Summary
Способ преодоления лимита оптический дифракционный представлена. Способ включает в себя два этапа: извлечения оптического фазы с использованием итерационный алгоритм Гершберга-Сакстона, и система визуализации переключением передач с последующим повторением первого шага. Объектив синтетически увеличена апертура генерируется в направлении движения, что дает более высокое разрешение изображения.
Abstract
Предложен метод для увеличения разрешения объекта и преодоления дифракционного предела оптической системы, установленной на верхней части движущегося системы формирования изображений, например, воздушной платформы или через спутник. Улучшение разрешение получают в два этапа. Во-первых, три с низким разрешением разному расфокусированным изображения захвата и оптический фаза получить с помощью усовершенствованного итерационный алгоритм, основанный Гершберга-Сакстона. Извлечение фаза позволяет численно назад распространяться поле в плоскости диафрагмы. Во-вторых, система формирования изображения смещается и первый этап повторяется. Полученные оптическими полями в плоскости апертуры объединяют и синтетически увеличилось объектив диафрагмы генерируется в направлении движения, что дает более высокое разрешение изображения. Метод напоминает известный подход от микроволнового режима называется Synthetic Aperture Radar (SAR), в которых размер антенны синтетически повышенную по платформенаправление распространения. Предложенный метод демонстрируется через лабораторного эксперимента.
Introduction
В радиолокационных изображений, узкий угол луча импульсного радиочастотной (РЧ) передается с помощью антенны, которая установлена на платформе. Сигнал радара передает в бокового обзора направлении к поверхности 1,2. Отраженный сигнал обратного рассеяния от поверхности и получено по той же антенны 2. Принятые сигналы преобразуются в радиолокационного изображения. В Настоящее апертурой (RAR) разрешение в направлении азимута пропорциональна длине волны и обратно пропорциональна размерности Aperture 3. Таким образом, больше антенна требуется для более высокого разрешения по азимуту. Тем не менее, трудно приложить большую антенну к движущемуся платформах, таких как самолеты и спутников. В 1951 М. 4 разработали новую методику радара под названием Synthetic Aperture Radar (SAR), которая использует эффект Доплера, созданный движением платформы визуализации. В SAR, амплитуда а также фаза принимаемого сигнала записаны 5 6 и фаза записывается с использованием опорного локального резонатор, установленный на верхней части платформы. В оптических изображений, которые используются более короткие длины волн, например, видимой и ближней инфракрасной (NIR), что составляет около 1 мкм, т.е. частота около 10 14 Гц. Напряженность поля, а не само поле, в настоящее время обнаружены с оптических фазовых превращений слишком быстро для обнаружения с помощью детекторов на основе стандарта кремния.
Хотя визуализации объекта через оптическую систему, апертура оптики служит фильтром низких частот. Таким образом, высокочастотная пространственной информации объекта теряется 7. В данной работе мы стремимся решить каждую из вышеупомянутых вопросов отдельно, то есть фаза теряется и дифракционный предел эффект.
Гершберга и Сакстона (ГЦБ) 8 предположил, что оптическая фаза может быть retrieвед использованием итеративного процесса. Misell 9-11 расширил алгоритм для любых двух плоскостях ввода и вывода. Эти подходы доказали свою сходятся к распределению фазы с минимальным среднеквадратичной ошибки (MSE) 12,13. Гур и Залевский 14 представил трех плоскостях метод, который улучшает алгоритм Misell.
Мы предлагаем и продемонстрировать экспериментально, что восстановление фазы при переключении формирующую изображение линзу, как это делается с антенны в применении SAR позволяет синтетически увеличить эффективную размер апертуры вдоль оси сканирования и в конечном итоге улучшить результате разрешение изображения.
Применение SAR в оптических изображений с помощью интерферометрии и голографии хорошо известен 16,17. Тем не менее, предложенный метод предназначен для имитации платформу визуализации сканирования, что делает его пригодным для некогерентного изображений (таких как бокового обзора платформы бортового). Таким образом, понятие голографии, бееCH использует опорный пучок, не подходит для такого применения. Вместо этого, пересмотренный алгоритм Гершберга-Сакстона используется для того, чтобы получить фазу.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Настройка Выравнивание
- Начните с примерно выравнивания из лазера, expender луча, объектив и камеру на одной оси; это было бы оптическая ось.
- Включите лазера (без мишени USAT) и убедитесь, что свет проходит через центр линзы. Используйте ирис диафрагмы для проверки.
- Включите камеру и убедитесь, что свет фокусируется на центральной части камеры.
- Сдвиг назад камеру, используя линейную стадию г. Так как система будет не в фокусе, световое пятно будет расти. Убедитесь, что центр месте остается в том же положении на боку. Если нет, тщательно изменить положение системы формирования изображения и повторить этот шаг, пока пятно не остается на том же пространственном положении, до уровня пикселя.
2. Изображений в Трех расфокусировки Planes
- Вставьте тест цель перед expender пучка. Поместите мишень таким образом, чтобы свет, который проходит через него пройдет тыс.грубая центр линзы.
