Técnica Tempo Multiplexing Super Resolvendo for Imaging a partir de uma plataforma móvel

Summary

Um método para superar o limite de difração óptica é apresentado. O método inclui um processo de duas etapas: fase de recuperação óptica usando algoritmo iterativo Gerchberg-Saxton, e deslocamento do sistema de imagem seguido pela repetição da primeira etapa. A sinteticamente aumento abertura da lente é gerado ao longo da direção do movimento, produzindo resolução de imagem superior.

Abstract

Propomos um método para aumentar a resolução de um objecto e ultrapassar o limite de difracção de um sistema óptico instalado no topo de um sistema de imagem em movimento, tal como uma plataforma aérea ou por satélite. O aumento da resolução é obtido num processo de dois passos. Em primeiro lugar, três imagens de baixa resolução diferente desfocados estão sendo capturados e fase óptica é recuperado usando um algoritmo iterativo baseado melhorado Gerchberg-Saxton. A recuperação de fase permite numericamente volta propagar o campo para o plano de abertura. Em segundo lugar, o sistema de formação de imagens é deslocada e o primeiro passo é repetido. Os campos ópticos obtidos no plano de abertura são combinados e um aumento sinteticamente abertura da lente é gerado ao longo da direção do movimento, produzindo resolução de imagem superior. O método assemelha-se a uma abordagem bem conhecida do regime de microondas chamado Radar de Abertura Sintética (SAR) em que o tamanho da antena é sinteticamente aumentado ao longo da plataformadireção de propagação. O método proposto é demonstrada através de experimento de laboratório.

Introduction

Em imagens de radar, um feixe de ângulo estreito de pulso de radiofreqüência (RF) é transmitido usando uma antena que está montada sobre uma plataforma. O sinal de radar transmite numa direcção do olhar para o lado da superfície ^{de 1,2.} O sinal reflectido é retroespalhamento a partir da superfície e é recebido pela mesma antena ^2. Os sinais recebidos são convertidos para uma imagem de radar. Na real Radar de Abertura (RAR) a resolução do azimute é proporcional ao comprimento de onda e inversamente proporcional à dimensão da abertura ^3. Assim, uma antena grande é necessária para a maior resolução azimutal. No entanto, é difícil atribuir grande antena a um plataformas móveis, como aviões e satélites. Em 1951, Wiley ⁴ sugeriram uma nova técnica de radar chamado Synthetic Aperture Radar (SAR), que utiliza o efeito Doppler criado pelo movimento da plataforma de imagem. No SAR, a amplitude, assim como a fase do sinal recebido são registados ⁵ . Isto é possível uma vez que a frequência óptica SAR é de cerca de 1-100 ⁶ GHz e a fase é gravado utilizando um ressonador de referência local, instalado na parte superior da plataforma. Na imagiologia óptica, os comprimentos de onda mais curtos são utilizados, tais como o visível e o infravermelho próximo (NIR), que é cerca de 1 um, isto é, frequência de cerca de 10 Hz ^14. A intensidade de campo, em vez do próprio campo, está a ser detectada desde as mudanças de fase óptica muito rápidos para a detecção utilizando detectores de base de silício padrão.

Enquanto imaginando um objeto através de um sistema óptico, a abertura da óptica serve como um filtro passa-baixa. Assim, a informação espacial de alta freqüência do objeto é perdido ^7. Neste artigo pretende-se resolver cada uma das questões acima mencionadas separadamente, ou seja, a fase perdido eo efeito limite de difração.

Gerchberg e Saxton (GS) ⁸ sugere que a fase óptica pode ser recupeved utilizando um processo iterativo. Misell ^9-11 alargou o algoritmo para quaisquer dois planos de entrada e de saída. Essas abordagens são comprovados para convergir para uma distribuição de fase com um mínimo erro médio quadrático (MSE) ^12,13. Gur e Zalevsky ¹⁴ apresentaram um método de três aviões que melhora o algoritmo Misell.

Propomos e demonstrar experimentalmente que o restabelecimento da fase enquanto mudando a lente de imagem, como foi feito com a antena na aplicação SAR nos permite aumentar sinteticamente o tamanho efetivo da abertura ao longo do eixo de digitalização e, eventualmente, melhorar a resolução de imagem resultou.

A aplicação de SAR em imagens ópticas usando interferometria e holografia é bem conhecida ^16,17. No entanto, o método sugerido é voltado para imitar uma plataforma de imagem de varredura, tornando-o adequado para a imagem latente não-coerente (como plataforma aérea de aparência lado). Assim, o conceito de holografia, which utiliza um feixe de referência, não é adequada para tal pedido. Em vez disso, o algoritmo Gerchberg-Saxton revisto é utilizado, a fim de recuperar a fase.

Protocol

1. Alinhamento Setup

1. Comece por cerca de alinhar a laser, o feixe de expender, a lente ea câmera no mesmo eixo, o que seria o eixo óptico.
2. Ligue o laser (sem o alvo USAT), e certifique-se de que a luz passa através do centro da lente. Use uma íris de abertura para verificar.
3. Ligue a câmera e certifique-se de que a luz se concentra no centro da câmara.
4. Mudança para trás da câmera, usando o estágio linear z. Desde que o sistema está saindo do foco, o ponto de luz vai crescer. Certifique-se de que o centro da mancha permanece na mesma posição lateral. Se não, mudar cuidadosamente a posição do sistema de imagem e repita esta etapa até que o local permanece na mesma posição espacial, até um nível de pixel.

