Tijd Multiplexing Super oplossen Techniek for Imaging van een bewegend platform

Summary

Werkwijze voor het overwinnen van de optische diffractie limiet wordt gepresenteerd. De methode omvat een proces in twee stappen: optische fase retrieval behulp iteratieve Gerchberg-Saxton algoritme, en imaging systeem verschuiven gevolgd door herhaling van de eerste stap. Een synthetisch toegenomen lensopening wordt gegenereerd in de richting van de beweging, waardoor een hogere beeldresolutie.

Abstract

Wij stellen een werkwijze voor het verhogen van de resolutie van een object en het overwinnen van de diffractie limiet van een optisch stelsel op een bewegend beeldvormingssysteem, zoals een platform lucht of satelliet geïnstalleerd. De verbetering oplossend vermogen wordt verkregen in twee stappen. Eerst worden drie lage resolutie anders onscherpe beelden wordt gevangen en de optische fase wordt opgehaald met een verbeterde iteratieve Gerchberg-Saxton gebaseerde algoritme. De fase ophalen maakt het mogelijk om numeriek terug te propageren het veld om het diafragma vliegtuig. Ten tweede wordt het beeldvormingssysteem verschoven en de eerste stap wordt herhaald. De verkregen optische velden op de opening vlak worden gecombineerd en een synthetisch grotere diafragma wordt gegenereerd langs de bewegingsrichting, waardoor een hogere beeldresolutie. De methode lijkt op een bekende benadering van de magnetron regime genaamd Synthetic Aperture Radar (SAR) waarin de antennegrootte synthetisch wordt verhoogd over het perronvoortplantingsrichting. De voorgestelde methode is aangetoond door laboratoriumexperiment.

Introduction

Radar beeldvorming wordt een smalle lichtstraal puls radiofrequentie (RF) overgebracht via een antenne die op een platform is gemonteerd. Het radarsignaal zendt in een zijwaarts gerichte richting naar het oppervlak ^1,2. Het gereflecteerde signaal wordt terugverstrooid van het oppervlak en wordt door dezelfde antenne ² ontvangen. De ontvangen signalen worden omgezet een radarbeeld aan. In de praktijk Aperture Radar (RAR) de resolutie in de azimuthrichting is evenredig met de golflengte en omgekeerd evenredig met de opening afmeting ^3. Zo wordt een grotere antenne nodig voor hogere azimuth resolutie. Het is echter moeilijk om grote antenne hechten aan een bewegend platform zoals vliegtuigen en satellieten. In 1951 Wiley ⁴ stelde een nieuwe radar techniek genaamd Synthetic Aperture Radar (SAR), die het Doppler-effect gecreëerd door de beweging van de imaging platform gebruikt. In SAR, de amplitude en de fase van het ontvangen signaal worden geregistreerd ⁵ . Dit is mogelijk aangezien de SAR optische frequentie is ongeveer 1-100 GHz ⁶ en de fase opgenomen middels referentie plaatselijke resonator bovenop het platform geïnstalleerd. In optische beeldvorming, worden kortere golflengten worden gebruikt, zoals het zichtbare en nabij-infrarode (NIR), dat is ongeveer 1 urn, namelijk frequentie van ongeveer 10 Hz ^14. De veldsterkte in plaats van het veld zelf, wordt gedetecteerd aangezien de optische faseveranderingen te snel voor detectie met standaard silicium gebaseerde detectoren.

Tijdens het afbeelden van een object via een optisch systeem, de opening van de optiek dient als een laagdoorlaatfilter. Aldus wordt de hoogfrequente ruimtelijke informatie van het voorwerp verloren ^7. In dit artikel willen we elk van de bovengenoemde problemen oplossen afzonderlijk, dat wil zeggen de fase verloren en diffractielimiet effect.

Gerchberg en Saxton (GS) ⁸ gesuggereerd dat de optische fase kan worden retrieved behulp van een iteratief proces. Misell ^9-11 heeft het algoritme uitgeschoven twee input en output vliegtuigen. Deze benaderingen zijn bewezen te convergeren naar een fase distributie met een minimale gemiddelde kwadratische fout (MSE) ^12,13. Gur en Zalevsky ¹⁴ presenteerde een drie vlakken methode die de Misell algoritme verbetert.

Wij stellen en aan te tonen experimenteel dat het herstel van de fase, terwijl het verschuiven van de beeldvorming lens, zo gedaan met de antenne in SAR toepassing laat ons toe om synthetisch verhoging van de effectieve grootte van de opening langs de scanas en uiteindelijk het verbeteren van de beeldvorming resulteerde resolutie.

De toepassing van de SAR in optische beeldvorming met behulp van interferometrie en holografie is bekend ^16,17. Echter, de voorgestelde methode bedoeld voor het nabootsen van een scanning imaging platform, waardoor het geschikt is voor niet-coherente beeldvorming (zoals-side looking airborne platform). Aldus is het concept van holografie, which gebruikt een referentiebundel, niet geschikt voor een dergelijke toepassing. In plaats daarvan wordt de herziene Gerchberg-Saxton algoritme om de fase te halen.

Protocol

1. Setup Alignment

1. Begin met ruwweg het uitlijnen van de laser, de bundel expender, de lens en de camera op dezelfde as, dit zou de optische as zijn.
2. Zet de laser (zonder de USAT doel), en zorg ervoor dat het licht gaat door het midden van de lens. Gebruik een opening iris te controleren.
3. Schakel de camera in, en zorg ervoor dat het licht zich richt op het midden van de camera.
4. Schakel de camera terug via de lineaire Z platform. Aangezien het systeem is uit te gaan van de focus, zal de plaats van het licht groeien. Zorg ervoor dat het midden van de vlek blijft hetzelfde zijligging. Indien niet zorgvuldig de positie van het beeldvormingssysteem veranderen en herhaal deze stap totdat de vlek blijft op dezelfde ruimtelijke positie tot pixelniveau.

