Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

الوقت المتعدد سوبر حل وتقنيات التصوير من منصة تتحرك

Published: February 12, 2014 doi: 10.3791/51148

Summary

ويرد طريقة للتغلب على الحد حيود البصرية. تتضمن طريقة عملية من خطوتين: استرجاع المرحلة البصرية باستخدام خوارزمية تكرارية Gerchberg-ساكستون، وتحويل نظام التصوير تليها تكرار الخطوة الأولى. يتم إنشاء فتحة عدسة صناعيا زيادة طول اتجاه الحركة، مما أسفر عن القرار التصوير العالي.

Abstract

نقترح طريقة لزيادة القرار من كائن والتغلب على الحد حيود نظام بصري مثبتة على رأس نظام التصوير المتحرك، مثل منصة محمولة جوا أو الأقمار الصناعية. يتم الحصول على تحسن القرار في عملية من خطوتين. الأولى، ويجري القبض على ثلاثة دقة منخفضة امتبائر الصور بشكل مختلف ويتم استرداد المرحلة البصرية باستخدام خوارزمية تكرارية تحسين Gerchberg-ساكستون القائمة. استرجاع المرحلة يسمح لنشر عدديا يعود الحقل إلى الطائرة الفتحة. الثانية، يتم إزاحة نظام التصوير ويتم تكرار الخطوة الأولى. يتم الجمع بين الحقول البصرية التي تم الحصول عليها في الطائرة الفتحة ويتم إنشاء فتحة عدسة صناعيا زيادة طول اتجاه الحركة، مما أسفر عن القرار التصوير العالي. يشبه الأسلوب نهجا المعروفة من النظام الميكروويف يسمى الرادار ذي الفتحة الاصطناعية (SAR) التي يتم زيادة حجم هوائي صناعي على طول منصةاتجاه الانتشار. ويتجلى الأسلوب المقترح من خلال تجربة مختبرية.

Introduction

في التصوير الراداري، تبث شعاع زاوية ضيقة من نبض تردد راديو (RF) باستخدام هوائي الذي يتم تركيبه على منصة. إشارة الرادار ينقل في اتجاه المظهر الجانب نحو 1،2 السطح. والمرتدة الإشارة المنعكسة من السطح ويتم تلقيها من قبل نفس الهوائي 2. يتم تحويل الإشارات المستقبلة إلى صورة الرادار. في ريال مدريد الرادار ذي الفتحة (RAR) قرار في الاتجاه السمت يتناسب مع الطول الموجي ويتناسب عكسيا مع البعد الفتحة 3. وبالتالي، لا بد من هوائي أكبر لدقة أعلى السمت. ومع ذلك، فمن الصعب أن نعلق هوائي كبير لمنصات تتحرك مثل الطائرات والأقمار الصناعية. في عام 1951 اقترح ايلي 4 تقنية الرادار ذي الفتحة الاصطناعية جديد يسمى رادار (SAR)، الذي يستخدم تأثير دوبلر التي أنشأتها الحركة من منصة التصوير. في SAR، واتساع فضلا عن مرحلة من إشارة وردت تسجل 5 6 غيغاهرتز 1-100 ويتم تسجيل المرحلة باستخدام مرنان المحلية إشارة مثبتة على الجزء العلوي من المنصة. في مجال التصوير الضوئي، وتستخدم موجات أقصر، مثل المرئي وبالقرب من الأشعة تحت الحمراء (الجرد)، وهي عبارة عن 1 ميكرومتر، أي تردد من حوالي 10 14 هرتز. ويجري الكشف عن شدة المجال، بدلا من الحقل نفسه، منذ التغييرات المرحلة الضوئية بسرعة كبيرة للكشف باستخدام كاشفات القائمة على السيليكون القياسية.

بينما التصوير كائن من خلال نظام بصري، وفتحة البصريات بمثابة مرشح تمرير منخفض. وبالتالي، يتم فقدان المعلومات عالية التردد المكاني للجسم 7. في هذه الورقة ونحن نهدف إلى حل كل القضايا المذكورة أعلاه على حدة، أي مرحلة فقدت وتأثير الحد الحيود.

Gerchberg وساكستون (GS) 8 اقترح أن المرحلة البصرية يمكن retrieفيد باستخدام عملية تكرارية. Misell 9-11 مددت خوارزمية لأي اثنين من المدخلات والمخرجات الطائرات. وأثبتت هذه النهج أن تتلاقى لتوزيع المرحلة مع الحد الأدنى من متوسط ​​مربع الخطأ (MSE) 12،13. قدم غور وZalevsky 14 طريقة ثلاث طائرات مما يحسن خوارزمية Misell.

