Summary
Optik kırılma limiti aşmak için bir yöntem sunulmuştur. Optik tekrarlayıcı Gerchberg-Saxton'dan algoritması kullanılarak faz alma ve ilk aşamanın tekrar takip görüntüleme sistemi vites: Bu yöntem, iki aşamalı bir süreci içerir. Bir sentetik lens açıklığı artan daha yüksek görüntü çözünürlüğü verimli, hareket yönü boyunca oluşturulur.
Abstract
Biz, bir nesnenin çözünürlüğünü artırmak ve bu tür bir havada kalan bir platformun ya da uydu gibi bir hareket eden görüntüleme sistemi, üzerine yerleştirilmiş bir optik sistemin bir kırılma sınırı aşılması için bir yöntem önermektedir. Çözünürlük geliştirme iki aşamalı bir süreçte elde edilir. İlk olarak, üç düşük çözünürlük farklı defocused görüntüleri esir ediliyor ve optik faz geliştirilmiş iteratif Gerchberg-Saxton'dan tabanlı algoritma kullanılarak alınır. Faz alma sayısal geri diyafram düzlemine alanını yaymak için izin verir. İkinci olarak, görüntüleme sistemi kaydırılır ve ilk adımı tekrar edilir. Diyafram düzlemde edilen optik alanlar birleştirilir ve bir sentetik delik merceği artan daha yüksek görüntü çözünürlüğü, sonuçta hareket yönü boyunca oluşturulur. Bir yöntem olup, mikrodalga rejimden iyi bilinen bir yaklaşım, anten büyüklüğü sentetik platformu boyunca artan edildiği Sentetik Diyafram Radar (SAR) olarak benzeryayılma yönü. Önerilen yöntem, laboratuvar deneyi ile gösterilmiştir.
Introduction
Radar görüntüleme, nabız Radyo Frekans (RF) bir dar açılı ışın bir platform üzerine monte edilmiş bir anten kullanılarak aktarılır. Radar sinyal yüzey 1,2 doğru bir yan görünümlü yönde iletir. Yansıyan sinyal yüzeyden saçılan ve aynı anteni 2 tarafından alınır. Alınan sinyaller bir radar görüntüye dönüştürülür. Gerçek Açıklıklı Radar (RAR) azimut yönünde çözünürlük diyafram boyut 3 dalga boyu ile orantılı ve ters orantılıdır. Bu nedenle, daha büyük bir anten azimut yüksek çözünürlük gereklidir. Ancak bu uçak ve uydu gibi bir hareket eden platformlar büyük antenini zordur. 1951 yılında Wiley 4 görüntüleme platformu hareketi tarafından oluşturulan Doppler etkisini kullanır (SAR) Sentetik Açıklıklı Radar adı verilen yeni bir radar tekniği önerdi. SAR olarak, genlik hem de alınan sinyalin faz 5 kaydedilir 6 ve faz platformun üstüne monte edilmiş bir referans yerel rezonatör kullanılarak kaydedilir olduğu için bu mümkündür. Optik görüntüleme, daha kısa dalga boyları gibi görünür gibi, kullanılmış olan yaklaşık 1 um olan yakın enfraruj (NIR), yaklaşık olarak 10 ila 14 Hz arasında frekansı, yani. Alan şiddeti, yerine alan kendisi, standart silikon bazlı dedektörler kullanılarak saptanması için çok hızlı, optik faz değiştiği tespit ediliyor.
Bir optik sistem aracılığıyla bir nesne görüntüleme da, optik açıklık, bir düşük-geçiş filtresi olarak hizmet vermektedir. Bu yüzden, nesnenin yüksek frekans alan bilgi 7 kaybolur. Bu yazıda faz kaybetti ve kırınım sınırı etkisi, yani ayrı ayrı yukarıda belirtilen konuların her çözmek hedefliyoruz.
Gerchberg ve Saxton (GS) 8 optik faz retrie olabilir önerditekrarlanan bir işlem kullanarak ved. Misell 9-11 herhangi iki giriş ve çıkış uçaklar için algoritma genişletmiştir. Bu yaklaşımlar minimal ortalama kare hata (MSE) 12,13 ile bir faz dağılımının yakınsama kanıtlanmıştır. Gür ve Zalevsky 14 Misell algoritma geliştiren üç uçakları yöntem sundu.
Biz SAR uygulamada anten ile yapıldığı gibi, görüntüleme lens kayması sırasında faz geri bize sentetik tarama ekseni boyunca açıklık etkin boyutunu artırmak ve sonuç olarak ortaya görüntü çözünürlüğünü geliştirmek için izin teklif ve deneysel olarak göstermektedir.
