运动平台上成像的时间复用超分辨技术

本实验的总体目标是通过合成方式增大扫描成像平台的镜头孔径。该目标的实现首先需要沿系统的光轴方向移动，采集目标物体的三幅低分辨率但不同程度离焦的图像；第二步是将整个成像系统垂直平移，然后再次对目标物体采集三幅离焦图像。

接下来，将成像系统移至光轴的另一侧，并对目标捕获另外三幅离焦图像。最后一步是通过数值方法重建光学相位，以确定光学场，然后将其正确合并，从而获得超分辨图像。最终，在运动方向上合成了一个等效增大的透镜孔径，从而实现了更高的成像分辨率。

相较于其他时间复用型超分辨方法，本研究所提出技术的主要优势在于其被动性，因此无需投射后续不会用于获取超分辨图像的编码图案。该实验通常在相对黑暗的环境中进行。然而，部分视频在光照条件下拍摄，以便更清晰地展示实验流程。为开始搭建系统，首先将激光扩束镜与相机在同一条光轴上进行粗略对准。将镜头和相机均安装在平移台上，以便实现垂直于光轴方向的微小调节。

此外，将相机安装在平移台上，以实现沿光轴方向的微小移动。打开激光器，并使用光圈虹膜确保光线通过透镜中心。接着，开启相机，并使用线性Z轴平台检查激光光束的准直情况。

当准直完成后，离焦时相机只会导致光斑尺寸发生变化，而不会引起光斑的横向偏移。准直完成后，在扩束镜前方插入一个美国空军分辨率测试板。放置测试板时，应使透过它的光线穿过透镜的中心。

使用线性Z轴以对目标进行聚焦。相机的这一初始xz位置将作为锚定点。一旦完成聚焦，插入0.1英寸的方形光阑，并拍摄目标的第一张图像。

现在调整线性 Z 轴平台。将其用于使相机远离目标 0.2 英寸。拍摄目标的第二幅图像，再将相机移动 0.2 英寸远离目标。

拍摄第三张图像。这三张图像将被称为B系列。在继续操作前，将相机恢复至其原始锚定位置。

返回锚点位置后，开始使用线性 X 轴平移。整个成像系统向侧向移动正 0.1 英寸的距离。此时成像系统已偏离激光束的中心位置。

从该位置拍摄目标物的图像。调节Z轴载物台，使相机远离目标物0.2英寸。拍摄图像后，再将相机向回移动0.2英寸。

拍摄目标的第三张图像。这三张图像将被称为 A 系列。将相机返回至锚点位置。

从锚点位置开始，将相机向负方向移动 0.1 英寸。在与其他序列相同的 Z 位置处再采集三幅图像。这些图像将构成 C 系列。

由于相机仅能捕捉光场强度，光学相位信息会丢失。为了恢复相位信息并重建光场，需采用数值三平面法。在获得每组图像的光场分布后，利用菲涅尔自由空间积分，将B系列的光场反向传播至A系列对应的透镜平面。

确保该区域已移动至相对于光轴的正确位置。将其光场在自由空间中传播至透镜平面。对位于光轴下方的C系列重复上述步骤。

将这三个场相加，以合成方式增大孔径尺寸。最后，将所得场在自由空间中传播至像平面。实验中使用的目标物是1951年USAF负性测试靶标，其高分辨率图像如图所示。

与此处光学轴上锚点位置拍摄的低分辨率图像进行比较。在超分辨图像中，没有任何分辨率条纹可见。垂直条纹仅在右侧第三个元素之前可见。

由于孔径仅在水平方向X上增大，因此水平条纹的分辨率没有得到改善。观看本视频后，您应能够充分理解如何构建一种被动式超分辨率系统，该系统通过成像平台的运动和数值计算，合成地增大镜头孔径。尽管您所看到的演示是在光学平台上进行的，但所提出的概念同样适用于实际的机载成像系统。