Summary
Um método para superar o limite de difração óptica é apresentado. O método inclui um processo de duas etapas: fase de recuperação óptica usando algoritmo iterativo Gerchberg-Saxton, e deslocamento do sistema de imagem seguido pela repetição da primeira etapa. A sinteticamente aumento abertura da lente é gerado ao longo da direção do movimento, produzindo resolução de imagem superior.
Abstract
Propomos um método para aumentar a resolução de um objecto e ultrapassar o limite de difracção de um sistema óptico instalado no topo de um sistema de imagem em movimento, tal como uma plataforma aérea ou por satélite. O aumento da resolução é obtido num processo de dois passos. Em primeiro lugar, três imagens de baixa resolução diferente desfocados estão sendo capturados e fase óptica é recuperado usando um algoritmo iterativo baseado melhorado Gerchberg-Saxton. A recuperação de fase permite numericamente volta propagar o campo para o plano de abertura. Em segundo lugar, o sistema de formação de imagens é deslocada e o primeiro passo é repetido. Os campos ópticos obtidos no plano de abertura são combinados e um aumento sinteticamente abertura da lente é gerado ao longo da direção do movimento, produzindo resolução de imagem superior. O método assemelha-se a uma abordagem bem conhecida do regime de microondas chamado Radar de Abertura Sintética (SAR) em que o tamanho da antena é sinteticamente aumentado ao longo da plataformadireção de propagação. O método proposto é demonstrada através de experimento de laboratório.
Introduction
Em imagens de radar, um feixe de ângulo estreito de pulso de radiofreqüência (RF) é transmitido usando uma antena que está montada sobre uma plataforma. O sinal de radar transmite numa direcção do olhar para o lado da superfície de 1,2. O sinal reflectido é retroespalhamento a partir da superfície e é recebido pela mesma antena 2. Os sinais recebidos são convertidos para uma imagem de radar. Na real Radar de Abertura (RAR) a resolução do azimute é proporcional ao comprimento de onda e inversamente proporcional à dimensão da abertura 3. Assim, uma antena grande é necessária para a maior resolução azimutal. No entanto, é difícil atribuir grande antena a um plataformas móveis, como aviões e satélites. Em 1951, Wiley 4 sugeriram uma nova técnica de radar chamado Synthetic Aperture Radar (SAR), que utiliza o efeito Doppler criado pelo movimento da plataforma de imagem. No SAR, a amplitude, assim como a fase do sinal recebido são registados 5 6 GHz e a fase é gravado utilizando um ressonador de referência local, instalado na parte superior da plataforma. Na imagiologia óptica, os comprimentos de onda mais curtos são utilizados, tais como o visível e o infravermelho próximo (NIR), que é cerca de 1 um, isto é, frequência de cerca de 10 Hz 14. A intensidade de campo, em vez do próprio campo, está a ser detectada desde as mudanças de fase óptica muito rápidos para a detecção utilizando detectores de base de silício padrão.
Enquanto imaginando um objeto através de um sistema óptico, a abertura da óptica serve como um filtro passa-baixa. Assim, a informação espacial de alta freqüência do objeto é perdido 7. Neste artigo pretende-se resolver cada uma das questões acima mencionadas separadamente, ou seja, a fase perdido eo efeito limite de difração.
Gerchberg e Saxton (GS) 8 sugere que a fase óptica pode ser recupeved utilizando um processo iterativo. Misell 9-11 alargou o algoritmo para quaisquer dois planos de entrada e de saída. Essas abordagens são comprovados para convergir para uma distribuição de fase com um mínimo erro médio quadrático (MSE) 12,13. Gur e Zalevsky 14 apresentaram um método de três aviões que melhora o algoritmo Misell.
Propomos e demonstrar experimentalmente que o restabelecimento da fase enquanto mudando a lente de imagem, como foi feito com a antena na aplicação SAR nos permite aumentar sinteticamente o tamanho efetivo da abertura ao longo do eixo de digitalização e, eventualmente, melhorar a resolução de imagem resultou.