Interferometrik ve holografiyi kullanılarak optik görüntüleme içinde SAR uygulama 16,17 iyi bilinmektedir. Ancak, önerilen yöntem (örneğin yan görünümlü hava platformu olarak) insicamsız görüntüleme için uygun hale, bir tarama görüntüleme platformu taklit hedeflenmektedir. Böylece, holografi kavramı, WHIch, bir referans ışını kullanan böyle bir uygulama için uygun değildir. Bunun yerine, revize Gerchberg-Saxton'dan algoritması fazı almak için kullanılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1.. Kurulum Hizalama
- Kabaca aynı eksen üzerinde lazer, ışın Expender, lens ve kamera hizalayarak başlayın, bu optik eksen olacaktır.
- (USAT hedef olmadan) lazer açın ve hafif lens merkezinden geçer emin olun. Doğrulamak için bir diyafram iris kullanın.
- Kamerayı açın ve ışık kameranın ortasına odaklanır emin olun.
- Lineer z sahne kullanarak, kamerayı geri kayması. Sistem odak dışına olduğundan, ışığın nokta büyüyecek. Nokta merkez aynı lateral pozisyonda kalır emin olun. Eğer değilse, dikkatli görüntüleme sisteminin konumunu değiştirmek ve spot piksel seviyesine kadar, aynı uzamsal konumda kalana kadar bu adımı tekrarlayın.
2. Üç Odakdışı Düzlemlerde at Görüntüleme
- Kiriş Expender önünde test hedefine yerleştirin. Içinden geçen ışık inci geçecek, böylece hedef yerleştirinLensin kaba merkezi.
- Bir görüntü yakalamak. Bu görüntü bir çapa noktası olacak ve konumu z 0 olacak, x 0 (tüm diğer görüntüler konumu referans olacaktır). Bu görüntü I 1, b olacaktır.
- (Lineer z sahne kullanarak) dz = 5.08 mm (veya 0.2) bir mesafe kamera geri kayması ve görüntü yakalamak. Bu görüntü I 2, b olacak.
- Kamera DZ = 5.08 mm başka bir mesafe (z 0 göreli 10.16 mm) geri kayması ve görüntü yakalamak. Bu görüntü I 3, b olacaktır.
- Geri z 0 gidin.
3. Diyafram taranıyor
- (Lineer x sahne kullanarak) yanal dx = 2.5 mm'lik bir mesafe tüm görüntüleme sistemi Shift ve görüntüsünü yakalayabilir. Bu görüntü I 1, bir olacaktır.
- Protokol 2 işlemi tekrarlayın. (Lineer z sahne kullanarak) Kamera DZ = 5.08 mm'lik bir mesafe geri kayması ve bir görüntü yakalamak (I 2, a). Th geri kaymasıe kamera dz = 5.08 mm başka bir mesafe ve bir görüntü yakalamak (I 3, a).
- Şimdi, diğer taraf için tekrarlayın. Görüntüleme sistemi dx = -2.5 mm'lik bir mesafe Shift ve üç z pozisyonlarında üç görüntülerin bir dizi yakalamak (ben 1-3 c).
- Z 0, x 0 geri dön.
4. Faz Alma (Sayısal Hesaplama)
- Üç kere yöntemi 14 ve görüntü I 1-3, b kullanarak, 1, b. Alındığı fazı kullanarak, B, Q 1 tanımlayan görüntünün optik fazı almak.
- Iteratif süreç yakinsar doğrulamak için 2, | q 1, b | I 1 a, b ve arasındaki korelasyon katsayısı izleyin. Bunu yapmak için, MATLAB 'corr2' işlevini kullanın.
- I 1-3 a ve I 1-3, c faz alma işlemini tekrarlayın.
5. Süper Çözülmüş Görüntü (Sayısal Hesaplama)
- Uİntegral 15, geri mercek düzlemine tarlalar q 1, ac yaymak Fresnel boş alan yayılma (FSP) şarkı. Bu alanlar Ê lens, ac + olacaktır.
- Geri lens geçmek amacıyla, exp (+ πix 0 2) / λf) tarafından elde edilen tarlalar Ê lens, ac + çarpın. - Bu alanlar Ê lens, ac olacaktır.
- Alan Ê lens yerleştirmek için olarak, orijinal konumunda, yanal olarak dx = 2.5 mm'lik bir mesafe kayması.
- Yanal dx = -2.5 mm'lik bir mesafe vardiya, orijinal pozisyonuna c, alan Ê mercek yerleştirmek için.
- Bunları birleştirmek, ve sentetik diyafram boyutunu artırmak amacıyla üç Alanlar E lens, ac, Sum.
- (-Πix 0 2) / λf) exp çıkan alanını çarpın, ve boş alan resim düzlemine bunu yaymak.
- Bir faktör o tarafından bir çözünürlük iyileştirmetarama yönünde f 3 tanık olmalıdır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Dokuz çekilen görüntülerin (üç yan pozisyonlarında üç odak dışı görüntüler) için bir örnek Şekil 3'de gösterilmiştir.
