《微扫描成像技术》

x y 1 samp( x, y ) = comb , ∆x ∆y ∆x∆y
探测器结构图
由以上的推导我们可以看到光学系统的 成像和像素单元的积分都会使像的频谱宽度 减小，高频衰减，如果已经减少的像的频谱 仍然大于探测器采样的频率，那么在重建的 频谱内将产生混叠[1]。
微扫描技术
微扫描成像技术可在不增加探测器像素尺 寸和规模的条件下，增大成像系统的空间 采样频率，减少了图像的频率混叠效应， 明显提高了成像系统的分辨力。
什么是微扫描技术
微扫描技术是对同一场景进行多次采样， 从多幅相互之间有微小位移的时间序列低 分辨率图像重建一幅高分辨率图像。
微扫描技术应用
由于完全基于现有探测器，成本较低，目 前国外在红外成像和可见光成像领域中都 有广泛应用。 当然，微扫描技术的不仅限于光电成像领 域的应用，国外的研究人员也在积极地研 究在其它成像领域的应用，譬如说合成孔 径成像等领域。
采用非制冷焦平面阵列 320×240
a：普通工作模式 b：微扫描工作模式 两种工作模式下成像的比较
3．微扫描在其它成像领域的应用
将微扫描成像理论应用于其它成像领域 的研究也已经展开，其中取得一定成果的 是在毫米波成像领域的 应用。
毫米波成像
在恶劣天气环境下毫米波成像的适应 性极为优秀，然而与热成像和可见波段传 感器相比，其空间分辨率过低以及由于非 理想采样所引入的混淆和模糊一直是需要 解决的问题。
非控制的微扫描
由于非控制的微扫描就是利用载体(卫星、 由于非控制的微扫描就是利用载体(卫星、 飞机等) 飞机等)相对于目标的运动或随机振动产生相邻 图像间的位移。 图像间的位移。因此对于它的实现方法就不多 做介绍。 做介绍。
微扫描的工作模式
微扫描工作模式现在主要是1 微扫描工作模式现在主要是1×1、2×2、3×3、 4×4四种。微扫描模式决定了探测器上图像的位移周期和 四种。 微扫描轨迹。 微扫描轨迹。每种微扫描模式都有不同的扫描轨迹以及扫 描步数，随着微扫描步数的增加， 描步数，随着微扫描步数的增加，微扫描系统的空间分辨 力也会随着提高。 力也会随着提高。
频率采样原始图像； 次叠代的ML复原图像 左：4.3×Nyquist频率采样原始图像；右：500次叠代的 3 频率采样原始图像 次叠代的 复原图像
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、微扫描技术
微扫描技术就是从多幅相互之间有微小位移 的时间序列低分辨率图像重构一幅高分辨率图像。 根据位移产生的途径不同，微扫描技术可分为可 控制的微扫描和非控制的微扫描。
微扫描分类
可控制的微扫描可采用分束棱镜或控制光学元件相对成像 器件微位移实现相邻图像在成像器件上的亚像素（小于1 器件微位移实现相邻图像在成像器件上的亚像素（小于1 个像素)移动。 个像素)移动。 非控制的微扫描就是利用载体(卫星、飞机等) 非控制的微扫描就是利用载体(卫星、飞机等)相对于目标 的运动或随机振动产生相邻图像间的位移。 的运动或随机振动产生相邻图像间的位移。
可控制的微扫描方法
实现微扫描的方法很多， 实现微扫描的方法很多，国内外研究机构对各种扫 描机构进行了研究，例如采用压电装置驱动透镜实现微扫 描机构进行了研究， 也有的采用旋转平板法实现微扫描。从目前资料看来， 描，也有的采用旋转平板法实现微扫描。从目前资料看来， 还没有人采用探测器位移方式， 还没有人采用探测器位移方式，基本上都是采用光学微扫 描机构实现相对于成像器件的微位移。 描机构实现相对于成像器件的微位移。
英国BAE系统公司FPA热像仪微扫描方案 英国BAE系统公司FPA热像仪微扫描方案 BAE系统公司FPA
美国BEI精密微扫描组件 美国BEI精密微扫描组件 BEI
装有微扫描器的384×288 图4 装有微扫描器的 × MWIR 最终能获得768×576 分辨率 最终能获得 ×
InfraTec公司红外热成像仪 公司红外热成像仪
微扫描成像技术
徐超
2005/04/07
人类信息的获取方式
人类自身获取信息的途径：五种感觉 人类获取信息量的70%来自于视觉。 成像技术就是针对人类获取信息的特点而 形成的一门技术。
成像技术
相对其它的科学技术门类，成像技术是一 门年轻的学科，但仅仅经过半个世纪的发 展，就已经在军事、医疗、工业、安全等 众多领域显示出了巨大的应用价值。
成像技术分类
当然，我们说成像技术并不仅仅限于光电 成像技术，其它的成像技术门类也包含在 其中：超声波成像、X-ray成像、核磁共振 成像、合成孔径成像、雷达成像。
随着成像传感器技术的发展，不仅各种 CCD及CMOS固体成像器件层出不穷，而 且各种波段的成像传感器也得到迅速发展。
需求
然而，成像传感器的发展速度依然难以满 足人们日益增长的应用需求，特别是更高 分辨力、更远作用距离的应用对成像分辨 力提出了更高的要求。
提高成像系统的分辨力的方法
增加成像系统物镜的焦距 增加探测器阵列的规模 减小探测器单元的几何尺寸并提高探测器 的占空比
混叠
光电成像系统框图
整个过程可以表示为
( fr (x, y) = { [ fo (x, y) ⊗ psf (x, y) ⊗d(x, y)]⋅ s(x, y) ⋅ sampx, y) }⊗r(x, y)
应用微扫描成像理论在毫米波成像中， 以获取过采样的被动毫米波（PMMW）图 像。
STAG M48 坦克图像的 坦克图像的CLS复原 复原
频率采样图像； 频率采样图像； 左：原始Nyquist频率采样图像；中：8×Nyquist频率采样图像；右：复原图像 原始 频率采样图像 × 频率采样图像
MAPS测试图像的 测试图像的ML复原 测试图像的 复原
HR是蔡司公司的数字显微高分辨率摄像机 AxioCam HR是蔡司公司的数字显微高分辨率摄像机
数字航空相机
和数字显微领域中使用的可控制的微扫描技术 不同，Leica公司的ADS40数字航空相机应用了非 控制的微扫描技术，采用特殊的线阵CCD器件，利 用机体的运动产生扫描动作。他所采用的线阵CCD 器件和法国SPOT卫星上所采用的器件极为相似， 每一组线阵CCD都由两列线性阵列组成，两列线性 阵列错开半个像素。
数字显微
德国JENOPTIK公司所研发，应用于数字显微领。提供可变的分辨率， 德国JENOPTIK公司所研发，应用于数字显微领。提供可变的分辨率， JENOPTIK公司所研发 1300× pixels一直到3900× 一直到3900 pixels。 从1300×1030 pixels一直到3900×3090 pixels。
1．微扫描在可见光成像领域的应用
在可见光领域，微扫描技术的应用主要针对 于卫星遥感、数字航空相机、数字显微等领域， 技术也主要掌握在法国和德国公司手中。但是对 于微扫描技术在可见光领域的应用，并不只限于 这些领域，随着微扫描技术的成熟，在可见光领 域的应用将更加广泛。
数字显微相机
数字显微领域主要应用了可控制的微扫描技 术来实现高分辨率，其中成像器件为面阵CCD。通 过在光路中加入微扫描器，实现每帧图像之间的 微位移。
光学微扫描实现方式分类
现有的光学微扫描实现方式归结起来主要分三类： 现有的光学微扫描实现方式归结起来主要分三类： 机械平移法 平板旋转法 光学变换法
机械平移法
平移透镜法
平板旋转法
旋转平板法
摆镜法
国内进展
目前，国内在微扫描技术方面的工作主要 体现在模型建立和算法研究上，成型的系 统很少，只有西光所做过一些试验性系统， 和国外的应用水平相比落后很多。
微扫描四种工作模式
微扫描系统组成
微扫描系统主要分为两大部分： 微扫描系统主要分为两大部分：微扫描器和微扫描器 控制器。 控制器。 由于需要精确移动的微位移很小（亚像素），微扫描 由于需要精确移动的微位移很小（亚像素），微扫描 ）， 系统需要很高的精度，主要有两个方面的难点： 系统需要很高的精度，主要有两个方面的难点： 需要保证将图像从一个位置移到下一个位置时间上的精确 性 需要保证微位移自身的精确性
ADS40内部结构图 ADS40内部结构图
ADS40所采用的由线阵CCD组成 ADS40所采用的由线阵CCD组成 所采用的由线阵CCD 的焦平面模块
ADS40所拍摄的高精度航空照片 ADS40所拍摄的高精度航空照片
2．微扫描在红外成像领域的应用
随着红外焦平面器件的实用化，可控微扫描 技术逐渐应用于红外成像领域。 从系统空间分辨率的角度看，因为同样遵循 采样定理，因此对于给定的探测器尺寸，原有的 单个探测器扫描系统的分辨率要比红外焦平面阵 列性能好两倍。通过微扫描，红外焦平面阵列的 分辨率可以达到扫描系统的可分辨率限。
点扩散函数
psf ( x, y )
探测器固有宽度展宽采样脉冲函数，和是单个探 测器单元的尺寸。
1 x y d (x, y) = rect , ab a b
有限大小采样限制函数：，和是整个探测器阵列 的尺寸。
x y s ( x, y ) = rect , X Y
采样函数：
总结
需要指出的是，虽然微扫描技术减少了成 像系统由于欠采样所造成的频谱混叠，但 是对于其它成像过程中带来的信息损失， 微扫描技术本身是没有办法解决的。但由 于微扫描采样过程相当于过采样过程，那 么微扫描成像后的图像就相当于过采样图 像，这为我们下一步的超分辨力图像复原 打下了很好的基础。
将基于微扫描的亚像元成像和超分辨力图 像复原技术相结合，进一步提高成像质量， 使图像更接近理想成像，是我们下一步要 做的事情。