本发明公开了一种基于稀疏表示的红外图像超分辨率重建方法，步骤包括：步骤1、字典的训练，包括样本集的提取和子字典的训练，样本集的提取包括图像预处理和图像分块；子字典的训练包括样本块的聚类、子字典的训练；步骤2、重建高分辨率图像。本发明的方法，采用基于相关系数的自适应k‑means聚类算法将大量的训练样本集进行分类，然后针对每一个子类训练一个对应的高低分辨率字典对，字典对的大小则根据该类所含样本个数自适应决定，最终获得多个高低分辨率子字典对，通过计算待重建的图像样本块与每一个子类聚类中心的相关系数来选择子字典进行重建；该方法保证了红外图像超分辨率重建结果，重建速度显著提高。
