一种高分辨率大视场成像方法与流程

1.本发明属于高分辨率大视场空间光学成像系统技术领域，尤其涉及一种高分辨率大视场成像方法。


背景技术：

2.高分辨率成像系统一般具有大的口径，大口径成像系统的边缘视场难以得到较好的像质。为解决传统设计方法所带来的高分辨率与大口径难以兼得的问题，常采用的方法有：多孔径成像系统，整机或扫描镜摆扫，采用具有自由曲面的离轴反射光学系统。这些方法可以有效的同时实现高分辨率与大视场。但是对于空间光学成像系统具有重量体积稳定性等限制，上述几种方法，会增加空间光学相机设计装调的难度，增加相机的重量体积，降低相机工作时的稳定性，增加相机研制及发射成本。


技术实现要素：

3.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高分辨率大视场成像方法，解决现有高分辨率大视场成像系统设计复杂、体积重量大、成本高的问题，降低硬件部分的体积、重量、成本，使得设计的高分辨率大视场成像系统更适用于对重量体积要求严格的高分辨率大视场空间光学成像系统。
4.本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种高分辨率大视场成像方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：设计高分辨率大视场计算成像光学系统；步骤二：利用高分辨率大视场计算成像光学系统对目标景物进行成像得到目标景物图像；步骤三：利用图像复原算法对目标景物图像进行图像复原，得到高分辨率大视场图像。
5.上述高分辨率大视场成像方法中，在步骤一中，高分辨率大视场计算成像光学系统包括主镜、次镜、三镜、可编码面和探测器像面；其中，主镜为曲率半径为-11230mm的反射镜，次镜为曲率半径为-1908mm的反射镜，主镜和次镜之间的间距为4815mm，三镜为曲率半径为-2267mm的反射镜,次镜到三镜(5)的距离为7064mm，可编码面到三镜的距离为1324mm，可编码面到探测器像面的距离为1115mm。
6.上述高分辨率大视场成像方法中，可编码面为泽尼克面反射镜。
7.上述高分辨率大视场成像方法中，在步骤一中，可编码面的设计方法包括如下步骤：(11)设计一个同轴反射光学系统，将设计好的光学系统出瞳处加入可编码面；(12)对可编码面赋初值；(13)将同轴反射光学系统的像面进行网格划分得到多个网格区域；(14)同轴反射光学系统对预设目标进行成像得到中间像，以每个网格区域的区域点扩散函数作为去卷积核，对中间像进行去卷积复原得到复原后的图像；(15)以复原后的图像与原始图像间的差异最小为优化目标，以相邻区域点扩散函数差异性最小作为优化正则约束，对可编码面进行优化，直至复原后的图像与原始图像间的差异在预设范围内。
8.上述高分辨率大视场成像方法中，在步骤(12)中，对可编码面的各系数赋初值为0。
9.上述高分辨率大视场成像方法中，在步骤(15)中，复原后的图像与原始图像间的相似度达到90％以上则认为复原后的图像与原始图像间的差异在预设范围内。
10.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
11.(1)现有技术采用多孔径成像系统，整机或扫描镜摆扫及采用具有自由曲面的离轴反射光学系统来实现高分辨率大视场成像。本发明采用光学系统结合图像复原联合优化的方法，实现高分辨率大视场成像系统的设计，由于采用了图像复原方法，降低了对光学系统硬件的设计需求，可以减小硬件系统的重量体积，更适用于高分辨率大视场空间光学成像系统。
12.(2)现有对高分辨大视场成像系统的图像复原方法是独立于光学系统的设计过程的。本发明采用光学系统设计与图像复原联合优化的方式。可以降低在光学系统部分对像质的要求及对复原算法性能的需求，提高了图像复原算法与光学系统的匹配度，通过联合优化达到像质最优。
13.(3)现有高分辨率大视场图像分块复原算法在图像拼接、振铃效应上效果不理想，本发明在光学设计阶段即采用分块设计，并在目标优化过程中循环采用分块图像复原及各区域点扩散函数相似约束优化，使得设计的可编码面形过渡平滑，利于加工，同时减少图像复原后的振铃效应及拼接痕迹。
14.(4)现有计算光学成像系统，需要对光学系统及算法进行联合设计，即计算光学成像系统与现有光学系统有所区别，需要对计算光学系统进行特殊设计。本发明通过在光学系统中加入可编码面形，仅对编码面形进行优化，可以在现有的光学系统中采用本发明方法提高成像的分辨率及视场，节约了重新全部加工光学系统的成本。
附图说明
15.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
16.图1是本发明实施例提供的高分辨率大视场计算成像光学系统的示意图；
17.图2是本发明实施例提供的像面按视场划分示意图。
具体实施方式
18.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
19.本发明基于计算成像思想，采用光学设计结合图像复原算法联合优化光学系统中的可编码面形，实现对光学系统的设计，其中图像复原算法采用分块去卷积的复原方法。在应用时，通过光学系统成像，所成的像再经过设计时采用的图像复原算法进行复原，得到高分辨率大视场图像。
20.本实施例提供了一种高分辨率大视场成像方法，该方法包括如下步骤：
