2号频谱落在该重建通带内的位置矢量分别表示为1”、2”。其中1”仍与1重合(1位于NBW2内)；2”是2的混淆矢量，2”＝2-ξs2ξ－ηs2η，方向与大小都不能正确反映原目标频谱，其中是ξ是ξ轴上的单位矢量。
图3e表示利用采入的两个光学放大率下的抽样图像频谱信息恢复出原目标的频谱位置的过程。将两次抽样图像的低通频谱放在同一频率坐标系里，根据1’＝1”，即可断定目标的1号谱两次都被足够抽样，其位置矢量1等于1’(1”)。而2’≠2”，则可断定2号谱至少有一次被欠抽样，发生了混淆。因为2’和2”是2分别按各自抽样频率间隔铺排进入NBW的结果，所以有2＝2’＋M1ξs1ξ＋N1ηs1η (3)2＝2”＋M2ξs2ξ＋N2ηs2η (4)其中M1、N1、M2、N2为整数。当只有一级谱混淆时(实际情况大多如此)，根据已知的2’、2”和两次抽样频率ξs1(ηs1)、ξs2(ηs2)，利用关系式(3)和(4)，让等式右边的矢量和等于同一个矢量，由此可唯一确定出M1＝0，N1＝1，M2＝1，N2＝1，从而得到2号谱的真实位置矢量2。再将任一帧抽样图像的各号谱的频谱值赋在确定出的各目标谱面位置上，经逆傅里叶变换便可恢复消除了莫尔赝像的目标像。如果出现较弱频谱成分的丢失，或者其混淆矢量位置与其他较强的成分的频谱矢量重叠的情况，本方法仍然能减少莫尔赝像，恢复目标的主要特征。
在一个实施例中，采用了另一种方法来确定原目标频谱的位置矢量1、2。该方法的前面几个步骤与上例相同，即首先获得两个不同光学放大率下的频谱矢量位置，例如图3c中NBW1内的1’、2’和图3d中NBW2内的1”、2”。然后根据抽样频率(ξs1，ηs1)和(ξs2，ηs2)，分别把(1’，2’)和(1”，2”)铺排扩展成周期性排列，如图3f和3g所示。接着对这些矢量端点位置赋以值1，其余地点赋以值0。最后将图3f和3g相乘，相乘结果中具有值1的地点就代表了原目标的频谱位置矢量，如图3h所示。
在一个实施例中，用余弦变换获得的余弦频谱代替傅里叶频谱，沿用上述实施例的方法解出原目标的余弦频谱，最后通过逆余弦变换得到莫尔赝像减少、分辨率提高的图像。
总之，双倍率法的共同基本原理是，利用两帧不同光学放大率下的混淆频谱的位置矢量信息，解出未被混淆的原频谱的位置矢量。
较严格地说，在实践中，除了目标频谱的零频成分外，由于上述成像系统光学传递函数的影响，还由于因FPA像元的有限大小所造成的面积积分抽样影响，由抽样图像数据计算得到的上述G不是目标的频谱，而是其像面上受到上述两个因素调制后的抽样前频谱。为了得到较准确的重建图像需要对上述G进行补偿修正。具体地说，以一维情形为例，设光电成像系统的光学传递函数用T1(ξ)表示，像元有限大小所对应的传递函数为T2(ξ)，让T(ξ)＝T1(ξ)T2(ξ)表示抽样前的总传递函数，则解得的频谱G(ξ)与实际目标频谱G0(ξ)的关系为G(ξ)＝T1(ξ)T2(ξ)G0(ξ)＝T(ξ)G0(ξ)，因此有G0(ξ)＝G(ξ)/T(ξ) (5)式(5)很容易推广到二维情形G0(ξ，η)＝G(ξ，η)/T(ξ，η) (6)对微变焦重建进行修正时，只需用式(5)或(6)中的G0代替式(1)、(2)中的G；对双倍率重建进行修正时，式(3)、(4)不需改变，但在对各号频谱赋值时，可采用G0的值得到更精确的结果。
在阅读了上面对本发明的微变焦法和双倍率法的进一步详细说明的基础上，熟悉有关技术领域的人们不难根据前面对本发明微变焦装置和双倍率装置的描述，利用现有技术构筑出各种形式的能实现本发明微变焦法和双倍率法的装置。
前面借助于一些实施例说明了本发明提高图像分辨率的方法与装置。提供这些实施例的目的仅是为了说明，而不是为了限定本发明的范畴。本发明的精神和范畴由后附权利要求书定义。熟悉本技术领域的人们在不偏离本发明精神和范畴的情况下，对这些实施例做出的各种修改和变化也应该认为被本发明所涵括。
权利要求
