紅外凝視系統(tǒng)中的微掃描技術(shù)研究

曲艷玲，蘆永軍，張 萍，王麗梅，關(guān)壽華

(大連民族學(xué)院物理與材料工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

紅外凝視系統(tǒng)中的微掃描技術(shù)研究

曲艷玲，蘆永軍，張 萍，王麗梅，關(guān)壽華

(大連民族學(xué)院物理與材料工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

詳細(xì)介紹了微掃描的原理，在對微掃描成像性能的評價(jià)過程中引入了像素傳遞函數(shù)的概念，并給出了在微掃描模式不同時(shí)的探測器陣列的像素傳遞函數(shù)及其曲線，給出了微掃描模式不同時(shí)的微掃描重建圖像。通過理論和計(jì)算機(jī)仿真分析可知，微掃描能有效地減小頻譜混淆，提高圖像分辨率。

微掃描;像素傳遞函數(shù);仿真

紅外成像技術(shù)是目前世界各國都在競相研究和發(fā)展的高新技術(shù)。紅外成像系統(tǒng)是靠探測目標(biāo)與景物之間的輻射溫差來產(chǎn)生景物的圖像，它不需要借助紅外光源和夜天光，因此是全被動式的，不易被對方發(fā)現(xiàn)和干擾，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。它可以穿透濃煙、濃霧、黑夜、偽裝等識別一定的目標(biāo)，而且可以提供24 h全天候的服務(wù)。由于紅外成像系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，它在戰(zhàn)略預(yù)警、戰(zhàn)術(shù)報(bào)警、偵察、觀瞄、導(dǎo)航、制導(dǎo)、遙感、氣象、醫(yī)學(xué)、搜救、森林防火、冶金和科學(xué)研究等軍事和民用的許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。

目前的紅外成像系統(tǒng)，多采用紅外焦平面探測器陣列。紅外探測器陣列的單元尺寸比較大，而紅外探測器由于制造工藝等問題還不能做到很高的填充因子，那么如何提高紅外凝視成像系統(tǒng)的分辨率就成為首要的任務(wù)。目前，提高紅外凝視成像系統(tǒng)分辨率的方法主要有四類。第一類為純硬件法，即直接改進(jìn)探測單元的制作工藝，減小探測單元感光單元尺寸，增加探測單元像素?cái)?shù)，提高光敏面的使用率。但是減小感光單元的尺寸，增加像素?cái)?shù)，受到工藝水平的限制，而且像元減小會帶來靈敏度的降低和信噪比的減小。第二類方法采用多塊探測器進(jìn)行幾何拼接，以提高探測單元的總像素?cái)?shù)。第三類為純軟件方法，即在圖像原始信息有限的前提下，用軟件插值算法增加輸出圖像的像素?cái)?shù)，但是，因其原始信息量沒有增加，嚴(yán)格意義上講難以提高分辨力。第四類方法即是微掃描方法，它是在不增加探測單元像素?cái)?shù)的情況下，能有效提高分辨率的常用方法［1］。

1 紅外成像過程

紅外熱像儀中的焦平面探測器陣列靠探測目標(biāo)和背景間的微小溫差而形成的熱分布圖來識別目標(biāo)，即使在漆黑的夜晚也能準(zhǔn)確地辨別目標(biāo)。紅外焦平面探測器陣列接收到目標(biāo)物體的紅外輻射后，通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等方式，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像。紅外探測器是紅外成像系統(tǒng)中的核心器件。在凝視成像的過程中，景象首先被光學(xué)系統(tǒng)所模糊，經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)模糊的圖像再被探測器陣列模糊和抽樣，最后利用探測器的抽樣數(shù)據(jù)重建并顯示圖像。

焦平面探測器陣列對模糊圖像進(jìn)行離散抽樣，在這個(gè)過程中會產(chǎn)生由于探測器單元的有限尺寸所引起的模糊以及由于抽樣引入的頻譜混淆［2］。探測器將采集到的數(shù)據(jù)輸入存儲器，然后傳輸?shù)斤@示器上進(jìn)行顯示。這時(shí)所顯示的圖像的效果是限定的。為了有一個(gè)直觀的效果，以下面的幾幀圖為例(如圖1)。

圖1 抽樣過程的圖像表示

圖1中，(a)表示一個(gè)小女孩的原始圖像，(b)表示原始圖像經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)之后，由于光學(xué)系統(tǒng)的衍射和像差等原因產(chǎn)生的模糊圖像，(c)中的黑色方點(diǎn)表示探測器單元，整個(gè)圖表示了焦平面探測器陣列對于圖像的所有抽樣位置，(d)是根據(jù)探測器陣列得到的抽樣數(shù)據(jù)，采用最鄰近插值的方法得到的圖像，通過顯示器將最終的圖像顯示出來，由于顯示像素是矩形的，圖中可以看到有明顯的矩形邊界。

2 微掃描技術(shù)

微掃描是一種減少頻譜混淆的常用方法，它利用微掃描裝置將光學(xué)系統(tǒng)所成的圖像在x，y方向進(jìn)行1/N(N為整數(shù))像素距的位移，得到N×N幀欠抽樣圖像，并運(yùn)用數(shù)字圖像處理器將多幀經(jīng)過亞像素位移的圖像重建成一幀圖像，從而達(dá)到最終實(shí)現(xiàn)提高分辨率的目的［3］。