A aplicação de SAR em imagens ópticas usando interferometria e holografia é bem conhecida 16,17. No entanto, o método sugerido é voltado para imitar uma plataforma de imagem de varredura, tornando-o adequado para a imagem latente não-coerente (como plataforma aérea de aparência lado). Assim, o conceito de holografia, which utiliza um feixe de referência, não é adequada para tal pedido. Em vez disso, o algoritmo Gerchberg-Saxton revisto é utilizado, a fim de recuperar a fase.
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Protocol
1. Alinhamento Setup
- Comece por cerca de alinhar a laser, o feixe de expender, a lente ea câmera no mesmo eixo, o que seria o eixo óptico.
- Ligue o laser (sem o alvo USAT), e certifique-se de que a luz passa através do centro da lente. Use uma íris de abertura para verificar.
- Ligue a câmera e certifique-se de que a luz se concentra no centro da câmara.
- Mudança para trás da câmera, usando o estágio linear z. Desde que o sistema está saindo do foco, o ponto de luz vai crescer. Certifique-se de que o centro da mancha permanece na mesma posição lateral. Se não, mudar cuidadosamente a posição do sistema de imagem e repita esta etapa até que o local permanece na mesma posição espacial, até um nível de pixel.
2. Imagem em Três planos Defocus
- Inserir o alvo do teste em frente do feixe de expender. Coloque o alvo de modo a que a luz que passa através do mesmo irá passar tháspera do centro da lente.
- Capturar uma imagem. Esta imagem será um ponto de ancoragem, e sua localização será z 0, x 0 (todas as outras imagens estarão em referência à sua localização). Esta imagem será I 1, b.
- Mudança para trás da câmera (usando o estágio linear z) uma distância de dz = 5,08 milímetros (ou 0,2 in) e capturar uma imagem. Esta imagem será I 2, b.
- Mude de volta a câmera outra distância de dz = 5,08 milímetros (10,16 milímetros em relação ao z 0) e capturar uma imagem. Esta imagem será I 3, b.
- Volte para z 0.
3. A varredura do Aperture
- Deslocar todo o sistema de imagem lateralmente (usando a fase linear x) uma distância de dx = 2,5 mm e captar uma imagem. Esta imagem será I 1, a.
- Repita o processo no Protocolo 2. Deslocamento para trás da câmara (que utiliza a fase linear z) uma distância de dz = 5,08 milímetros, e captar uma imagem (I 2, a). Deslocar o the outra câmera distância de dz = 5,08 milímetros, e capturar uma imagem (I 3, a).
- Agora, repetir o processo para o outro lado. Mudar o sistema de imagens a uma distância de dx = -2,5 mm e capturar um conjunto de três imagens em três posições z (I 1-3, c).
- Volte para z 0, x 0.
4. Recuperação de fase (Cálculo Numérico)
- Usando o método de três aviões de 14, e imagens que eu 1-3, b, recuperar a fase óptica de imagem I 1, b. Usando a fase que foi recuperada, definir q 1, b.
- Monitorizar o coeficiente de correlação entre a I 1, e b | q 1, b | 2, a fim de verificar que o processo iterativo que convergem. Para fazer isso, use a função 'corr2' em MATLAB.
- Repetir o processo de recuperação de fase I para o 1-3, um, e 1-3, c.
5. Imagem Super Resolvido (Cálculo Numérico)
- Ucantar Fresnel livre propagação espaço (FSP) integrante 15, de volta propagar os campos q 1, ac ao plano lente. Esses campos serão lente Ê, ac +.
- Multiplique os campos resultantes lente Ê, ac + por exp (+ πix 0 2) / λf), a fim de passar de volta através da lente. Esses campos serão lente Ê, ac -.
- A fim de posicionar a lente Ê campo, um na sua posição original, ele deslocar-se lateralmente uma distância de dx = 2,5 mm.
- A fim de posicionar a lente Ê campo, c na sua posição original, ele deslocar-se lateralmente uma distância de dx = -2,5 mm.
- Resumindo os três campos de e lente, CA, de modo a combiná-los, e sinteticamente aumentar o tamanho da abertura.
- Multiplique o campo resultante por exp (-πix 0 2) / λf) e espaço livre em propagá-la ao plano de imagem.
- A melhoria resolução por um fator of 3 na direção de varredura deve ser testemunhado.
