Engineering

טכניקת ריבוב הזמן Super פתרון הדמיה מפלטפורמה נעה

Published: February 12, 2014 doi: 10.3791/51148

Asaf Ilovitsh¹, Shlomo Zach², Zeev Zalevsky¹

¹Faculty of Engineering, Bar-Ilan University, ²10 Nachum Street, Kfar Saba, Israel

Summary

שיטה להתגברות על גבול ההשתברות האופטית מוצגת. השיטה כוללת תהליך בן שני שלבים: שלב אחזור אופטי באמצעות אלגוריתם Gerchberg-סקסטון חוזר ונשנה, והסטת מערכת הדמיה ואחריו חזרה על הצעד הראשון. צמצם עדשה מוגברת סינטטי מופק לאורך כיוון התנועה, מניב הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר.

Abstract

אנו מציעים שיטה להגדלת הרזולוציה של אובייקט והתגברות על גבול ההשתברות של מערכת אופטית המותקנת בחלק העליון של מערכת הדמיה בתנועה, כגון פלטפורמה או בלווין הנישאים באוויר. שיפור הרזולוציה מתקבל בתהליך בן שני שלבים. ראשית, שלוש תמונות שונות וחסרות מיקוד ברזולוציה נמוכה נמצאים בשבי והשלב האופטי מאוחזר באמצעות אלגוריתם איטרטיבי משופר המבוסס Gerchberg-סקסטון. אחזור השלב מאפשר מבחינה מספרית בחזרה כדי להפיץ את השדה למטוס הצמצם. שנית, מערכת ההדמיה מוסטת והצעד הראשון חוזר על עצמו. השדות אופטיים שהושגו במטוס הצמצם משולבים וצמצם עדשה מוגברת סינטטי מופק לאורך כיוון התנועה, מניב הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר. השיטה דומה לגישה ידועה ממשטר המיקרוגל נקראת המכ"מ מיפתח סינטטי (SAR) שבגודל האנטנה מוגבר סינטטי לאורך הרציףכיוון התפשטות. השיטה המוצעת מודגמת באמצעות ניסוי מעבדה.

Introduction

בתחום ההדמיה רדאר, קרן זווית צרה של תדר רדיו דופק (RF) מועברת באמצעות אנטנה כי הוא רכוב על פלטפורמה. אות המכ"ם משדרת בכיוון מסתכל בצד לכיוון ^1,2 פני השטח. האות המוחזר הוא backscattered מהשטח, והוא קיבל על ידי אותה האנטנה ^2. הם קיבלו האותות מומרים לתמונת המכ"ם. במכ"ם אמיתי צמצם (RAR) הרזולוציה בכיוון אזימוט היא פרופורציונלית לאורך גל ועומדים ביחס הפוך לממד הצמצם ^3. כך, אנטנה גדולה יותר נדרשת לפתרון אזימוט גבוה יותר. עם זאת, קשה לצרף אנטנה גדולה לפלטפורמות נעות כגון מטוסים ולווינים. ב -1951 ⁴ יילי הציע טכניקה חדשה רדאר הנקראת מכ"ם מפתח סינטטי (SAR), המשתמשת באפקט דופלר שנוצר על ידי התנועה של פלטפורמת ההדמיה. בSAR, משרעת כמו גם את השלב של האות נקלטת נרשמים ⁵ 6 והשלב נרשם באמצעות מהוד מקומי התייחסות מותקנת על גבי הפלטפורמה. בהדמיה אופטית, אורכי גל קצרים יותר נמצאים בשימוש, כגון הגלוי ואינפרא האדום הקרוב (NIR), המהווה כ 1 מיקרומטר, כלומר בתדירות של כ 10 ¹⁴ הרץ. עוצמת השדה, ולא את השדה עצמו, הוא שיראו שכן השינויים האופטיים שלב מהר מדי לגילוי באמצעות גלאים מבוססים סיליקון סטנדרטי.