1.用于提高成像系统FPA(焦平面阵列)等效奈奎斯特带宽的微变焦法，该方法包括以下步骤利用一个光学放大率可改变的光学系统将一个一维或二维目标成像到FPA上形成相应的目标图像，FPA将目标图像转换成一个代表以一定抽样频率抽样的目标图像的电信号，构成一帧抽样图像；稍微改变光学放大率若干减一次，分别重复上述步骤，总共得到同一目标在不同抽样频率下的若干帧抽样图像；然后利用这若干帧抽样图像重建出混淆减少、等效奈奎斯特扩展及分辨率提高的图像，其中改变光学放大率的步骤可以采用以下三种方法中的任何一种一是使用固定焦距的光学系统，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
2.根据权利要求1的微变焦法，其中稍微改变光学放大率若干减一次的步骤包括光学放大率改变次数至少等于微变焦级数减一(一维)或微变焦级数的平方减一(二维)。
3.根据权利要求1或2的微变焦法，其中若干帧抽样图像中的每一帧抽样图像都被模数转换成一个相应的图像样本矩阵；并且其中利用若干帧不同抽样频率的抽样图像重建出混淆减少、奈奎斯特带宽扩展及分辨率提高的图像的重建步骤包括对模数转换成的各帧图像样本矩阵进行傅里叶变换或余弦变换得到相应频谱，然后通过递推公式或最小二乘法联立方程求解等数学方法解出原目标频谱，最后通过逆傅里叶变换或逆余弦变换得到分辨率提高的图像；或者对各帧图像样本矩阵进行与上述频域处理相对应的空域处理。
4.根据权利要求1至3中任一项的微变焦法，其中FPA包括CCD(电荷耦合器件)、光敏二极管阵列和其他光电探测器阵列，并且这些器件的工作波段可以是红外、可见光、紫外波段或它们的结合。
5.根据权利要求1至4中任一项的微变焦法，其中利用已知的或测得的光学系统和FPA的光学传递函数来补偿由FPA探测到的抽样图像所受到上述两个光学传递函数的影响，或者，这一补偿也可以在其后任何适当的步骤中进行。
6.用于实现微变焦法的微变焦装置，该装置包括用于将目标成像到FPA面上形成目标图像且能够稍微改变光学放大率的光学系统；用于对目标图像进行抽样的FPA，其中FPA位于像面并能将目标图像的光强分布转换成一个代表以一定抽样频率抽样的目标图像的电信号，构成一帧抽样图像；以及用于根据FPA输出的两帧或多帧代表具有不同抽样频率的抽样图像重建成一帧混淆减少、奈奎斯特带宽扩展及分辨率提高的图像的微变焦重建装置，其中改变光学系统光学放大率的方式可以是以下三种方式中的任何一种一是光学系统的焦距固定，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
7.根据权利要求6的微变焦装置，其中的微变焦重建装置包括用于将每帧抽样图像转换成一个相应图像样本矩阵的模数转换装置；以及用于实施 3所述微变焦重建步骤的装置。
8.根据权利要求6或7的微变焦装置，其中还包括用于利用已知的或测得的光学系统和FPA的光学传递函数来补偿由FPA探测到的抽样图像所受到上述两个光学传递函数的影响的装置。
9.根据权利要求6至8中任一项的微变焦装置，其中的重建步骤和/或补偿算法可以通过软件实施，也可以通过硬件实施，还可以通过软、硬件结合来实施。
10.用于当含FPA的光电成像系统在对周期性目标成像时减少莫尔赝像、扩展等效奈奎斯特带宽和提高分辨率的双倍率法，该方法包括以下步骤利用一个一个至少可改变一次光学放大率的光学系统将一个一维或二维周期性目标成像到FPA上，FPA将目标图像转换成代表以一定抽样频率抽样的目标图像电信号，构成一帧抽样图像；然后改变光学放大率，重复上述步骤，共得到同一目标在两个抽样频率下的两帧抽样图像；最后利用这两帧抽样图像通过频域处理重建出消除了莫尔赝像、NBW扩展及分辨率提高的图像，其中改变光学放大率的步骤可以采用以下三种方法中的任何一种一是使用固定焦距的光学系统，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
11.根据权利要求10的双倍率法，其中FPA包括CCD、光敏二极管阵列和其他光电探测器阵列，并且这些器件的工作波段可以是红外、可见光、紫外波段或它们的结合。
12.根据权利要求10至11中任一项的双倍率法，其中利用两帧抽样图像通过频域处理重建出一帧消除了莫尔赝像和奈奎斯特带宽扩展、分辨率提高的图像的步骤包括分别将两帧抽样图像模数转换成两个具有不同抽样频率的图像样本矩阵；分别对这两个图像样本矩阵进行傅里叶变换或余弦变换，得到两组离散频谱，舍去能量或模值接近噪声水平或较小的频谱成分，并使两组离散频谱有相同数目的频谱成分；按照各个频谱成分的能量或模值大小自大到小或自小到大地顺次编号；将两组经编号的频率位置矢量放在同一频率坐标系中，通过对每一对频谱成分的频率位置矢量的分析，求出原目标各频谱成分的频率位置矢量，并赋予相应的编号；将任一组频谱成分的值赋予对应编号的原目标频谱成分；以及，对原目标频谱进行逆傅里叶变换或逆余弦变换得到莫尔赝像消除(或减少)、分辨率提高、主要周期特征恢复的目标像。
