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基于重建的无源毫米波多帧超分辨算法研究

作　者: 何俊峰
导　师: 熊金涛
学　校: 电子科技大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 无源毫米波成像多帧超分辨亚像素双边滤波器正则化
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无源毫米波成像是一项通过被动接收场景和物体自身辐射的毫米波能量,并利用不同景物间辐射的毫米波能量的强度差异实现成像的技术。无源毫米波成像相对于红外成像和可见光成像具有其独特的技术优势并具有重要和广泛的应用前景。无源毫米波成像系统能在各种气候条件下全天时进行探测成像，改善了探测时对气候、天时条件的依赖性。由于系统工作时本身不辐射电磁波，突破了许多的应用限制。该技术的优势使其在场景监控、安全检查、军事侦察等广泛的军、民用领域得到应用。但是其体制上的特点也使其具有一些技术上的缺点，例如，由于成像系统的天线效应以及其硬件实现上的条件限制，导致无源毫米波成像系统获取图像的分辨率较低，难以完全满足以上应用的需求。多帧超分辨处理方法可在不改变系统硬件条件的前提下，利用信号处理的方法，有效地提高毫米波图像的分辨率。其中对成像过程进行逆向求解的超分辨算法被称为基于重建的超分辨算法，它目前是超分辨算法的主流之一。本论文依托国家预研项目，对无源毫米波成像中的多帧超分辨算法进行了研究。论文主要的工作以及研究结论和成果包括：1．通过分析无源毫米波成像系统的工作原理和成像过程，研究了图像降质的数学模型。在分析单帧超分辨算法模型的基础下，通过引入亚像素单元技术，给出了图像的多帧超分辨算法模型。2．针对无源毫米波成像多帧图像之间的亚像素运动估计问题进行了研究。首先分析了数字图像的运动模型，提出了关于“不良帧剔除”的概念和思路方法；研究了基于块匹配与基于光流的亚像素估计方法；最后对基于光流的亚像素运动估计方法进行仿真实验，验证了该方法能达到亚像素级的运动估计，能够满足后续多帧超分辨算法的需求。3．研究了基于凸集投影(POCS)的超分辨算法。采用基于边缘导向的插值放大方法构建高分辨率图像的初始估计以尽量减小初始估计带来的误差；然后，分析了高斯模型的点扩散函数(PSF)的特点，引入了双边滤波器对高斯模型的PSF进行修正替代，建立了图像的空间域与像素域的联系；并对模板化点扩散函数的不足加以修正，重建得到高分辨率的毫米波图像。该算法能有效地提高图像分辨率，与双线性插值放大及传统的基于凸集投影的超分辨算法相对比分析，重建效果改善明显。4．通过对基于正则化的多帧超分辨算法的分析，提出了一种基于改进正则化的方法对无源毫米波多帧图像进行了重建。首先，该方法使用基于偏微分(PDE)的插值法对图像放大；然后利用改进的Laplacian算子来表征图像的先验信息；同时选择了自适应的正则化因子，最后重建得到高分辨率毫米波图像。该算法能获得较好的重建结果，能外推出图像的高频信息，有效地提高了图像分辨率。采用仿真图像和无源毫米波系统实测图像对上面3、4项的改进算法进行仿真实验，通过分析实验数据，从主观定性和客观定量两个方面验证了改进算法能有效地利用多帧图像的亚像素信息，重建图像的高频细节部分，有效地提高图像的分辨率。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-21
  1.1 研究的背景与意义  11-12
  1.2 无源毫米波成像技术及超分辨算法的发展及应用  12-18
    1.2.1 无源毫米波成像技术的发展及应用  12-15
    1.2.2 无源毫米波成像超分辨算法的发展及应用  15-18
  1.3 本论文的主要工作和章节安排  18-21
    1.3.1 本论文的主要工作  18-19
    1.3.2 本论文的章节安排  19-21
第二章无源毫米波成像及多帧超分辨技术基础理论  21-32
  2.1 无源毫米波成像技术基本理论  21-25
    2.1.1 黑体辐射理论  21-22
    2.1.2 电磁波大气窗口  22-23
    2.1.3 毫米波辐射测量理论  23-25
  2.2 无源毫米波成像系统模型  25-27
    2.2.1 无源毫米波成像系统的成像模型  26
    2.2.2 无源毫米波成像系统的系统点扩散函数  26-27
  2.3 多帧图像的超分辨处理技术概述  27-30
    2.3.1 超分辨的概念  27-28
    2.3.2 多帧图像的超分辨技术理论基础  28-30
  2.4 超分辨复原算法性能评价方法  30-31
  2.5 本章小结  31-32
第三章无源毫米波多帧成像的亚像素估计研究  32-41
  3.1 数字图像的运动变换模型  32-33
  3.2 不良帧的剔除  33-35
  3.3 基于块匹配的亚像素运动估计分析  35-37
  3.4 基于光流的亚像素运动估计研究  37-40
    3.4.1 基于光流的亚像素运动估计方法  37-39
    3.4.2 基于光流的亚像素运动估计研究的仿真实验  39-40
  3.5 本章小结  40-41
第四章基于凸集投影(POCS)的多帧超分辨算法研究  41-60
  4.1 基于 POCS 的超分辨算法概述  41
  4.2 基于 POCS 的多帧超分辨算法重建原理  41-45
  4.3 基于 POCS 的多帧超分辨算法实现流程  45-48
  4.4 改进的 POCS 多帧超分辨算法研究  48-54
    4.4.1 基于边缘导向的插值放大  48-52
    4.4.2 基于双边滤波器的点扩散函数(PSF)改进  52-54
  4.5 改进 POCS 多帧超分辨算法的仿真实验  54-59
  4.6 本章小结  59-60
第五章基于正则化的多帧超分辨算法研究  60-72
  5.1 基于正则化的多帧超分辨算法概述  60-61
  5.2 基于正则化的多帧超分辨算法复原算法研究  61-67
    5.2.1 多帧低分辨率图像的亚像素参数估计  62
    5.2.2 基于 PDE 的插值放大  62-64
    5.2.3 正则化参数的选取方法  64-65
    5.2.4 基于改进 LAPLACIAN 算子的超分辨算法  65-67
  5.3 基于改进正则化的多帧超分辨算法仿真及实验  67-71
  5.4 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-74
  6.1 工作总结  72-73
  6.2 工作展望  73-74
致谢  74-75
参考文献  75-78
攻读硕士学位期间取得的研究成果  78-79

基于重建的无源毫米波多帧超分辨算法研究

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