2. Imaging op Drie Defocus Planes

1. Steek de test doelstelling voor de bundel expender. Plaats de doelgroep, zodat het licht dat er doorheen gaat th zal passerenruwe het midden van de lens.
2. Een afbeelding vastleggen. Dit beeld zal een ankerpunt te zijn, en de locatie zal z ₀ zijn, x ₀ (alle andere beelden zullen in verwijzing naar de locatie). Dit beeld zal ik _{1, b} zijn.
3. Shift terug de camera (met de lineaire z stadium) een afstand van dz = 5.08 mm (of 0,2 in) en vastleggen van een beeld. Dit beeld zal ik _{2, b} zijn.
4. Shift terug de camera een andere afstand van dz = 5.08 mm (10,16 mm ten opzichte van z ₀₎ en vastleggen van een beeld. Dit beeld zal ik _{3, b} zijn.
5. Ga terug naar z _0.

3. Het scannen van de Aperture

1. Shift het hele imaging systeem lateraal (met behulp van de lineaire x stadium) een afstand van dx = 2,5 mm en vastleggen van een afbeelding. Dit beeld zal ik _{1, een.}
2. Herhaal het proces in Protocol nr. 2. Shift terug de camera (met de lineaire z stadium) een afstand van dz = 5.08 mm, en vastleggen van een beeld (I _{2, a).} Shift terug the camera een andere afstand van dz = 5.08 mm, en vastleggen van een beeld (I _{3, a).}
3. Nu, herhaal dan de procedure voor de andere kant. Verschuiving van de imaging-systeem een afstand van dx = -2,5 mm en vastleggen van een reeks van drie beelden in drie z posities (I _{1-3, c).}
4. Ga terug naar z _0, x _0.

4. Fase Retrieval (numerieke berekening)

1. Met behulp van de drie vlakken methode ^14, en beelden die ik _{1-3, b,} halen de optische fase van het beeld I _{1, b.} Gebruik van de fase die is opgehaald, definiëren q _{1, b.}
2. Bewaken van de correlatiecoëfficiënt tussen I _{1, b} en | q _{1, b} | ^2, om na te gaan dat het iteratief proces doet convergeren. Om dit te doen, gebruik dan de 'corr2' functie in MATLAB.
3. Herhaal fase zoekproces voor I _{1-3, een} en ik _{1-3, c.}

5. Super Opgelost Afbeelding (numerieke berekening)

1. Uzingen Fresnel vrije ruimte propagatie (FSP) integraal ^15, terug te propageren de velden q _{1, ac} de lens vlak. Deze velden zullen Ê _{lens, ac} ⁺ zijn.
2. Vermenigvuldig de resulterende velden Ê _{lens ac} ⁺ door exp (+ πix ₀ ²⁾ / λf), teneinde terug door de lens passen. ^- Deze velden zullen Ê _{lens, ac} zijn.
3. Om het veld Ê _{lens plaatsen, een} in zijn oorspronkelijke positie, verschuiven zijdelings een afstand dx = 2.5 mm.
4. Om het veld Ê _{lens plaatst, c} in zijn oorspronkelijke positie, verschuiven zijdelings een afstand dx = -2,5 mm.
5. Tel de drie velden Ê _{lens, ac,} om ze te combineren, en synthetisch verhoging van de diafragmaopening.
6. Vermenigvuldig het resulterende veld door exp (-πix ₀ ²⁾ / λf), en vrije ruimte propageren aan beeldvlak.
7. Een verbetering resolutie met een factor of 3 in de scan-richting moet worden gezien.

Results

Een voorbeeld voor de negen opnamen (drie defocus afbeelding in drie laterale posities) wordt getoond in figuur 3.

Een voorbeeld van de GS convergentie wordt getoond in figuur 4. De correlatiecoëfficiënt voor de centrale afbeelding I _{1 b} boven 0,95, en de correlatiecoëfficiënt van de zijde beelden I _{1 a} en I _{1 c} boven 0.85 (volledig digitale simulatie ze allemaal geslaagd 0.99).

Een represen...

Discussion

De optische Synthetic Aperture Radar (OSAR) concept dat in dit document is een nieuw super opgelost benadering die de GS algoritme en scantechniek gebruikt om de ruimtelijke resolutie van een object in de richting van de scan verbeteren. De beweging van de imaging platform kan zelf worden gegenereerd tijdens het gebruik van een lucht-of satelliet platform. In tegenstelling tot veel meervou SR technieken, is onze werkwijze geen a priori informatie van het object, behalve dat het stilstaat tijdens het beeldvormin...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Red Laser Module	Thorlabs	LDM635
10X Galilean Beam Expander	Thorlabs	BE10M-A
Negative 1951 USAF Test Target	Thorlabs	R3L3S1N
Filter holder voor 2 inch vierkante filters	Thorlabs	FH2
1 inch lineaire vertaaltafel	Thorlabs	PT1	2x
Lensmontage voor Ø1 inch optica	Thorlabs	LMR1
Lens f = 100,0 mm	Thorlabs	AC254-100-A
Afgestutte ring-geactiveerde irisdiafragma	Thorlabs	SM1D12C
2,5 mm x 2,5 mm Apertuur Ø1 inch			Binnen productie
High Resolution CMOS Camera	Thorlabs	DCC1545M