- Захват изображения. Это изображение будет узловая точка, и его расположение будет г 0, х 0 (все остальные изображения будут по отношению к его расположения). Это изображение будет я 1, б.
- Сдвиг назад камеру (с помощью линейную стадию г) расстояние дг = 5,08 мм (или 0,2 дюйма) и захвата изображения. Это изображение будет я 2, б.
- Сдвиг обратной стороне камеры другой расстояние дг = 5,08 мм (10,16 мм по отношению к г 0) а также захватить картинку. Это изображение будет я 3, б.
- Вернуться к г 0.
3. Сканирование Aperture
- Сдвиг всю систему визуализации с боков (с использованием линейного х этап) на расстояние дх = 2,5 мм и захватить изображение. Это изображение будет я 1,.
- Повторите процесс в Протоколе 2. Сдвиг назад камеру (с помощью линейную стадию г) на расстоянии дг = 5,08 мм, а также захватить картинку (я 2, а). Сдвиг назад тыс.э камера другой расстояние дг = 5,08 мм, а также захватить картинку (я 3, а).
- Теперь, повторите процедуру для другой стороны. Сдвиг Система формирования изображения на расстояние дх = -2,5 мм и захватить набор из трех изображений в трех г позиций (я 1-3, в).
- Вернуться к г 0, х 0.
4. Фаза извлечению (Численное Расчет)
- Использование трех плоскостях метод 14 и фотографий я 1-3, B, получить оптический фазу изображения я 1, б. Использование фазу, которая была восстановлена, определить Q 1, б.
- Монитор коэффициент корреляции между I 1, B и | д 1, б | 2, для того, чтобы убедиться, что итерационный процесс не сходится. Чтобы сделать это, используйте функцию 'corr2' в MATLAB.
- Повторите процесс извлечения фазы для I 1-3, а и I 1-3, с.
5. Супер Решено изображения (численный расчет)
- Uпеть Френеля свободного пространства распространения (FSP) неотъемлемой 15, обратно распространяться полей Q 1, ас в плоскости линзы. Эти поля будет по электронной линзы, AC +.
- Умножим полученное полях Е объектив, AC + ехр (+ πix 0 2) / λf), для того чтобы пройти обратно через объектив. Эти поля будет по электронной линзы, переменного тока -.
- Для того чтобы разместить электронной линзы поля, в исходное положение, сдвинуть его с боков на расстоянии дх = 2,5 мм.
- Для того чтобы разместить электронной линзы поля, с в исходное положение, сдвинуть его с боков на расстоянии дх = -2,5 мм.
- Сумма трех полей E объектив, AC, с тем чтобы объединить их, и синтетически увеличить размер диафрагмы.
- Умножьте результирующего поля на ехр (-πix 0 2) / λf), и свободное пространство распространяются его плоскости изображения.
- Улучшение разрешение на коэффициент OF 3 в направлении сканирования должна быть засвидетельствовано.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Примером за девять захваченных изображений (три дефокусировки фотографий в трех боковых позициях) показан на рисунке 3.
Примером для сходимости GS показано на рисунке 4. Коэффициент корреляции для центрального образа я 1, б выше 0,95, и коэффициент корреляции для боковых изображений я 1, и я 1, с выше 0,85 (в полном численном моделировании все они прошли 0,99).
Представитель результат для SR изображение представлено на рисунке 5. В LR изображения ни один из баров разрешения видна. Тем не менее, в SR изображения видны горизонтальные полосы, до третьего элемента с правой стороны. Обратите внимание, что, поскольку наш метод синтетически увеличивает диафрагму только в направлении х (направление движения), нет никаких улучшений в вертикальных баров.
1 "FO: контент-ширины =" 5 дюймов "FO: Пребывание" / files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "Первоначально" / files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "ширина =" 600px "/>
Рисунок 1. Полный экспериментальная лабораторная установка. Экспериментальная установка лаборатория содержит лазерную и расширитель пучка, тестовый цель ВВС США, линзу и отверстие, камера и два линейных этапов. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 2. Система формирования изображения. Система формирования изображения расположены на верхней части двух движущихся линейных стадиях, позволяя точное движение в X, Z направлениях. Нажмите здесь т о посмотреть увеличенное изображение.
