Summary
Un procédé pour surmonter la limite de diffraction optique est présenté. Le procédé comprend un processus en deux étapes: l'extraction de phase optique en utilisant l'algorithme itératif Gerchberg-Saxton, et le déplacement du système de formation d'image suivie d'une répétition de la première étape. Une ouverture de l'objectif par synthèse accrue est générée le long de la direction de déplacement, ce qui donne une meilleure résolution d'image.
Abstract
Nous proposons un procédé pour augmenter la résolution d'un objet et de surmonter la limite de diffraction d'un système optique installé sur le dessus d'un système de formation d'image en mouvement, tel qu'une plate-forme aéroportée ou satellite. L'amélioration de la résolution est obtenue dans un processus en deux étapes. Tout d'abord, trois basse résolution des images différemment DÉFOCALISÉES sont capturés et la phase optique sont récupérées à l'aide d'un algorithme basé Gerchberg-Saxton itérative améliorée. La récupération de phase permet de propager numériquement retour sur le terrain pour le plan d'ouverture. Deuxièmement, le système de formation d'image est décalée et la première étape est répétée. Les champs optiques obtenues au niveau du plan d'ouverture sont réunies et une ouverture d'objectif est généré par synthèse accrue le long de la direction de déplacement, ce qui donne une meilleure résolution d'image. La méthode ressemble à une approche bien connue du régime micro-ondes appelé le radar à ouverture synthétique (SAR), dans laquelle la taille de l'antenne est synthétique a augmenté le long de la plate-formedirection de propagation. La méthode proposée est démontrée par l'expérience de laboratoire.
Introduction
Dans l'imagerie radar, un faisceau étroit de l'angle de l'impulsion radiofréquence (RF) est transmis en utilisant une antenne qui est montée sur une plate-forme. Le signal de radar émet dans une direction latérale-regardant vers la surface de 1,2. Le signal réfléchi est rétrodiffusée à partir de la surface et est reçu par la même antenne 2. Les signaux reçus sont convertis en une image radar. En radar à ouverture réelle (RAR) la résolution dans la direction d'azimut est proportionnelle à la longueur d'onde et inversement proportionnelle à la dimension de l'ouverture 3. Ainsi, une plus grande antenne est nécessaire pour une meilleure résolution en azimut. Cependant, il est difficile de fixer une grande antenne à des plates-formes mobiles telles que des avions et des satellites. En 1951, Wiley 4 proposé une nouvelle technique de radar appelé radar à synthèse d'ouverture (SAR), qui utilise l'effet Doppler créée par le mouvement de la plate-forme d'imagerie. En SAR, l'amplitude et la phase du signal reçu sont enregistrés 5 6 et la phase est enregistré en utilisant un résonateur de référence locale installée sur le dessus de la plate-forme. Dans l'imagerie optique, des longueurs d'onde plus courtes sont utilisées, telles que le visible et le proche infrarouge (NIR), qui est d'environ 1 pm, c'est à dire la fréquence d'environ 10 Hz. 14. L'intensité de champ, plutôt que le champ lui-même, est détecté depuis les changements de phase optique trop rapides pour la détection à l'aide de détecteurs à base de silicium standard.
Bien que l'imagerie d'un objet à travers un système optique, l'ouverture de l'optique sert de filtre passe-bas. Ainsi, la haute fréquence d'information spatiale de l'objet est perdu 7. Dans cet article, nous nous efforçons de résoudre chacun des problèmes mentionnés ci-dessus séparément, à savoir la phase perdu et l'effet de la limite de diffraction.
Gerchberg et Saxton (GS) 8 ont suggéré que la phase optique peut être Retrieved en utilisant un processus itératif. Misell 9-11 a étendu l'algorithme pour deux avions tout d'entrée et de sortie. Ces approches ont fait leurs preuves à converger vers une distribution de phase avec une erreur quadratique moyenne minimale (MSE) 12,13. Gur et Zalevsky 14 ont présenté une méthode à trois des avions qui améliore l'algorithme Misell.
Nous proposons et démontrons expérimentalement que la restauration de la phase tout en déplaçant la lentille d'imagerie, comme cela se fait avec l'antenne en application de SAR nous permet d'augmenter de manière synthétique la taille effective de l'ouverture le long de l'axe de balayage et, éventuellement, améliorer la résolution de l'imagerie abouti.