نقترح وتثبت التجربة أن استعادة مرحلة حين تحول عدسة التصوير، كما فعلت مع الهوائي في تطبيق SAR يسمح لنا لزيادة حجم صناعيا الفعال للفتحة على طول المحور والمسح في نهاية المطاف تحسين القرار التصوير نتج.

تطبيق SAR في التصوير الضوئي باستخدام التداخل وتصوير ثلاثي الأبعاد هو معروف 16،17. ومع ذلك، ويهدف الأسلوب المقترح لمحاكاة منصة التصوير الضوئي، مما يجعلها مناسبة للتصوير noncoherent (مثل منصة المظهر الجانب المحمولة جوا). وبالتالي، فإن مفهوم التصوير الثلاثي الأبعاد، مبادرة الخوذ البيضاءيستخدم الفصل شعاع المرجعية، ليست مناسبة لمثل هذا الطلب. بدلا من ذلك، يتم استخدام خوارزمية Gerchberg-ساكستون المنقحة من أجل استرداد المرحلة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. محاذاة الإعداد

  1. تبدأ عن طريق مواءمة ما يقرب من الليزر، والمنفق شعاع، العدسة، والكاميرا على نفس المحور، وهذا سيكون المحور البصري.
  2. بدوره على الليزر (بدون هدف USAT)، وتأكد من أن الضوء يمر من خلال مركز العدسة. استخدام قزحية فتحة للتحقق.
  3. تشغيل الكاميرا، وتأكد من أن الضوء يركز على مركز للكاميرا.
  4. التحول الى الوراء الكاميرا، وذلك باستخدام المرحلة ض الخطية. لأن النظام هو الخروج من التركيز، فإن بقعة ضوء النمو. تأكد من أن وسط بقعة لا تزال في موقف الجانبي نفسه. إذا لم يكن كذلك، تغيير بعناية الموقف من نظام التصوير وكرر هذه الخطوة حتى تبقى بقعة في موقف المكاني نفسه، تصل إلى مستوى بكسل.

2. التصوير في ثلاث طائرات يزيل التباؤر

  1. إدراج هدف الاختبار أمام المنفق شعاع. وضع الهدف بحيث أن الضوء الذي يمر من خلال ذلك سوف تمر عشرالخام في مركز العدسة.
  2. التقاط صورة. هذه الصورة ستكون نقطة الربط، وسوف يكون موقعه ض 0، 0 س (سوف جميع الصور الأخرى تكون في إشارة إلى موقعها). هذه الصورة ستكون I 1، ب.
  3. التحول يعود الكاميرا (باستخدام المرحلة ض الخطي) مسافة DZ = 5.08 ملم (أو 0.2 في) والتقاط صورة. هذه الصورة ستكون I 2، ب.
  4. التحول يعود الكاميرا مسافة أخرى من DZ = 5.08 ملم (10.16 ملم النسبية إلى الياء 0) والتقاط صورة. هذه الصورة سيكون الأول 3، ب.
  5. العودة إلى الياء 0.

3. مسح الفتحة

  1. تحويل نظام التصوير بأكملها أفقيا (باستخدام خطية خ المرحلة) مسافة DX = 2.5 ملم والتقاط صورة. هذه الصورة ستكون I 1، أ.
  2. كرر العملية في البروتوكول 2. التحول يعود الكاميرا (باستخدام المرحلة ض الخطي) مسافة DZ = 5.08 مم، والتقاط صورة (I 2، أ). التحول الى الوراء عشره الكاميرا مسافة أخرى من DZ = 5.08 مم، والتقاط صورة (I 3، أ).
  3. الآن، كرر الإجراء بالنسبة للجانب الآخر. تحويل نظام التصوير مسافة DX = -2.5 ملم والتقاط مجموعة من ثلاث صور في ثلاث وظائف ض (I 1-3، ج).
  4. العودة إلى الياء 0، 0 س.

4. المرحلة استرجاع (الحساب العددي)

  1. باستخدام طائرات الأسلوب ثلاثة 14، والصور أنا 1-3، ب، استرداد المرحلة البصرية للصورة I 1، ب. باستخدام المرحلة التي تم استردادها، وتحديد ف 1، ب.
  2. رصد معامل الارتباط بين I 1، ب و| ف 1، ب | وذلك للتحقق من أن عملية تكرارية لا تتلاقى. للقيام بذلك، استخدم الدالة 'corr2' في MATLAB.
  3. تكرار عملية استرجاع المرحلة لأني 1-3، لذلك، وأنا 1-3، ج.

