Summary
Se presenta un método para superar el límite de difracción óptica. El método incluye un proceso de dos pasos: la recuperación de fase óptica usando iterativo algoritmo de Gerchberg-Saxton, y cambio de sistema de imagen seguido por la repetición de la primera etapa. Un aumento sintéticamente apertura del objetivo se genera a lo largo de la dirección del movimiento, produciendo una mayor resolución de imagen.
Abstract
Se propone un método para aumentar la resolución de un objeto y la superación del límite de difracción de un sistema óptico instalado en la parte superior de un sistema de imágenes en movimiento, tal como una plataforma o vía satélite en el aire. La mejora de la resolución se obtiene en un proceso de dos pasos. En primer lugar, tres de baja resolución las imágenes de forma diferente desenfocado están siendo capturados y la fase óptica se recuperan utilizando un algoritmo basado Gerchberg-Saxton iterativo mejorado. La recuperación de fase permite numéricamente volver propagar el campo para el plano de apertura. En segundo lugar, el sistema de formación de imágenes se desplaza y la primera etapa se repite. Los campos ópticos obtenidos en el plano de apertura se combinan y un aumento sintéticamente apertura del objetivo se genera a lo largo de la dirección del movimiento, produciendo una mayor resolución de imagen. El método se asemeja a un enfoque bien conocido del régimen de microondas llama el radar de apertura sintética (SAR) en la que el tamaño de la antena se incrementa sintéticamente a lo largo de la plataformadirección de propagación. El método propuesto se demuestra a través de experimentos de laboratorio.
Introduction
En imágenes de radar, un haz estrecho ángulo de pulso de radiofrecuencia (RF) se transmite mediante una antena que se monta en una plataforma. La señal de radar transmite en una dirección lateral que mira hacia el 1,2 superficie. La señal reflejada es retrodispersada desde la superficie y es recibida por la misma antena 2. Las señales recibidas se convierten a una imagen de radar. En real Radar de Apertura (RAR) la resolución en la dirección de acimut es proporcional a la longitud de onda e inversamente proporcional a la dimensión de la abertura 3. Por lo tanto, se requiere una antena más grande para una mayor resolución de azimut. Sin embargo, es difícil unir gran antena a un plataformas móviles tales como aviones y satélites. En 1951 Wiley 4 sugirió una nueva técnica de radar denominado radar de apertura sintética (SAR), que utiliza el efecto Doppler creada por el movimiento de la plataforma de formación de imágenes. En SAR, la amplitud, así como la fase de la señal recibida se registran 5 6 y la fase se registra utilizando un resonador local de referencia instalado en la parte superior de la plataforma. En formación de imágenes ópticas, se utilizan longitudes de onda más cortas, tales como el visible y el infrarrojo cercano (NIR), que es aproximadamente 1 m, es decir, frecuencia de aproximadamente 10 Hz 14. La intensidad del campo, en lugar de el campo mismo, se está detectando ya que los cambios de fase óptica demasiado rápido para la detección utilizando detectores basados en silicio estándar.
Mientras imágenes de un objeto a través de un sistema óptico, la abertura de la óptica sirve como un filtro de paso bajo. Por lo tanto, la información espacial de alta frecuencia del objeto se pierde 7. En este trabajo nos proponemos resolver cada uno de los temas mencionados por separado, es decir, la fase pierde y el efecto límite de difracción.
Gerchberg y Saxton (GS) 8 sugieren que la fase óptica puede Retrieved usando un proceso iterativo. Misell 9-11 ha extendido el algoritmo para cualquiera de los dos planos de entrada y salida. Estos enfoques son probados para converger a una distribución de fase con un error cuadrático medio mínimo (MSE) 12,13. Gur y Zalevsky 14 presentan un método de tres aviones que mejora el algoritmo Misell.
Proponemos y demostrar experimentalmente que la restauración de la fase mientras que el cambio de la lente de formación de imágenes, como se hizo con la antena en la solicitud de SAR nos permite aumentar sintéticamente el tamaño efectivo de la abertura a lo largo del eje de exploración y, finalmente, mejorar la resolución de formación de imágenes dado.
La aplicación de la SAR en la imagen óptica utilizando interferometría y holografía es bien conocida 16,17. Sin embargo, el método propuesto tiene como objetivo para imitar una plataforma de imágenes de exploración, lo que es adecuado para la imagen no coherente (como plataforma aérea de visión lateral). Por lo tanto, el concepto de la holografía, WHICH utiliza un haz de referencia, no es adecuado para una aplicación tal. En lugar de ello, el algoritmo de Gerchberg-Saxton revisada se utiliza con el fin de recuperar la fase.
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Protocol
1. Alineación de configuración
- Comienza por más o menos alinear el láser, el haz de expender, la lente, y la cámara en el mismo eje, lo que sería el eje óptico.
- Encienda el láser (sin el objetivo USAT), y asegúrese de que la luz pasa a través del centro de la lente. Utilice un iris de abertura para verificar.
- Encienda la cámara y asegúrese de que la luz se concentra en el centro de la cámara.
- Desplazar hacia atrás la cámara, utilizando el escenario z lineal. Dado que el sistema se va fuera de foco, el punto de luz crecerá. Asegúrese de que el centro de la mancha permanece en la misma posición lateral. Si no, cambie cuidadosamente la posición del sistema de imagen y repita este paso hasta que el punto se mantiene en la misma posición en el espacio, hasta un nivel de píxel.
