Name: Zeit-Multiplexing-Technik für überauflösenden Imaging von einer beweglichen Plattform (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-02-12T22:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 25 s
Description: Lernen Sie eine passive Zeit-Multiplexing-Technik für überauflösendes Imaging mit synthetisch vergrößerter Blendenöffnung. Diese Methode nutzt optische Phasenrückgewinnung und Bewegung der Bildgebungsplattform.

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1. Setup-Alignment <ol><li> Starten von groben Ausrichten des Lasers, der Strahl expender, das Objektiv und die Kamera auf der gleichen Achse, dies würde die optische Achse sein. </li><li> Schalten Sie den Laser (ohne USAT Ziel), und stellen Sie sicher, dass das Licht durch das Zentrum der Linse passiert. Verwenden Sie eine Öffnung Iris zu überprüfen. </li><li> Schalten Sie die Kamera ein, und stellen Sie sicher, dass das Licht konzentriert sich auf die Mitte der Kamera. </li><li> Umschalttaste wieder die Kamera, mit der linearen z Bühne. Da das System unscharf gehen, wird der Lichtfleck zu wachsen. Sicherzustellen, dass die Mitte des Flecks bleibt in der gleichen Seitenposition. Wenn nicht, die Position des Abbildungssystems sorgfältig zu ändern, und wiederholen Sie diesen Schritt, bis der Fleck bleibt an der gleichen räumlichen Position bis zu einem Pixelebene. </li></ol> 2. Bildgebung bei Drei Unscharf Flugzeuge <ol><li> Legen Sie die Testziel vor dem Strahl expender. Platzieren Sie das Ziel, so dass das Licht, das durch sie hindurch passieren thrau die Mitte der Linse. </li><li> Aufnehmen eines Bildes. Dieses Bild wird ein Ankerpunkt sein, und seine Lage wird z 0 ist, x 0 (alle anderen Bilder werden in Bezug auf ihre Lage zu sein). Dieses Bild werde ich 1, b sein. </li><li> Rückverlagerung der Kamera (nach der linearen z Stufe) einen Abstand von dz = 5,08 mm (oder 0,2) und ein Bild aufzunehmen. Dieses Bild werde ich 2, b sein. </li><li> Rückverlagerung der Kamera einen anderen Abstand von dz = 5,08 mm (10,16 mm relativ zu z 0) und ein Bild aufzunehmen. Dieses Bild werde ich 3, b sein. </li><li> Gehen Sie zurück zu z 0. </li></ol> 3. Scannen der Blende <ol><li> Verschieben Sie den gesamten Imaging-System seitlich (unter Verwendung des linearen x Stufe) einen Abstand von dx = 2,5 mm und ein Bild aufzunehmen. Dieses Bild werde ich 1, a sein. </li><li> Wiederholen Sie den Vorgang in Protokoll Nr. 2. Rückverlagerung der Kamera (nach der linearen z-Stufe) ein Abstand von dz = 5,08 mm, und ein Bild aufzunehmen (I 2, a). Umschalt zurück the-Kamera ein anderer Abstand von dz = 5,08 mm, und erfassen ein Bild (I 3, a). </li><li> Jetzt wiederholen Sie den Vorgang für die andere Seite. Verschieben sich die Abbildungssystem einen Abstand von dx = -2,5 mm und erfassen eine Reihe von drei Bildern in drei z-Positionen (I 1-3, c). </li><li> Gehen Sie zurück zu z 0, x 0. </li></ol> 4. Phase-Retrieval (numerische Berechnung) <ol><li> Verwendung des Verfahrens drei Ebenen 14 und 1-3 Bilder I, B, Abrufen der optischen Phase des Bildes I 1, b. Verwendung der Phase, die abgerufen wurde, definiert q 1, b. </li><li> Überwachung der Korrelationskoeffizient zwischen I 1 und b | q 1, b | 2, um zu überprüfen, dass der iterative Prozess konvergiert. Um dies zu tun, benutzen Sie die &quot;corr2&quot;-Funktion in MATLAB. </li><li> Wiederholen Sie den Abrufprozess für Phase I 3.1, einer, und ich 03.01, c. </li></ol> 5. Super-Resolved Bild (numerische Berechnung) <ol><li> Usingen Fresnel Freiraumausbreitung (FSP) Integral 15, zurück in die Objektivebene propagieren die Felder q 1, ac. Diese Felder werden Ê Objektiv, ac + sein. </li><li> Multiplizieren Sie die resultierenden Felder Ê Objektiv, ac + exp (+ πix 0 2) / &amp;lgr; f), um wieder durch die Linse gehen. - Diese Felder werden Ê Objektiv, Wechsel sein. </li><li> Um das Feld E-Linse zu platzieren, ein in seiner ursprünglichen Position, verschieben sie seitlich einen Abstand von dx = 2,5 mm. </li><li> Um das Feld E-Objektiv in seine ursprüngliche Position zu bringen, c, verschieben sie seitlich einen Abstand von dx = -2,5 mm. </li><li> Addieren Sie die drei Felder Ê Objektiv, ac, um sie zu kombinieren und synthetisch erhöhen die Blendengröße. </li><li> Multiplizieren Sie das resultierende Feld von exp (-πix 0 2) / &amp;lgr; f) und freien Raum ausbreiten es um Bildebene. </li><li> Eine Verbesserung der Auflösung um einen Faktor of 3 in der Abtastrichtung sollte gesehen werden. </li></ol>