2. Imagem em Três planos Defocus

1. Inserir o alvo do teste em frente do feixe de expender. Coloque o alvo de modo a que a luz que passa através do mesmo irá passar tháspera do centro da lente.
2. Capturar uma imagem. Esta imagem será um ponto de ancoragem, e sua localização será z _0, x ₀ (todas as outras imagens estarão em referência à sua localização). Esta imagem será I _{1, b.}
3. Mudança para trás da câmera (usando o estágio linear z) uma distância de dz = 5,08 milímetros (ou 0,2 in) e capturar uma imagem. Esta imagem será I _{2, b.}
4. Mude de volta a câmera outra distância de dz = 5,08 milímetros (10,16 milímetros em relação ao z ₀₎ e capturar uma imagem. Esta imagem será I _{3, b.}
5. Volte para z _0.

3. A varredura do Aperture

1. Deslocar todo o sistema de imagem lateralmente (usando a fase linear x) uma distância de dx = 2,5 mm e captar uma imagem. Esta imagem será I _{1, a.}
2. Repita o processo no Protocolo 2. Deslocamento para trás da câmara (que utiliza a fase linear z) uma distância de dz = 5,08 milímetros, e captar uma imagem (I _{2, a).} Deslocar o the outra câmera distância de dz = 5,08 milímetros, e capturar uma imagem (I _{3, a).}
3. Agora, repetir o processo para o outro lado. Mudar o sistema de imagens a uma distância de dx = -2,5 mm e capturar um conjunto de três imagens em três posições z (I _{1-3, c).}
4. Volte para z _0, x _0.

4. Recuperação de fase (Cálculo Numérico)

1. Usando o método de três aviões de ^14, e imagens que eu _{1-3, b,} recuperar a fase óptica de imagem I _{1, b.} Usando a fase que foi recuperada, definir q _{1, b.}
2. Monitorizar o coeficiente de correlação entre a I _1, e _b | q _{1, b} | ^2, a fim de verificar que o processo iterativo que convergem. Para fazer isso, use a função 'corr2' em MATLAB.
3. Repetir o processo de recuperação de fase I para o _{1-3, um,} e _{1-3, c.}

5. Imagem Super Resolvido (Cálculo Numérico)

1. Ucantar Fresnel livre propagação espaço (FSP) integrante ^15, de volta propagar os campos q _{1, ac} ao plano lente. Esses campos serão _{lente Ê, ac} ^+.
2. Multiplique os campos resultantes _{lente Ê, ac} ⁺ por exp (+ πix ₀ ²⁾ / λf), a fim de passar de volta através da lente. Esses campos serão _{lente Ê, ac} ^-.
3. A fim de posicionar a _lente Ê _{campo, um} na sua posição original, ele deslocar-se lateralmente uma distância de dx = 2,5 mm.
4. A fim de posicionar a _lente Ê _{campo, c} na sua posição original, ele deslocar-se lateralmente uma distância de dx = -2,5 mm.
5. Resumindo os três campos de e _{lente, CA,} de modo a combiná-los, e sinteticamente aumentar o tamanho da abertura.
6. Multiplique o campo resultante por exp (-πix ₀ ²⁾ / λf) e espaço livre em propagá-la ao plano de imagem.
7. A melhoria resolução por um fator of 3 na direção de varredura deve ser testemunhado.

Results

Um exemplo para os nove imagens capturadas (três imagens de desfocagem em três posições laterais) é mostrado na Figura 3.

Um exemplo para a convergência GS é mostrado na Figura 4. O coeficiente de correlação para a imagem central I _{1, b} é superior a 0,95, e o coeficiente de correlação para as imagens laterais I _{1, um,} e I _{1, c} é acima de 0,85 (de simulação numérica completa todos eles passaram 0,99).

Discussion

A óptica radar de abertura sintética conceito (OSAR) que é apresentada neste artigo é uma nova abordagem super-resolvida que usa o algoritmo de GS e técnica de exploração, a fim de melhorar a resolução espacial de um objeto na direção da digitalização. O movimento da plataforma de imagem pode ser auto-gerado durante a utilização de uma plataforma aérea ou por satélite. Ao contrário de muitas técnicas tempo multiplexing SR, nosso método não requer qualquer informação a priori do objeto, além do fato de que ele e...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Módulo de Laser Vermelho	Thorlabs	LDM635
10X Expansor de Feixe Galileu	Thorlabs	BE10M-A
Negativo 1951 USAF Test Target	Thorlabs	R3L3S1N
Porta-filtro para Filtros Quadrados de 2 pol	Thorlabs	FH2
1 in Estágio de Tradução Linear	Thorlabs	PT1	2x
montagem de lente para ø 1 em Óptica	Thorlabs	LMR1
Lente f = 100,0 mm	Thorlabs	AC254-100-A
Diafragma de íris ativado por anel graduado	Thorlabs	SM1D12C
2,5 mm x 2,5 mm Abertura Ø 1 em			produção interna
de alta resolução CMOS Camera	Thorlabs	DCC1545M