בעוד הדמיה אובייקט דרך מערכת אופטית, הצמצם של עדשת משמש כנמוך לעבור סינון. לפיכך, מידע מרחבי בתדירות גבוהה של האובייקט אבוד ^7. במאמר זה אנו שואפים לפתור כל אחת מהבעיות שהוזכרו לעיל בנפרד, כלומר השלב שאבד ואת השפעת גבול השתברות.

Gerchberg וסקסטון (GS) ⁸ הציעו כי השלב האופטי ניתן retrieved באמצעות תהליך חוזר ונשנה. Misell ^9-11 האריך את האלגוריתם לכל שני מטוסי קלט ופלט. גישות אלו הוכיחו להתכנס להפצת שלב עם שגיאה מרובעת ממוצעת מינימאלית (MSE) ^12,13. גור ^ו14 זלבסקי הציגו שיטת מטוסים שלוש אשר משפרת את אלגוריתם Misell.

אנו מציעים ולהדגים בניסוי שמשחזר את השלב תוך הסטת עדשת ההדמיה, כפי שנעשה עם האנטנה ביישום SAR מאפשר לנו להגדיל באופן סינטטי בגודל האפקטיבי של הצמצם לאורך ציר הסריקה וסופו של דבר לשפר את רזולוציית ההדמיה הביאה.

היישום של ה-SAR בהדמיה אופטית באמצעות אינטרפרומטריה והולוגרפיה ידוע ^16,17. עם זאת, השיטה המוצעת נועדה לחיקוי פלטפורמת הדמיה סריקה, מה שהופך אותו מתאים להדמית noncoherent (כגון פלטפורמה מוטסת למראה צד). לכן, הרעיון של הולוגרפיה, WHIch משתמש בקרן ייחוס, אינו מתאים ליישום כזה. במקום זאת, אלגוריתם Gerchberg-סקסטון המתוקן משמש כדי לאחזר את השלב.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. יישור התקנה

התחל על ידי בערך יישור הלייזר, expender הקורה, העדשה, והמצלמה על אותו הציר, זה יהיה הציר האופטי.
הפעל את הלייזר (ללא יעד USAT), ולוודא כי האור עובר דרך מרכז העדשה. השתמש איריס צמצם כדי לאמת.
הפעל את המצלמה, ולוודא כי האור מתמקד במרכז המצלמה.
Shift בחזרה את המצלמה, תוך שימוש בשלב z ליניארי. מאחר שהרשת הולכת מחוץ לפוקוס, נקודת האור תגדל. ודא כי מרכז המקום נותר באותה התנוחה לרוחב. אם לא, לשנות בזהירות את עמדתה של מערכת ההדמיה ולחזור על פעולה זו עד למקום נשאר באותו מיקום המרחבי, עד לרמת הפיקסל.

2. הדמיה בשלושה מטוסי Defocus

הכנס את יעד המבחן מול expender הקורה. הנח את היעד כך שהאור שעובר דרכו יעבור המחוספס מרכז העדשה.
לכידת תמונה. תמונה זו תהיה נקודת עוגן, ומיקומו יהיה z _0, x ₀ (כל התמונות האחרות תהיה בהתייחסות למיקומו). תמונה זו תהיה אני _{1, ב.}
Shift גב המצלמה (באמצעות שלב z ליניארי) למרחק של DZ = 5.08 מ"מ (או 0.2 ב) וללכוד את תמונה. תמונה זו תהיה לי _{2, ב.}
Shift בחזרה את המצלמה מרחוק אחר של DZ = 5.08 מ"מ (10.16 מ"מ יחסית לz ₀₎ וללכוד את תמונה. תמונה זו תהיה לי _{3, ב.}
חזור לz _0.