<ol><li>De Loor, G. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Possibilities+and+uses+of+radar+and+thermal+infrared+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Photogrammetria%22%5BJournal%5D)">Possibilities and uses of radar and thermal infrared systems.</a> Photogrammetria. 24, 43-58 (1969).</li>
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<li>Tippie, A. E., Kumar, A., Fienup, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-resolution+synthetic-aperture+digital+holography+with+digital+phase+and+pupil+correction%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">High-resolution synthetic-aperture digital holography with digital phase and pupil correction.</a> Optics Express. 19, 12027-12038 (2011).</li>
<li>Lim, S., Choi, K., Hahn, J., Marks, D. L., Brady, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Image-based+registration+for+synthetic+aperture+holography%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Image-based registration for synthetic aperture holography.</a> Optics Express. 19, 11716-11731 (2011).</li>
</ol>

Es gibt nichts zu offenbaren.

Die optische Radar mit synthetischer Apertur (OSAR) Konzept, das in diesem Papier vorgestellt wird, ist ein neues Super gelöst Ansatz, der die GS-Algorithmus und Scanning-Technik, um die Ortsauflösung eines Objekts in Richtung des Scans verbessern verwendet. Die Bewegung des Imaging-Plattform können selbst erzeugten während der Verwendung einer Luft-oder Satellitenplattform sein. Im Gegensatz zu vielen Zeitmultiplextechniken SR, unser Verfahren erfordert keine a priori-Informationen von dem Objekt, außer der Ta...