5. سوبر تصميما صورة (الحساب العددي)

  1. Uالغناء فريسنل حرة الانتشار الفضاء (FSP) لا يتجزأ 15، نشر استرداد حقول ف 1، ميلان إلى الطائرة العدسة. هذه المجالات سيكون عدسة E، ميلان +.
  2. مضاعفة الحقول الناتجة عدسة E، ميلان + من قبل إكسب (+ πix 0 2) / λf)، من أجل تمرير مرة أخرى من خلال عدسة. هذه المجالات سيكون عدسة E، ميلان -.
  3. من أجل وضع العدسة منتديات الحقل، وهو في موقعها الأصلي، والتحول أفقيا مسافة DX = 2.5 مم.
  4. من أجل وضع العدسة منتديات الميدان، ج في موقعها الأصلي، والتحول أفقيا مسافة DX = -2.5 ملم.
  5. خلاصة القول الحقول الثلاثة منوعات العدسة، ميلان، من أجل الجمع بينهما، وصناعيا زيادة حجم الفتحة.
  6. مضاعفة الحقل الناجم عن إكسب (πix 0 2) / λf)، ومساحة حرة لنشر الطائرة الصورة.
  7. تحسن قرار بمعامل سيجب أن يشهد و 3 في اتجاه المسح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويرد مثال لفترة التسعة الصور التي تم التقاطها (ثلاث صور يزيل التباؤر في ثلاثة مواقف جانبية) في الشكل 3.

ويرد مثال لتلاقي GS في الشكل 4. معامل الارتباط للصورة المركزية I 1، ب فوق 0.95، ومعامل الارتباط للصور الجانبية I 1، لذلك، وأنا 1، ج أعلاه هو 0.85 (في المحاكاة العددية الكاملة التي مرت جميع 0.99).

ويرد نتيجة ممثل للصورة ريال على الشكل 5. في الصورة لا شيء LR من القضبان القرار مرئيا. ومع ذلك، في الصورة ريال قضبان أفقية واضحة، وصولا إلى العنصر الثالث إلى اليمين. تلاحظ أنه منذ أسلوبنا يزيد صناعيا الفتحة فقط في اتجاه x (حركة الاتجاه)، وليس هناك تحسن في أشرطة عمودية.

1 "لل: محتوى العرض =" 5IN "FO: SRC =" / files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "العرض =" 600px ل"/>
الشكل 1. الإعداد الكامل المختبرات التجريبية. يحتوي الإعداد المختبر التجريبي ليزر والمتوسع شعاع، وهو اختبار الهدف USAF، وعدسة وفتحة، وكاميرا، واثنين من مراحل الخطية. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 2
الشكل 2. نظام التصوير. نظام التصوير وضعه على رأس اثنين تتحرك مراحل الخطية، مما يسمح للحركة دقيقة في خ، ض الاتجاهات. اضغط هنا ر س مشاهدة صورة أكبر.

الرقم 3
الرقم 3. اكتسبت مختبر الصور منخفضة الدقة. المكتسبة تسعة مختبر الصور منخفضة الدقة من الذي استرجاع المرحلة البصرية ولدت دقة وضوح الصورة فائقة. الصور I تم الحصول عليها ميلان في مناصب مختلفة في ض س = س 0 + DX. وبالمثل، صور I تم الحصول عليها في ميلان في س = س والصور أنا تم الحصول عليها في ميلان في س = س 0 - DX اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

خريج "سرك =" / files/ftp_upload/51148/51148fig4.jpg "العرض =" 600px ل"/>
الشكل 4. نتائج معامل الارتباط نتائج مختبر معامل الارتباط بين كثافة تم الحصول عليها | ص 1، ميلان | 2 والصور الأصلية I 1، ميلان اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 5
الرقم 5. نتائج ريال. نتائج المختبر بعد 100،000 GS التكرار. اليسار، الكائن عالية الدقة الأصلية. المتوسطة، عدم وضوح دقة الصورة منخفضة. الحق، والحصول على صورة فائقة حلها. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