13.根据权利要求12的双倍率法，其中通过对每一对各对频率成分的频率位置矢量的分析求出原目标各频谱成分的频率位置矢量的步骤进一步包括对于任一个编号，找出两组频率位置矢量中具有该编号且矢量端点重合的一对矢量，从频率坐标系原点到这对矢量的重合端点所构成的矢量即是原目标一个相应频谱成分的频率位置矢量；把该编号赋予该矢量；对另外的编号逐个地重复上述操作，直到完成对所有编号的操作，得到原目标中所有可得到的频率位置矢量。
14.根据权利要求12的双倍率法，其中通过对每一对频率成分的频率位置矢量的分析求出原目标各频谱成分的频率位置矢量的步骤进一步包括对两组频率位置矢量中每个矢量的端点位置(频率)赋以一个非零值(例如1)，对其余位置赋予零值，分别得到两组数字矩阵；将这两组矩阵中具有相同位置的元素一一对应地相乘，得到一个新矩阵；新矩阵中不为零(例如等于1)的元素的位置(频率)即代表原目标各频谱成分的频率矢量位置。
15.根据权利要求9至13中的任一项的双倍率法，其中还利用已知的或测得的光学系统和FPA的光学传递函数来补偿由FPA探测到的抽样图像所受到上述两个光学传递函数的影响，或者，这一补偿也可以在其后任何适当的步骤中进行。
16.用于实现双倍率法的双倍率装置，该装置包括用于将目标成像到像面且至少可改变一次光学放大率的光学系统；用于对像面上目标图像进行抽样的FPA，其中FPA位于像面且能将目标图像的光强转换成一个代表以一定抽样频率抽样的目标图像的电信号，构成一帧抽样图像；以及，用于根据FPA输出的两帧具有不同抽样频率的抽样图像通过频域处理解出一帧莫尔条纹消除、等效奈奎斯特带宽扩展、分辨率提高的图像的双倍率重建装置，其中光学系统光学放大率的方法可以采用以下三种方法中的任何一种一是使用固定焦距的光学系统，沿着光轴改变目标与光学系统的相对位置——物距，并调整相应的像距聚焦成像，或者依照改变的像距再来调整物距，总之是焦距不变，通过改变像、物距来达到目的；二是采用可变焦距光学系统，如变焦物镜，选择不同焦距调焦成像，即可得到不同光学放大率；三是变焦、调整物距和像距结合进行。
17.根据权利要求16的双倍率装置，其中的双倍率重建装置包括用于实现权利要求12所述利用两帧抽样图像通过频域处理重建出一帧消除了莫尔赝像和奈奎斯特带宽扩展、分辨率提高的图像的步骤所需的装置。
18.根据权利要求16或17的双倍率装置，其中的双倍率重建装置包括用于实现权利要求13所述的对每一对频率成分的频率位置矢量的分析求出原目标各频谱成分的频率位置矢量的步骤所需的装置。
19.根据权利要求16或17的双倍率装置，其中的双倍率重建装置包括用于实现权利要求14所述对每一对频率成分的频率位置矢量的分析求出原目标各频谱成分的频率位置矢量的步骤所需的装置。
20.根据权利要求16至19中任一项的双倍率装置，其中还包括用于实现权利要求15所述对抽样图像所受光学系统和FPA的光学传递函数的影响进行补偿的装置。
21.根据权利要求16至20中任一项的双倍率装置，其中的频域处理和/或补偿算法可以通过软件实施，也可以通过硬件实施，还可以通过软、硬件结合来实施。
全文摘要
本发明提出提高含焦平面阵列(FPA)光电成像系统分辨率的微变焦以及双倍率方法与装置。两者均利用放大率可变的光学系统将目标成像到FPA上,并通过改变放大率得到同一目标在不同等效抽样间距下的两帧或更多帧抽样图像,最后通过这些抽样图像重建出提高了分辨率的图像。但两者的适用范围、需要的抽样图像帧数以及重建方法都不同:对于二维目标,微变焦适用于任何目标、需4帧抽样图像;双倍率适用于周期性目标、需2帧抽样图像。
文档编号H04N5/30GK1330488SQ0010923
公开日2002年1月9日 申请日期2000年6月19日 优先权日2000年6月19日
发明者张海涛, 赵达尊 申请人:张海涛, 赵达尊