GS yakınsama için bir örneği, Şekil 4'te gösterilmiştir. I 1 merkezi görüntü için korelasyon katsayısı, b 0.95 üzerinde ve yan görüntüleri I 1 için korelasyon katsayısı, a, ve 1, c (tüm 0,99 geçirilen tüm sayısal simülasyonda) 0.85 üzerindedir.
SR görüntü için temsili bir sonuç Şekil 5'te sunulmuştur. Çözünürlük barlar LR görüntü hiçbiri görülebilir. Bununla birlikte, SR görüntüde yatay çubuklar, sağ üçüncü elemanına kadar, görebilir. Bizim yöntem sentetik sadece x yönünde (hareket yönünde) açıklığı artar yana, dikey çubuklardan herhangi bir gelişme olduğuna dikkat edin.
1 "fo: İçerik-width =" "fo: src =" 5in / files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "width =" 600px "/>
Şekil 1. Tam deneysel laboratuvar kurulum. Deneysel laboratuvar kurulum lazer ve ışın genişletici, bir USAF test hedefine, bir lens ve bir diyafram, bir kamera ve iki doğrusal aşamalarını içerir. resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Şekil 2. Görüntüleme sistemi. Görüntüleme sistemi içinde x tam hareketine izin veren, iki hareketli lineer aşamada üstüne yerleştirilmiş, z tarifi. Burayı t o büyük resmi görmek.
Şekil 3,. Laboratuvar düşük çözünürlüklü görüntüleri elde. Dokuz laboratuvar optik faz alınır ve süper çözünürlüklü görüntü oluşturulduğu düşük çözünürlüklü görüntüleri elde. Görüntüler I 1, ac x = x 0 + dx farklı z pozisyonlarda elde edildi. Benzer şekilde, Images Ben 2, ac x = x 0 olarak elde edildi ve Görüntüler ben 3, ac x = x 0 olarak elde edildi -. Dx büyük resmi görebilmek için buraya tıklayın .
pg "src =" / files/ftp_upload/51148/51148fig4.jpg "width =" 600px "/>
Şekil 4. Korelasyon katsayısı sonuçları elde yoğunluğu arasındaki korelasyon katsayısının Laboratuvar sonuçları |. P 1, ac |. 2 ve orijinal görüntüler I 1, ac büyük resmi görebilmek için buraya tıklayın .
Şekil 5,. SR sonuçları. Laboratuvar sonuçları 100000 GS tekrarlamalar sonra. Sol, orijinal yüksek çözünürlüklü nesne. Orta, bulanık düşük çözünürlüklü görüntü. Doğru, elde edilen süper çözüldü görüntü. resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu yazıda sunulan optik Yapay Açıklıklı Radar (OSAR) kavramı tarama yönünde bir nesnenin uzaysal çözünürlüğü artırmak amacıyla GS algoritması ve tarama tekniği kullanan yeni bir süper çözümlenir yaklaşımdır. Görüntüleme platformu hareketi kendi ürettiği bir hava veya uydu platformu kullanırken olabilir. Birçok zaman çoklama SR teknikleri farklı olarak, bu yöntem, görüntüleme işlemi sırasında sabit olduğu gerçeği dışında herhangi bir nesne önsel bilgi gerektirmez. Önerilen teknik, tarama yönünde, bir 3 faktör ile çözünürlük iyileştirilmesi içindir. Bir 3 faktör ile iyileşme sadece bir örnektir ve daha büyük gelişme faktör de kullanılabilir. Ancak, sentetik açıklık gelişme sınırlıdır ve en az 1 sentetik F sayıda verim olamaz. 2-D içine SR uzatmak amacıyla, tarama işlemi y yönünde tekrarlanmalıdır. Önerilen optik concept mikrodalga rejimi uygulanır çözünürlük iyileştirme SAR tekniğini andırır.
Çeşitli iyileştirmeler daha uygulanabilir hale getirmek için kurulum yapılabilir. Örneğin, kiriş bölücülerin kullanarak, üç kamera kurulum girmiş ve aynı anda üç defocused görüntüleri yakalamak olabilir.
100,000 yineleme ve üç lateral pozisyonda oluşuyordu sunulan sonuçların toplam çalışma süresi, ~ 30 saat idi. Her GS yineleme yaklaşık 0.3 saniye sürdü. Gerçek zamanlı bir programa algoritmayı yürütülmesi ve bir işlemci yaklaşık 100,000 bir faktör ile işlem süresini azaltmak için optimize. Böylece, toplam işlem süresi sadece bir kaç saniye sürebilir. Ayrıca yakınsama sonra zaten 10.000 tekrarlamalar oluşur beri Şekil 4 de görüleceği gibi, bir 100000 ihtiyacı olmadığını lütfen unutmayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ifşa hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Hiçbiri
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).