In Radarbildgebung wird ein Schmalwinkel-Strahls von Hochfrequenzimpuls (RF) mit einer Antenne, die auf einer Plattform montiert ist, übertragen. Das Radarsignal überträgt in einer Seitensicht-Richtung auf der Oberfläche 1,2. Das reflektierte Signal wird von der Oberfläche zurückgestreute und durch dieselbe Antenne 2 empfangen. Die empfangenen Signale werden an einen Radar-Bild umgewandelt. In Echt Aperture Radar (RAR) die Auflösung in der Azimutrichtung ist proportional zur Wellenlänge und umgekehrt proportional zur Abmessung der Öffnung 3. Somit wird eine größere Antenne für höhere Winkelauflösung erforderlich. Es ist jedoch schwierig, große Antenne an einen beweglichen Plattformen wie Flugzeugen und Satelliten zu befestigen. Im Jahr 1951 Wiley 4 schlug eine neue Radar-Technik namens Synthetic Aperture Radar (SAR), die die Doppler-Effekt, der durch die Bewegung des Imaging-Plattform nutzt. SAR, die Amplitude als auch die Phase des empfangenen Signals aufgezeichnet 5 </sup&gt;. Dies ist möglich, da die SAR optischen Frequenz etwa 1-100 GHz 6 und die Phase wird mit einem lokalen Referenz Resonator auf der Oberseite der Plattform installiert aufgezeichnet. In optischen Abbildungs, kürzere Wellenlängen verwendet werden, wie im sichtbaren und im nahen Infrarot (NIR), die etwa 1 um ist, dh Frequenz von etwa 10 14 Hz ist. Die Feldstärke und nicht das Feld selbst, wird, da die optischen Phasenänderungen zu schnell für den Nachweis unter Verwendung von Standardsiliziumdetektoren detektiert. Beim Abbilden eines Objekts durch ein optisches System dient die Öffnung der Optik, wie ein Tiefpassfilter. Somit wird die Hochfrequenzraumdaten des Objekts 7 verloren. In diesem Papier wollen wir jedes der oben genannten Probleme einzeln zu lösen, dh die Phase verloren, und die Beugungsgrenze Wirkung. Gerchberg und Saxton (GS) 8 vorgeschlagen, dass die optische Phase kann Retrie werdenved Verwendung eines iterativen Prozesses. Misell 9-11 wurde der Algorithmus für jede zwei Eingangs-und Ausgangsebenen erweitert. Diese Ansätze sind nachweislich zu einer Phasenverteilung mit einem minimalen mittleren quadratischen Fehler (MSE) 12,13 konvergieren. Gur und Zalevsky 14 präsentierte drei Ebenen Methode, die die Misell Algorithmus verbessert. Wir schlagen vor, und zeigen, dass die Wiederherstellung experimentell die Phase, während Verschiebung der Abbildungslinse, wie mit der Antenne in SAR-Anwendung durchgeführt ermöglicht es uns, synthetisch erhöhen die effektive Größe der Öffnung entlang der Bewegungsachse und schließlich führte die Verbesserung der Bildauflösung. Die Anwendung der SAR-Bilderzeugung unter Verwendung der optischen Interferometrie und Holographie bekannt 16,17. Jedoch wird das vorgeschlagene Verfahren zum Nachahmen eines abtastenden bildgebenden Plattform, so dass es für die nicht-kohärente Tomographie (wie Seitenschau fliegende Plattform) geeignet ausgerichtet. So ist das Konzept der Holographie, welch verwendet einen Referenzstrahl, ist nicht geeignet für eine solche Anwendung. Stattdessen wird die überarbeitete Gerchberg-Saxton-Algorithmus verwendet, um die Phase abrufen.

<table><tbody><tr><td>Rotes Lasermodul</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=LDM635">LDM635</a></td><td></td></tr><tr><td>10X Galileischer Strahlaufweiter</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=BE10M-A">BE10M-A</a></td><td></td></tr><tr><td>Negatives 1951 USAF Testziel</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=R3L3S1N">R3L3S1N</a></td><td></td></tr><tr><td>Filterhalter für 2 Zoll Rechteckfilter</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=FH2">FH2</a></td><td></td></tr><tr><td>1 im linearen Verschiebungstisch</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=PT1">PT1</a</td><td>>2x</td></tr><tr><td>Objektivhalterung für &Oslash; 1 in Optik</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=LMR1">LMR1</a></td><td></td></tr><tr><td>Objektiv f = 100,0 mm</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=AC254-100-A">AC254-100-A</a></td><td></td></tr><tr><td>Graduierte ringaktivierte Irisblende</td><td>Thorlabs</td><td><a href="http://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm? Teilenummer=SM1D12C">SM1D12C</a></td><td></td></tr><tr><td>2,5 mm x 2,5 mm Öffnung & Oslash; 1 in</td><td></td><td></td><td>der Produktion</td></tr><tr><td>von hochauflösenden CMOS-Kameras</td> in Innenräumen <td>Thorlabs</td><td><a href="http://thorlabs.com/thorProduct.cfm?partNumber=DCC1545M">DCC1545M</a></td><td></td></tr></tbody></table>

zeit-multiplexing-technik für überauflösenden imaging von einer beweglichen plattform