為了實(shí)現(xiàn)圖像在陣列上的移動，要求系統(tǒng)內(nèi)要有一些移動機(jī)械裝置，也就是微掃描裝置。微掃描裝置的作用是使圖像的位移頻率與焦平面陣列的幀頻同步，并將微掃描的步長設(shè)置成所選的工作模式，確定掃描路線。微掃描裝置的轉(zhuǎn)動是很小的，圖像在焦平面陣列上進(jìn)行亞像素(小于抽樣間距)的平移，而且微掃描裝置可以制成對幾個(gè)軸進(jìn)行掃描。微掃描透鏡與壓電陶瓷驅(qū)動器相結(jié)合的微掃描裝置如圖2。微掃描透鏡前是一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，利用微掃描透鏡將景象成像在焦平面陣列上，微掃描透鏡被固定在一個(gè)雙軸移動平臺上，這個(gè)移動平臺受到壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動產(chǎn)生亞像素的位移，從而使圖像在焦平面陣列上產(chǎn)生移動。

圖2 微掃描裝置

通常微掃描有2種模式，一種是在垂直和水平方向進(jìn)行的雙向掃描，也稱矩形雙向掃描模式，以2×2微掃描為例，它是將圖像沿水平和垂直方向分別移動像素間距的一半，得到4幀低分辨率圖像，3×3微掃描是將圖像沿水平和垂直方向分別移動像素間距的三分之一，得到九幀低分辨率圖像;另一種是對角線掃描模式，它是將圖像沿著由相鄰4個(gè)有效像元之間的間距對角線移動對角線長度的一半，得到2幀低分辨率圖像［4］。

3 微掃描性能評價(jià)

式中，fp=1/像素間距，fd=1/像素大小，f為圖像的空間頻率。

對于二維像素陣列來說，它的像素傳遞函數(shù)的表達(dá)式為

以二位像素陣列為例，假定大小為p×p的連續(xù)方形像素的中心位于每個(gè)晶格點(diǎn)上(如圖3)，圖中用實(shí)線畫出了其中一個(gè)像素的輪廓。注意相應(yīng)的 Wigner－Seitz單元［6］，與像素的形狀和大小一致。通過將二維像素陣列在與水平軸成45度的方向上移動p/的距離來實(shí)現(xiàn)1×1微掃描模式。新的晶格點(diǎn)用空心的圓表示，圖中用虛線描述了新的 Wigner－Seitz單元，它是一個(gè)的方形。

為了描述微掃描對像素陣列的影響，引入了像素傳遞函數(shù)(PTF)對微掃描過程進(jìn)行評價(jià)［5］。一維像素陣列像素傳遞函數(shù)的表達(dá)式為p×p方形像素的傅立葉變換為

圖3 1×1微掃描晶格結(jié)構(gòu)

二維方形像素的PTF圖如圖4。

圖4 單個(gè)方形探測單元的PTF

由于原來的Wigner－Seitz單元與像素一樣，它的傅立葉變換也通過式(3)給出。于是作為結(jié)果的單幀抽樣的PTF正好是式(3)的平方:新的Wigner－Seitz單元的傅立葉變換能通過式(3)經(jīng)過簡單的坐標(biāo)變換得到

于是上述的傅立葉變換產(chǎn)生了1×1微掃描模式的PTF，即

1×1微掃描模式對應(yīng)的三維PTF圖如圖5。

圖5 1×1微掃描的PTF圖

其他矩形雙向微掃描模式的PTF都很容易得到，比1×1微掃描模式的PTF要簡單，因?yàn)樗鼈冊?x和y方向移動的傅立葉變換是可分離的［7］。

4 計(jì)算機(jī)仿真

依次分別利用1×1、2×2、3×3、4×4微掃描模式得到的高分辨率重建圖像如圖6。從圖像中可以看到，微掃描的步數(shù)越多，得到的重建圖像的分辨率越高，但是隨著微掃描步數(shù)的增多，對微掃描重建圖像的分辨率的提高程度會逐漸降低，圖6中的3×3微掃描重建圖像和4×4微掃描重建圖像已經(jīng)很難看出分辨率的改善。這是由于它受到探測器單元本身大小的限制。

圖6 不同微掃描模式時(shí)的重建圖像

假定填充因子為45%時(shí)對應(yīng)的像素大小為d，像素間距p=3/2d，將得到在不同微掃描模式時(shí)的PTF曲線(如圖7)。從圖7中可看出并非微掃描步數(shù)越多，對PTF的改善越好。而且微掃描步數(shù)越多對微掃描裝置、探測器的響應(yīng)和數(shù)字處理器的要求越高，一般情況下多采取2×2或3×3微掃描模式。

圖7 填充因子為45%的PTF

5 結(jié)語

微掃描技術(shù)是一種在不增加探測器數(shù)目的情況下，提高光學(xué)系統(tǒng)分辨率、改善成像質(zhì)量的有效方法。本文將這一過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，可以直觀地顯示出采用微掃描技術(shù)合成的圖像明顯好于單幅抽樣圖像，微掃描步數(shù)越多重建圖像的分辨率越高，因?yàn)槲呙杩梢愿嗟孬@得探測器非感應(yīng)區(qū)域的信息，更好地復(fù)原原始圖像。

［1］張敬賢，李玉丹.微光與紅外成像技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1995.

［2］張海濤，趙達(dá)尊.微掃描減少光電成像系統(tǒng)頻譜混淆的數(shù)學(xué)原理及實(shí)現(xiàn)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19(9):1263－1268.

［3］曲艷玲，張新.微掃描技術(shù)及其在光電成像系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.光學(xué)精密工程，2003，11(4):74 －79.

［4］左月萍，張建奇.幾種工作模式的微掃描成像系統(tǒng)的理論建模和仿真［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，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］曲艷玲，蘆永軍.微掃描光電技術(shù)研究［J］.大連民族學(xué)院學(xué)報(bào)，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 －h(huán)ua
(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

曲艷玲(1974－)，女，內(nèi)蒙古牙克石人，講師，主要從事光學(xué)設(shè)計(jì)和紅外成像技術(shù)研究。

(責(zé)任編輯 鄒永紅)