Рисунок 3. Лаборатория полученных изображений с низким разрешением. Девять лаборатория полученных изображений с низким разрешением, от которого оптическая фазу полученные и разрешение изображения супер был сгенерирован. Изображения I 1, переменного тока были приобретены в разных положениях г в х = х 0 + DX. Аналогично, изображения я 2, переменного тока были приобретены в в х = х 0, а изображения я 3, AC были приобретены в в х = х 0 -. Дх Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
пг "Первоначально" / files/ftp_upload/51148/51148fig4.jpg "ширина =" 600px "/>
Рисунок 4. Результаты коэффициент корреляции Лабораторные результаты коэффициента корреляции между полученной интенсивности |. Стр. 1, переменного тока |. 2 и оригинальные изображения я 1, переменного тока Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 5. SR результаты. Результаты лабораторных после 100000 GS итераций. Слева, исходный объект высокого разрешения. Ближний, помутнение низкое разрешение изображения. Право, полученный супер решен изображения. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Оптический РЛС с синтезированной концепция (OSAR) диафрагмы, которая представлена в данной работе является новым супер решен подход, который использует алгоритм GS и технику сканирования, чтобы улучшить пространственное разрешение объекта в направлении сканирования. Движение платформы визуализации может быть самостоятельной организации, используя бортовой или спутниковую платформу. В отличие от многих методов время мультиплексирования SR, наш метод не требует априорной информации об объекте, кроме того, что она неподвижна в процессе создания образа. Предлагаемый метод для улучшения разрешения на коэффициент 3, в направлении сканирования. Улучшение на коэффициент 3 является только примером и более серьезным фактором улучшения также возможны. Тем не менее, улучшение с синтезированной апертурой, ограничено и не может дать синтетический F ряд менее 1. Для того, чтобы продлить SR в 2-D, процесс сканирования следует повторить в направлении у. Предлагаемый оптический Conceпт напоминает SAR технику улучшение разрешение, которое применяется для микроволновой режима.
Некоторые улучшения можно сделать в настройках, чтобы сделать его более применимо. Например, при использовании мостовых балок, три камеры могут быть введены в установке и захватить одновременно три расфокусированных изображений.
Общее время работы из представленных результатов, которая состояла из 100 000 итераций, и три боковых позициях, было ~ 30 часов. Каждая итерация GS заняла около 0,3 сек. Выполнение алгоритма в реальном времени программы и оптимизации его для такой процессор может сократить время обработки на коэффициент примерно 100000. Таким образом, общее время обработки может занять всего несколько секунд. Также следует учесть, что, как видно из фиг.4, не нужно 100000 с сходимость происходит уже после 10000 итераций.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Там нет ничего, чтобы раскрыть.
Acknowledgments
Ни один
Materials
| 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 for 2 in Square Filters | Thorlabs | FH2 | |
| 1 in Linear Translation Stage | Thorlabs | PT1 | 2x |
| Lens Mount for Ø1 in Optics | Thorlabs | LMR1 | |
| Lens f = 100.0 mm | Thorlabs | AC254-100-A | |
| Graduated Ring-Activated Iris Diaphragm | Thorlabs | SM1D12C | |
| 2.5 mm x 2.5 mm Aperture Ø1 in | Indoor production | ||
| High Resolution CMOS Camera | Thorlabs | DCC1545M |
References
- De Loor, G. P. Possibilities and uses of radar and thermal infrared systems. Photogrammetria. 24, 43-58 (1969).
- Simonett, D. S. Remote sensing with imaging radar: A review. Geoforum. , 61-74 (1970).
- Born, M., Wolf, E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. , Cambridge University Press. (1999).
- Wiley, C. A. Synthetic aperture radars-a paradigm for technology evolution. IEEE Trans. Aerospace Elec. Sys. 21, 440-443 (1985).
- Brown, W., Porcello, L. An introduction to synthetic-aperture radar. , Spectrum, IEEE. 52-62 (1969).
- Cheney, M., Borden, B. Fundamentals of Radar Imaging. Siam. , (2008).
- Otto, R., Fritz, L. Die lehre von der bildentstehung im mikroskop von Ernst Abbe. Vieweg Braunschweig. , (1910).
- Gerchberg, W. R., Saxton, W. O. A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures. Optik. 35, 237-246 (1972).
- Misell, D. L. A method for the solution of the phase problem in electron microscopy. J. Phys. D Appl. Phys. 6, (1973).
- Misell, D. L. An examination of an iterative method for the solution of the phase problem in optics and electron optics: I. Test calculations. J. Phys. D Appl. Phys. 6, 2200-2216 (1973).
- Misell, D. L. An examination of an iterative method for the solution of the phase problem in optics and electron optics. II. Sources of error. J. Phys. D Appl. Phys. 6, 2217-2225 (1973).
- Fienup, J. R. Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform. Optics Lett. 3, 27-29 (1978).
- Fienup, J. R. Phase retrieval algorithms: a comparison. Appl. Optics. 21, 2758-2769 (1982).
- Gur, E., Zalevsky, Z. Image deblurring through static or time-varying random perturbation medium. J. Electron. Imaging. 18, 033016-03 (2009).
- Goodman, J. W. Introduction to Fourier Optics. Roberts & Company. , (2005).
- Tippie, A. E., Kumar, A., Fienup, J. R. High-resolution synthetic-aperture digital holography with digital phase and pupil correction. Optics Express. 19, 12027-12038 (2011).
- Lim, S., Choi, K., Hahn, J., Marks, D. L., Brady, J. Image-based registration for synthetic aperture holography. Optics Express. 19, 11716-11731 (2011).