Time Multiplexing Super Resolving Technique for Imaging from a Moving Platform

Wir schlagen ein Verfahren zur Erhöhung der Auflösung eines Objekts und die Überwindung der Beugungsgrenze des optischen Systems auf einer sich bewegenden Bilderzeugungssystem, wie einem Luft-oder Satellitenplattform installiert. Die Auflösungsverbesserung in einem zweistufigen Verfahren erhalten. Zunächst drei niedrige Auflösung unterschiedlich different Bilder werden erfasst und die optische Phase wird mit einer verbesserten iterative Gerchberg Saxton-basierten Algorithmus abgerufen. Die Phase Abruf ermöglicht, um das Feld auf die Öffnungsebene numerisch wieder propagieren. Zweitens wird das Abbildungssystem verschoben, und der erste Schritt wird wiederholt. Die erhaltenen optischen Felder an der Öffnungsebene kombiniert und ein synthetisch erhöht Blende entlang der Bewegungsrichtung erzeugt, wodurch höhere Bildauflösung. Das Verfahren ähnelt einem bekannten Ansatz aus dem Mikrowellenbereich genannt Synthetic Aperture Radar (SAR), in dem die Antennengröße wird synthetisch auf der Plattform erhöhtAusbreitungsrichtung. Das vorgeschlagene Verfahren wird durch Laborversuch nachgewiesen.

<html> Ein Beispiel für die neun Aufnahmen (drei Defokussierung Bilder in drei seitlichen Positionen) ist in Abbildung 3 dargestellt. Ein Beispiel für die Konvergenz GS ist in Fig. 4 gezeigt. Der Korrelationskoeffizient für das zentrale Bild I 1 ist, b über 0,95, und der Korrelationskoeffizient für die Seiten Bilder I 1, A und I 1, c ist über 0,85 (vollständig numerische Simulation alle bestanden 0,99). <p class="jove_cont...

Ein Verfahren zur Überwindung der optischen Beugungsgrenze dargestellt. Das Verfahren umfasst einen zweistufigen Prozess: optische Phasenwiedergewinnungs Verwendung iterativer Gerchberg-Saxton-Algorithmus und Abbildungssystem Verschiebung gefolgt von einer Wiederholung des ersten Schrittes. Ein synthetisch erhöht Blende entlang der Bewegungsrichtung erzeugt, was zu höheren Bildauflösung.

Zeit-Multiplexing-Technik für überauflösenden Imaging von einer beweglichen Plattform

We propose a method for increasing the resolution of an object and overcoming the diffraction limit of an optical system installed on top of a moving ...