والبصرية الفتحة الاصطناعية رادار (OSAR) المفهوم الذي يرد في هذه الورقة هو نهج السوبر حل جديد يستخدم خوارزمية GS وتقنية المسح الضوئي من أجل تحسين القرار المكانية من كائن في اتجاه الفحص. حركة منصة التصوير يمكن أن يكون أثناء استخدام منصة محمولة جوا أو الأقمار الصناعية المولدة ذاتيا. على عكس العديد من التقنيات المتنوعة SR الوقت، لا تتطلب أي طريقة لدينا بداهة المعلومات من وجوه، وغيرها من حقيقة أنها هي ثابتة أثناء عملية التصوير. تقنية المقترحة هي لتحسين القرار من قبل عامل من 3، في الاتجاه المسح. تحسين بمعامل 3 هو مجرد مثال وعامل تحسن أكبر هي أيضا مجدية. ومع ذلك، وتحسين الفتحة الاصطناعية غير محدودة ولا يمكن أن تسفر عن عدد F الاصطناعية أقل من 1. من أجل تمديد ريال في 2-D، وينبغي تكرار عملية المسح في الاتجاه ذ. وبغية دراسته واقراره البصرية المقترحةحزب العمال يشبه SAR تقنية تحسين الدقة التي يتم تطبيقها للنظام الميكروويف.

العديد من التحسينات التي يمكن إدخالها في الإعداد من أجل جعله أكثر قابلية للتطبيق. على سبيل المثال، وذلك باستخدام شق شعاع، ويمكن إدخال ثلاث كاميرات في الإعداد والتقاط الصور في وقت واحد امتبائر الثلاثة.

مجموع وقت التشغيل من النتائج المقدمة، والتي تتألف من 100،000 التكرار، وثلاث وظائف جانبية، كان ~ 30 ساعة. استغرق كل تكرار GS حوالي 0.3 ثانية. تنفيذ خوارزمية في برنامج في الوقت الحقيقي وتحسين انها لمثل هذا المعالج يمكن أن تقلل من الوقت اللازم للتجهيز من قبل عامل من حوالي 100،000. وبالتالي، لا يمكن للزمن أن مجموع يستغرق سوى بضع ثوان. كما يرجى ملاحظة أنه يمكن أن ينظر إليه من الشكل 4، لا يحتاج المرء 100،000 منذ التقارب يحدث بالفعل بعد 10،000 التكرار.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ليس هناك شيء في الكشف عنها.

Acknowledgments

لا شيء

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. De Loor, G. P. Possibilities and uses of radar and thermal infrared systems. Photogrammetria. 24, 43-58 (1969).
  2. Simonett, D. S. Remote sensing with imaging radar: A review. Geoforum. , 61-74 (1970).
  3. Born, M., Wolf, E. Principles of optics: electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light. , Cambridge University Press. (1999).
  4. Wiley, C. A. Synthetic aperture radars-a paradigm for technology evolution. IEEE Trans. Aerospace Elec. Sys. 21, 440-443 (1985).
  5. Brown, W., Porcello, L. An introduction to synthetic-aperture radar. , Spectrum, IEEE. 52-62 (1969).
  6. Cheney, M., Borden, B. Fundamentals of Radar Imaging. Siam. , (2008).
  7. Otto, R., Fritz, L. Die lehre von der bildentstehung im mikroskop von Ernst Abbe. Vieweg Braunschweig. , (1910).
  8. 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).
  9. Misell, D. L. A method for the solution of the phase problem in electron microscopy. J. Phys. D Appl. Phys. 6, (1973).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Fienup, J. R. Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform. Optics Lett. 3, 27-29 (1978).
  13. Fienup, J. R. Phase retrieval algorithms: a comparison. Appl. Optics. 21, 2758-2769 (1982).
  14. Gur, E., Zalevsky, Z. Image deblurring through static or time-varying random perturbation medium. J. Electron. Imaging. 18, 033016-03 (2009).
  15. Goodman, J. W. Introduction to Fourier Optics. Roberts & Company. , (2005).
  16. 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).
  17. Lim, S., Choi, K., Hahn, J., Marks, D. L., Brady, J. Image-based registration for synthetic aperture holography. Optics Express. 19, 11716-11731 (2011).

Tags

الفيزياء، العدد 84، Superresolution، والبصريات فورييه، الاستشعار عن بعد وأجهزة الاستشعار، معالجة الصور الرقمية، والبصريات، والقرار
الوقت المتعدد سوبر حل وتقنيات التصوير من منصة تتحرك
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ilovitsh, A., Zach, S., Zalevsky, Z. More

Ilovitsh, A., Zach, S., Zalevsky, Z. Time Multiplexing Super Resolving Technique for Imaging from a Moving Platform. J. Vis. Exp. (84), e51148, doi:10.3791/51148 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter