《微扫描成像技术》

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点扩散函数

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。有限大小采样限制函数：，和是整个探测器阵列的尺寸。采样函数：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。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。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，从1300×1030pixels一直到3900×3090pixels。

AxioCamHR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。ADS40内部结构图ADS40所采用的由线阵CCD组成的焦平面模块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。英国BAE系统公司FPA热像仪微扫描方案美国BEI精密微扫描组件

图4装有微扫描器的384×288MWIR最终能获得768×576

分辨率InfraTec公司红外热成像仪采用非制冷焦平面阵列

320×240a：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。

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。STAGM48坦克图像的CLS复原左：原始Nyquist频率采样图像；中：8×Nyquist频率采样图像；右：复原图像MAPS测试图像的ML复原左：4.3×Nyquist频率采样原始图像；右：500次叠代的ML复原图像二、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个像素)移动。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。

可控制的微扫描方法

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，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，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。非控制的微扫描

由于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。因此对于它的实现方法就不多做介绍。微扫描的工作模式

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，微扫描系统的空间分辨力也会随着提高。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：微扫描器和微扫描器控制器。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：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：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。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