21.步骤一：设计高分辨率大视场计算成像光学系统；
22.步骤二：利用高分辨率大视场计算成像光学系统对目标景物进行成像得到目标景物图像；
23.步骤三：利用图像复原算法对目标景物图像进行图像复原，得到高分辨率大视场图像。
24.在步骤一中，如图1所示，高分辨率大视场计算成像光学系统包括主镜2、次镜1、三镜5、可编码面3和探测器像面4；其中，
25.主镜为曲率半径为-11230mm的反射镜，次镜为曲率半径为-1908mm的反射镜，主次镜之间的间距为4815mm，三镜为曲率半径为-2267mm的反射镜,次镜到三镜的距离为7064mm，可编码面此处采用泽尼克面反射镜，其中各项系数如下表1所示，可编码面到三镜的距离为1324mm，可编码面到像面的距离为1115mm。
26.表1泽尼克面反射镜泽尼克系数
27.zernike1zernike2zernike3zernike4zernike5zernike609.3697e-30.94892.5783e-4-1.587e-4-1.140e-4zernike7zernike8zernike9zernike10zernike11zernike121.472e-44.3116e-7-9.202e-51.7003e-4-9.210e-5-5.513e-5zernike13zernike14zernike15zernike16zernike17zernike18-1.169e-43.8637e-59.1242e-5-1.361e-5-2.851e-4-1.705e-4zernike19zernike20zernike21zernike22zernike23zernike244.6647e-5-8.401e-6-3.282e-5-4.275e-5-1.114e-55.8094e-6zernike25zernike26zernike27zernike28zernike29zernike30-4.382e-62.647e-57.0277e-5-1.332e-5-3.733e-58.7547e-6
28.在步骤一中，可编码面的设计方法包括如下步骤：
29.(11)设计一个同轴反射光学系统，将设计好的光学系统出瞳处加入可编码面；
30.(12)对可编码面赋初值；
31.(13)将同轴反射光学系统的像面进行网格划分得到多个网格区域；
32.(14)同轴反射光学系统对预设目标进行成像得到中间像，以每个网格区域的区域点扩散函数作为去卷积核，对中间像进行去卷积复原得到复原后的图像；
33.(15)以复原后的图像与原始图像间的差异最小为优化目标，以相邻区域点扩散函数差异性最小作为优化正则约束，对可编码面进行优化，直至复原后的图像与原始图像间的差异在预设范围内。
34.本实施例通过本发明将0.3
°×
0.3
°
的光学系统视场提高到0.6
°×
0.6
°
。具体设计实现步骤如下：
35.第一步：首先初步设计一个同轴反射光学系统，光学系统视场角为0.3
°×
0.3
°
，初始设计的光学系统如图1所示。将初始设计的光学系统出瞳处反射镜面形改为泽尼克面，作为光学系统中的可编码面形；需要理解的是，同轴反射光学系统为高分辨率大视场计算成像光学系统去除可编码面。
36.第二步：对泽尼克面形各系数赋初值，本例中给定各项系数初值为0；
37.第三步：将光学系统的视场扩大到0.6
°×
0.6
°
，将像面按网格进行划分，其中中心
网格间隔大，边缘网格间隔小，本例中，以0
°
视场为中心，中心区域视场宽度为0.1
°×
0.1
°
从中心到两边视场区域依次递减0.05
°
，视场划分示意图如图2所示；
38.第四步：选取一张清晰图像，经过光学系统成像，按第三步的视场划分方法，对光学系统所成图像进行分区域去卷积复原，此时的去卷积核为泽尼克面形在当前系数下对应的各区域的点扩散函数；
39.第五步：以复原后的图像与原始图像间的图像结构相似度差异最小为优化目标，对泽尼克面形的泽尼克系数进行优化；
40.第六步：以相邻区域点扩散函数结构相似度最小作为优化正则约束，对泽尼克面形的泽尼克系数进行优化；
41.第七步：重复步骤五和步骤六，直至复原后的图像与原始图像间的结构相似度在可接受范围内，本例中，当复原图像与原始图像结构相似度达到90％时，即更换另一张原始图像，重复优化步骤，更换10张原始图像后，采用不同的20张图像进行测试，复原图像与原始图像的结构相似度均可达到90％以上。此时停止优化。
42.本发明采用光学系统结合图像复原联合优化的方法，实现高分辨率大视场成像系统的设计，由于采用了图像复原方法，降低了对光学系统硬件的设计需求，可以减小硬件系统的重量体积，更适用于高分辨率大视场空间光学成像系统；本发明采用光学系统设计与图像复原联合优化的方式。可以降低在光学系统部分对像质的要求及对复原算法性能的需求，提高了图像复原算法与光学系统的匹配度，通过联合优化达到像质最优；本发明在光学设计阶段即采用分块设计，并在目标优化过程中循环采用分块图像复原及各区域点扩散函数相似约束优化，使得设计的可编码面形过渡平滑，利于加工，同时减少图像复原后的振铃效应及拼接痕迹；本发明通过在光学系统中加入可编码面形，仅对编码面形进行优化，可以在现有的光学系统中采用本发明方法提高成像的分辨率及视场，节约了重新全部加工光学系统的成本。
43.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。