3. סריקת צמצם

Shift מערכת ההדמיה כולו רוחבי (שימוש בשלב x ליניארי) למרחק של DX = 2.5 מ"מ וללכוד תמונה. תמונה זו תהיה _{1 אני,.}
חזור על התהליך בפרוטוקול 2. Shift גב המצלמה (באמצעות שלב z ליניארי) למרחק של DZ = 5.08 מ"מ, וללכוד תמונה (אני _{2, א).} Shift בחזרה המצלמה דואר מרחק נוסף של DZ = 5.08 מ"מ, וללכוד תמונה (אני _{3, א).}
עכשיו, לחזור על התהליך עבור הצד השני. Shift מערכת ההדמיה מרחק של DX = -2.5 מ"מ וללכוד סדרה של שלוש תמונות בשלוש עמדות z (אני _{1-3, ג).}
חזור לz _0, x _0.

4. אחזור שלב (חישוב מספרי)

שימוש במטוסי השיטה שלוש ^14, ותמונות שאני _{1-3, b,} לאחזר את השלב האופטי של תמונה שאני _{1, ב.} שימוש בשלב שיוחזר, להגדיר ש _{1, ב.}
לפקח על מקדם המתאם ביני _{1, B} ו | ש _{1, ב} | ^2, על מנת לוודא שהתהליך החוזר ונשנה אינו מתכנס. כדי לעשות זאת, השתמש בפונקציה 'corr2' בMATLAB.
חזור על תהליך אחזור השלב _ל1-3, ואני _{1-3, ג.}

5. תמונה נפתרה סופר (חישוב מספרי)

Uלשיר התפשטות מקום פנויה פרנל (הפדרציה) נפרד ^15, חזרה להפיץ את השדות q _{1, AC} למישור העדשה. שדות אלו יהיו _{עדשות E,} ⁺ _AC.
הכפל את השדות וכתוצאה מכך _{עדשת E,} ⁺ _ac ידי exp (+ πix ₀ ²⁾ / λf), על מנת להעביר בחזרה דרך העדשה. שדות אלו יהיו _{עדשות E, AC} ^-.
על מנת למקם את _עדשת E _שדה, במיקום המקורי שלה, להסיט אותו רוחבי מרחק של DX = 2.5 מ"מ.
על מנת למקם את _עדשת E _{שדה, ג} במיקום המקורי שלה, להסיט אותו רוחבי מרחק של DX = -2.5 מ"מ.
סיכום שלושה השדות E _{עדשה, ac,} על מנת לשלב אותם, וסינטטי להגדיל את גודל הצמצם.
הכפל את השדה וכתוצאה מכך על ידי exp (-πix ₀ ²⁾ / λf), ושטח פנוי להפיץ אותו למטוס תמונה.
שיפור רזולוציה על ידי o גורםו 3 בכיוון הסריקה צריך להיות עדים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

דוגמא לתשע תמונות שנתפסו (שלוש תמונות defocus בשלוש עמדות לרוחב) מוצגת באיור 3.

דוגמא להתכנסות GS מוצגת באיור 4. מקדם המתאם לדימוי המרכזי שאני _{1, B} הוא מעל 0.95, ומקדם מתאם לתמונות הצד אני _1, ואני _{1, ג} הוא מעל 0.85 (בסימולציה נומרית מלאה כל מה שהם עברו 0.99).

תוצאת נציג לתמונת SR מוצגת באיור 5. באף תמונת LR של הסורגים ברזולוציה גלוי. עם זאת, בתמונה SR הפסים אופקיים גלויים, עד היסוד השלישי מימין. שים לב שמאחר והשיטה שלנו סינטטית מגדילה את הצמצם רק בכיוון x (כיוון התנועה), אין שיפור בקווים האנכיים.