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Representative Results
Um exemplo para os nove imagens capturadas (três imagens de desfocagem em três posições laterais) é mostrado na Figura 3.
Um exemplo para a convergência GS é mostrado na Figura 4. O coeficiente de correlação para a imagem central I 1, b é superior a 0,95, e o coeficiente de correlação para as imagens laterais I 1, um, e I 1, c é acima de 0,85 (de simulação numérica completa todos eles passaram 0,99).
Um resultado representativo para a imagem SR é apresentado na Figura 5. Na imagem nenhuma das barras de resolução LR é visível. No entanto, na imagem SR as barras horizontais são visíveis, até ao terceiro elemento para a direita. Note-se que uma vez que o nosso método sintético aumenta a abertura apenas na direcção x (o sentido do movimento), não há melhoria em que as barras verticais.
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Figura 1. Instalação de laboratório experimental completa. A instalação do laboratório experimental contém um laser e feixe de expansão, um alvo de teste USAF, uma lente e uma abertura, uma câmera, e duas etapas lineares. Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Figura 2. O sistema de geração de imagens. O sistema de imagem posicionada em cima de dois estágios em movimento linear, permitindo o movimento preciso no x, Z. Clique aqui t o ver imagem ampliada.
Figura 3. Laboratório adquiriu imagens de baixa resolução. Nove laboratório imagens de baixa resolução a partir do qual a fase óptica foi recuperado ea imagem de super resolução foi gerado adquirido. Imagens I 1, ac foram adquiridas em diferentes posições z em x = x 0 + dx. Da mesma forma, Images I 2, ac foram adquiridas em em x = x 0, e Images I 3, AC foram adquiridas em em x = x 0 -. Dx Clique aqui para ver a imagem ampliada .
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Figura 4. Resultados do coeficiente de correlação de resultados laboratoriais do coeficiente de correlação entre a intensidade obtida. | P 1, ac |. 2 e as imagens originais I 1, ac Clique aqui para ver a imagem ampliada .
Figura 5. Resultados SR. Resultados laboratoriais após 100.000 GS iterações. Esquerda, o objeto original de alta resolução. Média, imagem borrada de baixa resolução. Certo, a imagem de super resolvido obtida. Clique aqui para ver a imagem ampliada .
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Discussion
A óptica radar de abertura sintética conceito (OSAR) que é apresentada neste artigo é uma nova abordagem super-resolvida que usa o algoritmo de GS e técnica de exploração, a fim de melhorar a resolução espacial de um objeto na direção da digitalização. O movimento da plataforma de imagem pode ser auto-gerado durante a utilização de uma plataforma aérea ou por satélite. Ao contrário de muitas técnicas tempo multiplexing SR, nosso método não requer qualquer informação a priori do objeto, além do fato de que ele está parado durante o processo de geração de imagens. A técnica proposta é de aumento da resolução por um factor de 3, na direcção de exploração. A melhora por um fator de 3 é apenas um exemplo e fator de melhoria maior também são viáveis. No entanto, a melhoria de abertura sintética é limitada e não pode produzir de F sintéticos com menos do que 1. A fim de alargar o SR em 2-D, o processo de digitalização deve ser repetido na direção y. A conce óptico propostopt se assemelha a técnica SAR melhoria resolução que é aplicado para o regime de microondas.
Várias melhorias podem ser feitas na configuração, a fim de torná-la mais aplicável. Por exemplo, usando divisores de feixe, três câmaras podem ser introduzidos na instalação e capturar simultaneamente os três imagens desfocadas.
O tempo de execução total dos resultados apresentados, que consistia de 100.000 iterações, e três posições laterais, foi ~ 30 horas. Cada iteração GS levou cerca de 0,3 seg. A execução do algoritmo em tempo real de um programa e optimizando-lo por um tal processador pode reduzir o tempo de processamento por um factor de cerca de 100.000. Assim, o tempo total de processamento pode levar apenas alguns segundos. Também é importante notar que, como pode ser visto a partir da Figura 4, não é preciso 100.000 desde a convergência ocorre depois de já 10.000 iterações.
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Disclosures
Não há nada a divulgar.
Acknowledgments
Nenhum
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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