L'application de la SAR dans l'imagerie optique par interférométrie et l'holographie est bien connu 16,17. Cependant, la méthode proposée est destinée à imiter une plate-forme d'imagerie à balayage, ce qui convient pour l'imagerie non cohérente (comme plate-forme aéroportée visée latérale). Ainsi, le concept de l'holographie, la WHIch utilise un faisceau de référence, n'est pas adapté à une telle application. Au lieu de cela, l'algorithme de Gerchberg-Saxton révisée est utilisée afin de récupérer la phase.
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Protocol
Une. Alignement de configuration
- Commencez par aligner à peu près le laser, le faisceau de expender, l'objectif et l'appareil photo sur le même axe, ce qui serait l'axe optique.
- Allumez le laser (sans la cible USAT), et assurez-vous que la lumière passe à travers le centre de la lentille. Utilisez un iris d'ouverture pour vérifier.
- Allumez l'appareil photo et assurez-vous que la lumière se concentre sur le centre de l'appareil photo.
- Rétrograder la caméra, en utilisant l'étape de z linéaire. Depuis que le système va de mise au point, la tache de lumière va croître. Assurez-vous que le centre de la tache reste dans la même position latérale. Si non, modifier attentivement la position du système d'imagerie et répétez cette étape jusqu'à ce que l'endroit reste à la même position dans l'espace, à un niveau de pixel.
2. Imagerie à Trois avions Defocus
- Insérer la cible d'essai devant l'ecarteur de faisceau. Placer la cible de sorte que la lumière qui passe à travers elle passera èmele centre approximatif de la lentille.
- Capturer une image. Cette image sera un point d'ancrage, et son emplacement sera z 0, x 0 (toutes les autres images seront en référence à son emplacement). Cette image sera I 1, b.
- Maj dos de l'appareil photo (en utilisant l'étape de z linéaire) sur une distance de dz = 5,08 mm (ou 0,2 po) et capturer une image. Cette image sera I 2, b.
- Rétrograder la caméra une autre distance de dz = 5,08 mm (10,16 mm par rapport à z 0) et capturer une image. Cette image sera I 3, b.
- Retour à z 0.
3. Numérisation de l'ouverture
- Déplacer le système d'imagerie entière latéralement (à l'aide de la phase linéaire x) sur une distance de 2,5 mm = dx et capturer une image. Cette image sera I 1, un.
- Répétez le processus dans le protocole 2. Décaler en arrière de la caméra (en utilisant l'étape de z linéaire) sur une distance de dz = 5,08 mm, et capturer une image (I 2, a). Rétrograder ee une autre distance de la caméra dz = 5,08 mm, et capturer une image (I 3, a).
- Maintenant, répétez la procédure pour l'autre côté. Déplacer le système d'imagerie d'une distance de dx = -2,5 mm et de capturer un ensemble de trois images en trois positions z (I 1 à 3, c).
- Retour à z 0, x 0.
4. Phase de recherche (calcul numérique)
- Utilisation de la méthode des trois avions de 14, et les images que je 1-3, b, récupérer la phase optique de l'image I 1, b. Utilisant la phase qui a été récupéré, définir q 1, b.
- Surveiller le coefficient de corrélation entre I 1, b et | q 1, b | 2, afin de vérifier que le processus itératif ne converge. Pour ce faire, utilisez la fonction 'corr2' dans MATLAB.
- Répétez le processus de récupération de phase I 1-3, un, et je 1-3, c.
5. L'image de Super Résolu (calcul numérique)
- Uchanter Fresnel libre propagation de l'espace (FSP) solidaire 15, retour propager les champs q 1, ca au plan de la lentille. Ces champs seront lentille Ê, ac +.
- Multiplier les champs résultants objectif Ê, ac + par exp (+ πix 0 2) / λf), afin de passer à travers la lentille. Ces champs seront lentille Ê, ac -.
- Afin de placer la lentille de champ Ê, un dans sa position d'origine, le déplacer latéralement sur une distance de dx = 2,5 mm.
- Afin de placer la lentille de champ Ê, c dans sa position d'origine, le déplacer latéralement sur une distance de dx = -2,5 mm.
- Résumer l'objectif de trois champs, courant alternatif, afin de les combiner et augmenter la taille de l'ouverture synthétique.
- Multiplier le champ résultant par exp (-πix 0 2) / λf), et l'espace libre se propager à l'image plane.
- Une amélioration de la résolution d'un facteur of 3 dans la direction de balayage doit être assisté.
