曲艳玲，芦永军，张 萍，王丽梅，关寿华

(大连民族学院物理与材料工程学院，辽宁大连 116605)

红外凝视系统中的微扫描技术研究

曲艳玲，芦永军，张 萍，王丽梅，关寿华

(大连民族学院物理与材料工程学院，辽宁大连 116605)

详细介绍了微扫描的原理，在对微扫描成像性能的评价过程中引入了像素传递函数的概念，并给出了在微扫描模式不同时的探测器阵列的像素传递函数及其曲线，给出了微扫描模式不同时的微扫描重建图像。通过理论和计算机仿真分析可知，微扫描能有效地减小频谱混淆，提高图像分辨率。

微扫描;像素传递函数;仿真

红外成像技术是目前世界各国都在竞相研究和发展的高新技术。红外成像系统是靠探测目标与景物之间的辐射温差来产生景物的图像，它不需要借助红外光源和夜天光，因此是全被动式的，不易被对方发现和干扰，具有很强的抗干扰能力。它可以穿透浓烟、浓雾、黑夜、伪装等识别一定的目标，而且可以提供24 h全天候的服务。由于红外成像系统本身的特点，它在战略预警、战术报警、侦察、观瞄、导航、制导、遥感、气象、医学、搜救、森林防火、冶金和科学研究等军事和民用的许多领域中都得到了广泛的应用。

目前的红外成像系统，多采用红外焦平面探测器阵列。红外探测器阵列的单元尺寸比较大，而红外探测器由于制造工艺等问题还不能做到很高的填充因子，那么如何提高红外凝视成像系统的分辨率就成为首要的任务。目前，提高红外凝视成像系统分辨率的方法主要有四类。第一类为纯硬件法，即直接改进探测单元的制作工艺，减小探测单元感光单元尺寸，增加探测单元像素数，提高光敏面的使用率。但是减小感光单元的尺寸，增加像素数，受到工艺水平的限制，而且像元减小会带来灵敏度的降低和信噪比的减小。第二类方法采用多块探测器进行几何拼接，以提高探测单元的总像素数。第三类为纯软件方法，即在图像原始信息有限的前提下，用软件插值算法增加输出图像的像素数，但是，因其原始信息量没有增加，严格意义上讲难以提高分辨力。第四类方法即是微扫描方法，它是在不增加探测单元像素数的情况下，能有效提高分辨率的常用方法［1］。

1 红外成像过程

红外热像仪中的焦平面探测器阵列靠探测目标和背景间的微小温差而形成的热分布图来识别目标，即使在漆黑的夜晚也能准确地辨别目标。红外焦平面探测器阵列接收到目标物体的红外辐射后，通过光电转换、电信号处理等方式，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像。红外探测器是红外成像系统中的核心器件。在凝视成像的过程中，景象首先被光学系统所模糊，经过光学系统模糊的图像再被探测器阵列模糊和抽样，最后利用探测器的抽样数据重建并显示图像。

焦平面探测器阵列对模糊图像进行离散抽样，在这个过程中会产生由于探测器单元的有限尺寸所引起的模糊以及由于抽样引入的频谱混淆［2］。探测器将采集到的数据输入存储器，然后传输到显示器上进行显示。这时所显示的图像的效果是限定的。为了有一个直观的效果，以下面的几幀图为例(如图1)。

图1 抽样过程的图像表示

图1中，(a)表示一个小女孩的原始图像，(b)表示原始图像经过光学系统之后，由于光学系统的衍射和像差等原因产生的模糊图像，(c)中的黑色方点表示探测器单元，整个图表示了焦平面探测器阵列对于图像的所有抽样位置，(d)是根据探测器阵列得到的抽样数据，采用最邻近插值的方法得到的图像，通过显示器将最终的图像显示出来，由于显示像素是矩形的，图中可以看到有明显的矩形边界。

2 微扫描技术

微扫描是一种减少频谱混淆的常用方法，它利用微扫描装置将光学系统所成的图像在x，y方向进行1/N(N为整数)像素距的位移，得到N×N帧欠抽样图像，并运用数字图像处理器将多帧经过亚像素位移的图像重建成一帧图像，从而达到最终实现提高分辨率的目的［3］。

为了实现图像在阵列上的移动，要求系统内要有一些移动机械装置，也就是微扫描装置。微扫描装置的作用是使图像的位移频率与焦平面阵列的幀频同步，并将微扫描的步长设置成所选的工作模式，确定扫描路线。微扫描装置的转动是很小的，图像在焦平面阵列上进行亚像素(小于抽样间距)的平移，而且微扫描装置可以制成对几个轴进行扫描。微扫描透镜与压电陶瓷驱动器相结合的微扫描装置如图2。微扫描透镜前是一个望远系统，利用微扫描透镜将景象成像在焦平面阵列上，微扫描透镜被固定在一个双轴移动平台上，这个移动平台受到压电陶瓷驱动器的驱动产生亚像素的位移，从而使图像在焦平面阵列上产生移动。

图2 微扫描装置

通常微扫描有2种模式，一种是在垂直和水平方向进行的双向扫描，也称矩形双向扫描模式，以2×2微扫描为例，它是将图像沿水平和垂直方向分别移动像素间距的一半，得到4幀低分辨率图像，3×3微扫描是将图像沿水平和垂直方向分别移动像素间距的三分之一，得到九幀低分辨率图像;另一种是对角线扫描模式，它是将图像沿着由相邻4个有效像元之间的间距对角线移动对角线长度的一半，得到2幀低分辨率图像［4］。

3 微扫描性能评价

式中，fp=1/像素间距，fd=1/像素大小，f为图像的空间频率。

对于二维像素阵列来说，它的像素传递函数的表达式为

以二位像素阵列为例，假定大小为p×p的连续方形像素的中心位于每个晶格点上(如图3)，图中用实线画出了其中一个像素的轮廓。注意相应的 Wigner－Seitz单元［6］，与像素的形状和大小一致。通过将二维像素阵列在与水平轴成45度的方向上移动p/的距离来实现1×1微扫描模式。新的晶格点用空心的圆表示，图中用虚线描述了新的 Wigner－Seitz单元，它是一个的方形。

为了描述微扫描对像素阵列的影响，引入了像素传递函数(PTF)对微扫描过程进行评价［5］。一维像素阵列像素传递函数的表达式为p×p方形像素的傅立叶变换为

图3 1×1微扫描晶格结构

二维方形像素的PTF图如图4。

图4 单个方形探测单元的PTF

由于原来的Wigner－Seitz单元与像素一样，它的傅立叶变换也通过式(3)给出。于是作为结果的单幀抽样的PTF正好是式(3)的平方:新的Wigner－Seitz单元的傅立叶变换能通过式(3)经过简单的坐标变换得到

于是上述的傅立叶变换产生了1×1微扫描模式的PTF，即

1×1微扫描模式对应的三维PTF图如图5。

图5 1×1微扫描的PTF图

其他矩形双向微扫描模式的PTF都很容易得到，比1×1微扫描模式的PTF要简单，因为它们在 x和y方向移动的傅立叶变换是可分离的［7］。

4 计算机仿真

依次分别利用1×1、2×2、3×3、4×4微扫描模式得到的高分辨率重建图像如图6。从图像中可以看到，微扫描的步数越多，得到的重建图像的分辨率越高，但是随着微扫描步数的增多，对微扫描重建图像的分辨率的提高程度会逐渐降低，图6中的3×3微扫描重建图像和4×4微扫描重建图像已经很难看出分辨率的改善。这是由于它受到探测器单元本身大小的限制。

图6 不同微扫描模式时的重建图像

假定填充因子为45%时对应的像素大小为d，像素间距p=3/2d，将得到在不同微扫描模式时的PTF曲线(如图7)。从图7中可看出并非微扫描步数越多，对PTF的改善越好。而且微扫描步数越多对微扫描装置、探测器的响应和数字处理器的要求越高，一般情况下多采取2×2或3×3微扫描模式。

图7 填充因子为45%的PTF

5 结语

微扫描技术是一种在不增加探测器数目的情况下，提高光学系统分辨率、改善成像质量的有效方法。本文将这一过程进行了计算机模拟，可以直观地显示出采用微扫描技术合成的图像明显好于单幅抽样图像，微扫描步数越多重建图像的分辨率越高，因为微扫描可以更多地获得探测器非感应区域的信息，更好地复原原始图像。

［1］张敬贤，李玉丹.微光与红外成像技术［M］.北京:北京理工大学出版社，1995.

［2］张海涛，赵达尊.微扫描减少光电成像系统频谱混淆的数学原理及实现［J］.光学学报，1999，19(9):1263－1268.

［3］曲艳玲，张新.微扫描技术及其在光电成像系统中的应用［J］.光学精密工程，2003，11(4):74 －79.

［4］左月萍，张建奇.几种工作模式的微扫描成像系统的理论建模和仿真［J］.红外与毫米波学报，2003，22(2):145－148.

［5］KAI M.Efect ofoversam pling in pixel arrays［J］.Opt.Eng.，1995，34(5):1281 －1288.

［6］JEAN F ，PAUL C.Realization of a fast microscanning device for infrared focal plane arrays［J］.SPIE，1996，2743:185－196.

［7］曲艳玲，芦永军.微扫描光电技术研究［J］.大连民族学院学报，2005，7(3):4 －7.

Research on Micro－scanning Technique in Infrared Staring Systems

QU Yan－ling，LU Yong－jun，ZHANG Ping，WANG Li－mei，GUAN Shou －hua
(School of Physics and Materials Engineerin，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

In this paper theory of micro scanning is described in details.The concept of pixel transfer function is introduced in performance evaluation of micro scanning imaging and the pixel transfer functions and its curves of detector array with different micro scanning mode are presented.The reconstructed images with different micro scanning mode are presented as well.The results show the technique of micro scanning can effectively reduce the spectrum aliasing effect and improve the final image resolution.

micro scanning;pixel transfer function;simulation

TN21

A

1009－315X(2012)01－0046－04

2011－10－12

曲艳玲(1974－)，女，内蒙古牙克石人，讲师，主要从事光学设计和红外成像技术研究。

(责任编辑 邹永红)