1 "עבור: תוכן width =" 5in "עבור: src =" / files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "width =" "/> 600px
איור 1. התקנה מלאה ניסויית מעבדה. התקנת המעבדה הניסיונית מכילה הרחבה לייזר וקרן אור, יעד בדיקת חיל האוויר האמריקאי, עדשה וצמצם, מצלמה, ושני שלבים ליניארי. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 2. מערכת ההדמיה. מערכת ההדמיה ממוקמת בחלק העליון של שני שלבים ליניארי נעו, המאפשרת תנועה מדויקת בx, כיווני z. לחץ כאן t o להציג תמונה גדולה יותר.

איור 3. מעבדה רכשה תמונות ברזולוציה נמוכות. תשע מעבדה רכשה תמונות ברזולוציה נמוכות ממנו בשלב האופטי אוחזר והתמונה ברזולוציה סופר נוצרה. תמונות אני _{1, AC} נרכש בתפקידים שונים בz x = x ₀ + DX. כמו כן, תמונות _{ש2, AC} נרכשו בx = x _0, ותמונות שאני _{3, AC} נרכשו בx = x ₀ -. DX לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

"Src =" pg / files/ftp_upload/51148/51148fig4.jpg "width =" "/> 600px
איור 4. תוצאות מקדם מתאם תוצאות מעבדה של מקדם מתאם בין עוצמת הושגה |. עמ _{'1, AC} |. ² ותמונות המקוריות אני _{1, AC} לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 5. תוצאות SR. תוצאות מעבדה לאחר חזרות 100,000 GS. שמאל, האובייקט ברזולוציה גבוהה המקורי. התיכון, תמונה ברזולוציה נמוכה מטושטשת. נכון, תמונת סופר נפתרה מתקבלת. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מכ"מ האופטי הסינתטי צמצם הקונספט (OSAR) שמוצג במאמר זה הוא גישת סופר נפתר חדשה המשתמשת באלגוריתם GS וטכניקת סריקה על מנת לשפר את הרזולוציה המרחבית של אובייקט בכיוון של הסריקה. התנועה של פלטפורמת ההדמיה יכולה להיות עצמית שנוצר תוך השימוש בפלטפורמה מוטסת או בלווין. שלא כמו טכניקות SR ריבוב הזמן רבות, השיטה שלנו אינה דורשת כל מידע מראש של האובייקט, מלבד העובדה שזה נייח במהלך תהליך ההדמיה. הטכניקה המוצעת מיועדת לשיפור רזולוציה בפקטור של 3, בכיוון הסריקה. השיפור בפקטור של 3 הוא רק דוגמא וגורם לשיפור גדול יותר הם גם אפשרי. עם זאת, שיפור מפתח סינטטי הוא מוגבל ולא יכול להניב מספר F הסינתטי של פחות מ 1. על מנת להאריך SR לתוך 2-D, תהליך הסריקה יש לחזור בכיוון y. Conce האופטי המוצעpt דומה לטכניקת SAR שיפור רזולוציה שמוחלת למשטר המיקרוגל.

כמה שיפורים יכולים להתבצע בהתקנה על מנת להפוך אותו לרלוונטיים יותר. לדוגמא, שימוש במפצלי קרן, יכולות להיות הציגו שלוש מצלמות להתקנה וללכוד בו זמנית שלוש תמונות חסרות מיקוד.

הזמן כולל הריצה של התוצאות שהוצגו, שכלל 100,000 חזרות, ושלוש עמדות לרוחב, היה ~ 30 שעות. כל איטרציה GS לקחה בערך 0.3 שניות. ביצוע האלגוריתם בתכנית בזמן אמת ואופטימיזציה שלו למעבד כזה יכול להפחית את זמן העיבוד בפקטור של כ -100,000. לכן, בסך הכל זמן עיבוד יכול לקחת רק כמה שניות. כמו כן שים לב שכפי שניתן לראות מהתרשים 4, אף אחד לא צריך 100,000 מאז ההתכנסות מתרחשת כבר לאחר 10,000 חזרות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין מה לחשוף.

Acknowledgments

אף לא אחד

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