Das allgemeine Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die numerische Apertur einer abbildenden Scannervorrichtung künstlich zu vergrößern. Dies wird erreicht, indem zunächst drei niedrig aufgelöste, unterschiedlich defokussierte Bilder eines Objekts aufgenommen werden, während entlang der optischen Achse des Systems verschoben wird. Der zweite Schritt besteht darin, das gesamte Abbildungssystem senkrecht zu verschieben und anschließend erneut drei defokussierte Bilder des Objekts aufzunehmen.Als Nächstes verschieben Sie das Abbildungssystem auf die andere Seite der optischen Achse und nehmen drei weitere defokussierte Bilder des Targets auf. Der letzte Schritt besteht darin, die optischen Phasen numerisch zu rekonstruieren, um die optischen Felder zu bestimmen, und diese anschließend korrekt zu kombinieren, um ein überauflösendes Bild zu erzielen. Letztendlich wird entlang der Bewegungsrichtung eine synthetisch vergrößerte Objektivblende erzeugt, was zu einer höheren Abbildungsauflösung führt.Der Hauptvorteil der vorgeschlagenen Technik gegenüber anderen zeitmultiplexbasierten superauflösenden Verfahren besteht darin, dass unsere Methode passiv ist und daher keine Projektion von Kodierungsmustern erfordert, die später nicht verwendet werden, um das superaufgelöste Bild zu erhalten. Dieses Experiment wird normalerweise bei relativer Dunkelheit durchgeführt. Einige Teile des Videos wurden jedoch bei eingeschaltetem Licht aufgenommen, um den Protokollablauf besser veranschaulichen zu können. Beginnen Sie den Aufbau mit der groben Ausrichtung des Laserstrahlexpander-Objektivs und der Kamera auf derselben optischen Achse. Befestigen Sie sowohl das Objektiv als auch die Kamera auf einer Translationsstufe, um feine Bewegungen senkrecht zur optischen Achse zu ermöglichen.Montieren Sie außerdem die Kamera auf eine Translationsstufe für kleine Bewegungen parallel zur optischen Achse. Schalten Sie den Laser ein und verwenden Sie eine Blendenblende, um sicherzustellen, dass das Licht durch die Mitte der Linse verläuft. Schalten Sie danach die Kamera ein und überprüfen Sie mithilfe der linearen Z-Stufe die Ausrichtung des Laserstrahls.Wenn es ausgerichtet ist, bewirkt eine Defokussierung der Kamera lediglich eine Größenänderung des Flecks, jedoch keine laterale Verschiebung des Flecks. Nach Abschluss der Ausrichtung ein US-Air-Force-Testmuster vor dem Strahlvergrößerer einsetzen. Das Muster so platzieren, dass das durch es hindurchtretende Licht durch die Mitte der Linse verläuft.Verwenden Sie die lineare Z-Achse, um das Zielobjekt zu fokussieren. Diese anfängliche xz-Position der Kamera dient als Ankerpunkt. Sobald die Fokussierung erreicht ist, setzen Sie die quadratische Blende mit 0,1 Zoll Seitenlänge ein und nehmen das erste Bild des Zielobjekts auf.Passen Sie nun die lineare Z-Achse an. Verwenden Sie sie, um die Kamera um 0,2 Zoll von dem Ziel wegzubewegen. Nehmen Sie ein zweites Bild des Ziels auf und bewegen Sie die Kamera anschließend weitere 0,2 Zoll davon weg.Nehmen Sie ein drittes Bild auf. Diese drei Bilder werden als B-Serie bezeichnet. Bringen Sie die Kamera vor dem Fortfahren in ihre ursprüngliche Ankerposition zurück.Nachdem Sie zur Ausgangsposition zurückgekehrt sind, beginnen Sie mit der linearen X-Achsen-Verschiebung. Das gesamte Abbildungssystem wird seitlich um eine Strecke von positiven 0,1 Zoll verschoben. Das Abbildungssystem befindet sich nun außerhalb der Mitte des Laserstrahls.Nehmen Sie ein Bild des Zielobjekts aus dieser Position auf. Justieren Sie den Z-Stage, um die Kamera um 0,2 Zoll vom Zielobjekt wegzubewegen. Nehmen Sie ein Bild auf und bewegen Sie die Kamera anschließend erneut um 0,2 Zoll zurück.Nehmen Sie ein drittes Bild des Zielobjekts auf. Diese drei Bilder werden als A-Reihe bezeichnet. Bringen Sie die Kamera in die Ankerposition zurück.Ausgehend von der Ankerposition die Kamera um 0,1 Zoll nach negativ verschieben. Drei weitere Bilder auf denselben Z-Positionen wie bei der anderen Serie aufnehmen. Diese Bilder bilden die C-Serie.Da die Kamera nur die Feldintensität erfasst, geht die optische Phaseninformation verloren. Um diese wiederzugewinnen und das optische Feld zu bestimmen, verwenden Sie die numerische Drei-Ebenen-Methode. Sobald das optische Feld jeder Bildserie ermittelt ist, nutzen Sie das phänomologische Freiraumintegral, um das optische Feld der B-Serie zurück zum Objektiv der A-Serie zu propagieren.Stellen Sie sicher, dass das Feld verschoben wird, um seine Position bezüglich der optischen Achse widerzuspiegeln. Leiten Sie das optische Feld im freien Raum zur Linsenebene weiter. Wiederholen Sie dieselben Schritte für die C-Serie unterhalb der optischen Achse.Summieren Sie die drei Felder, um sie zu kombinieren und die Aperturgröße künstlich zu vergrößern. Schließlich propagieren Sie das resultierende Feld im Freiraum bis zur Bildebene. Als Target wurde in dem Experiment der negative 1951 USAF-Testtarget verwendet, der hier in einem hochauflösenden Bild dargestellt ist.Vergleichen Sie dies mit dem Bild niedriger Auflösung, das an der Verankerungsposition auf der optischen Achse aufgenommen wurde. Keine der Auflösungsleisten ist im superauflösenden Bild sichtbar. Die vertikalen Leisten sind bis zum dritten Element rechts sichtbar.Da die Apertur nur in horizontaler Richtung X vergrößert wurde, ergibt sich keine Verbesserung der Auflösung der horizontalen Balken. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie ein passives Super-Resolution-System aufgebaut wird, das die Objektivapertur synthetisch vergrößert, indem es die Bewegung der Abbildungsplattform und numerische Berechnung nutzt. Obwohl die von Ihnen gesehene Demonstration auf einer optischen Bank durchgeführt wurde, ist das vorgeschlagene Konzept für reale luftgestützte Abbildungssysteme durchführbar.

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Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

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