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Representative Results
Un exemple pour les neuf images capturées (trois images de défocalisation dans trois positions latérales) est représenté sur la figure 3.
Un exemple de la convergence GS est représenté sur la figure 4. Le coefficient de corrélation pour l'image centrale I 1, b est supérieur à 0,95, et le coefficient de corrélation pour les images secondaires I 1, a et I 1, c est supérieur à 0,85 (dans la simulation numérique complet ils ont tous passé 0,99).
Un résultat représentatif de l'image de SR est présenté sur la figure 5. Dans le LR l'image aucune des barres de résolution est visible. Cependant, dans l'image de SR les barres horizontales sont visibles, jusqu'au troisième élément vers la droite. Notez que, depuis notre méthode augmente synthétiquement l'ouverture que dans la direction x (le sens du mouvement), il n'y a pas d'amélioration dans les barres verticales.
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Figure 1. Installation de laboratoire expérimental complet. L'installation de laboratoire expérimental contient un laser et faisceau d'extension, une cible d'essai USAF, une lentille et une ouverture, un appareil photo, et deux étapes linéaires. Cliquez ici pour agrandir l'image .
Figure 2. Le système d'imagerie. Système d'imagerie positionné au-dessus de deux mobiles étapes linéaires, permettant des mouvements précis dans les directions x, z. Cliquez ici t o agrandir l'image.
Figure 3. Laboratoire a acquis des images à faible résolution. Neuf laboratoire a acquis des images basse résolution à partir de laquelle la phase optique a été récupéré et l'image de super résolution a été généré. Images I 1, ca a été acquis dans différentes positions z en x = x 0 + dx. De même, Images I 2, ca a été acquis en en x = x 0, et Images I 3, ca a été acquis en en x = x 0 -. Dx Cliquez ici pour agrandir l'image .
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Figure 4. Résultats de coefficient de corrélation de résultats de laboratoire de coefficient de corrélation entre l'intensité obtenue. | p 1, AC |. 2 et les images originales I 1, ac Cliquez ici pour agrandir l'image .
Figure 5. SR résultats. Résultats de laboratoire après 100.000 GS itérations. Gauche, l'objet original de haute résolution. Moyen, image floue à basse résolution. Droite, l'image super-résolue obtenu. Cliquez ici pour agrandir l'image .
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Discussion
L'optique radar à ouverture synthétique (OSAR) concept qui est présenté dans ce document est une nouvelle approche de super-résolue qui utilise l'algorithme GS et technique de balayage afin d'améliorer la résolution spatiale d'un objet dans le sens de la recherche. Le mouvement de la plate-forme d'imagerie peut être auto-généré tout en utilisant une plate-forme aéroportée ou satellite. Contrairement à de nombreuses techniques de multiplexage dans le temps de SR, notre procédé ne nécessite aucune information a priori de l'objet, à l'exception du fait qu'elle est à l'arrêt pendant le processus d'imagerie. La technique proposée est pour l'amélioration de la résolution d'un facteur 3, dans la direction de balayage. L'amélioration d'un facteur 3 est un simple exemple et plus grand facteur d'amélioration sont également possible. Toutefois, l'amélioration de la synthèse d'ouverture est limitée et ne peut pas donner de synthèse nombre de F est inférieure à 1. Afin d'étendre la SR en 2-D, le processus de balayage doit être répété dans la direction y. La conce optique proposéept ressemble à la technique SAR de l'amélioration de la résolution qui est appliqué pour le régime micro-ondes.
Plusieurs améliorations peuvent être apportées dans la configuration afin de le rendre plus applicable. Par exemple, en utilisant des séparateurs de faisceau, trois caméras peuvent être introduits dans l'installation et capturent simultanément les trois images défocalisé.
Le temps d'exécution total des résultats présentés, qui se composait de 100 000 itérations, et trois positions latérales, était d'environ 30 heures. Chaque itération GS a pris environ 0,3 sec. Exécution de l'algorithme dans un programme de temps réel et de l'optimiser pour un tel processeur peut réduire le temps de traitement par un facteur d'environ 100 000. Ainsi, le temps de traitement total peut ne prendre que quelques secondes. Aussi s'il vous plaît noter que comme on peut le voir sur la figure 4, on n'a pas besoin de 100.000 depuis la convergence se produit déjà après 10 000 itérations.
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Disclosures
Il n'y a rien à divulguer.
Acknowledgments
Aucun
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
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