2. Imágenes en las Tres planos Defocus
- Introduzca el destino de la prueba frente al expender viga. Coloque el blanco de manera que la luz que pasa a través de él pasará ªáspero el centro de la lente.
- Captura de una imagen. Esta imagen será un punto de anclaje, y su ubicación será z 0, x 0 (todas las otras imágenes estarán en referencia a su ubicación). Esta imagen será I 1, b.
- Cambiar de nuevo la cámara (usando la etapa Z lineal) una distancia de dz = 5,08 mm (o 0,2 en) y capturar una imagen. Esta imagen será I 2, b.
- Desplazar hacia atrás la cámara otra distancia de dz = 5,08 mm (10,16 mm con respecto a z 0) y capturar una imagen. Esta imagen será I 3, b.
- Volver a z 0.
3. El escaneo de la apertura
- Shift todo el sistema de formación de imágenes lateralmente (usando la etapa lineal x) una distancia de dx = 2,5 mm y capturar una imagen. Esta imagen será que 1, un.
- Repita el proceso en el Protocolo 2. Cambiar de nuevo la cámara (usando la etapa Z lineal) una distancia de dz = 5,08 mm, y capturar una imagen (I 2, a). Desplazar hacia atrás the cámara otra distancia de dz = 5,08 mm, y capturar una imagen (I 3, a).
- Ahora, repetir el procedimiento para el otro lado. Cambiar el sistema de proyección de imagen a una distancia de dx = -2,5 mm y capturar un conjunto de tres imágenes en tres posiciones z (I 1-3, c).
- Volver a z 0, x 0.
4. Recuperación Fase (Cálculo Numérico)
- Utilizando el método de tres aviones de 14, y las imágenes que 1-3, b, recuperar la fase óptica de imagen que 1, b. Uso de la fase que se ha recuperado, definir q 1, b.
- Supervisar el coeficiente de correlación entre I 1, b y | Q 1, b | 2, con el fin de verificar que el proceso iterativo converge. Para ello, utilice la función 'corr2' en MATLAB.
- Repita el proceso de recuperación de la fase de I 1-3, una, y 1-3, c.
5. Imagen de Super resuelto (Cálculo Numérico)
- Ucantar Fresnel propagación en el espacio libre (FSP) integral 15, de vuelta propagar los campos q 1, ac al plano de la lente. Estos campos serán lente Ê, ac +.
- Multiplique los campos resultantes lente Ê, ac + por exp (+ πix 0 2) / λf), con el fin de pasar de nuevo a través de la lente. Estos campos serán lente Ê, ac -.
- Con el fin de colocar la lente de campo E, una en su posición original, desplazar lateralmente una distancia de dx = 2,5 mm.
- Con el fin de colocar la lente de campo E, C en su posición original, desplazar lateralmente una distancia de dx = -2,5 mm.
- Sumar los tres campos de correo lente, CA, con el fin de combinarlos, y sintéticamente aumentar el tamaño de la abertura.
- Multiplique el campo resultante por exp (-πix 0 2) / λf), y el espacio libre se propagan a plano de la imagen.
- Una mejora de la resolución en un factor of 3 en la dirección de exploración debe ser presenciado.
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Representative Results
Un ejemplo para los nueve imágenes capturadas (tres imágenes de desenfoque en tres posiciones laterales) se muestra en la Figura 3.
Un ejemplo para la convergencia GS se muestra en la Figura 4. El coeficiente de correlación para la imagen central que 1, b es por encima de 0,95, y el coeficiente de correlación para las imágenes laterales que 1, una, y 1, c es por encima de 0,85 (en simulación numérica completa todos pasaron 0,99).
Un resultado representativo de la imagen SR se presenta en la Figura 5. En la LR imagen ninguna de las barras de resolución es visible. Sin embargo, en la imagen SR las barras horizontales son visibles, hasta el tercer elemento a la derecha. Observe que, dado que nuestro método aumenta sintéticamente la abertura sólo en la dirección x (la dirección de movimiento), no hay una mejora en las barras verticales.
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Figura 1. Configuración de laboratorio experimental completo. El montaje del experimento de laboratorio contiene un expansor de haz láser y un blanco de prueba de la USAF, una lente y una abertura, una cámara y dos etapas lineales. Haz clic aquí para ver la imagen más grande .
Figura 2. El sistema de imágenes. El sistema de imagen posicionada en la parte superior de dos móviles etapas lineales, lo que permite un movimiento preciso en las direcciones x, z. Haga clic aquí t o ver la imagen más grande.
Figura 3. Laboratorio adquirió imágenes de baja resolución. Nueve laboratorio adquirió imágenes de baja resolución de la que se recuperó la fase óptica y la imagen de súper resolución se generó. Imágenes I 1, ac fueron adquiridas en diferentes posiciones z en x = x 0 + dx. Del mismo modo, Imágenes I 2, ac fueron adquiridas en en x = x 0, y las imágenes que 3, AC han sido adquiridos en x = x 0 -. Dx clic aquí para ver la imagen más grande .
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Figura 4. Resultados de coeficiente de correlación de resultados de laboratorio sobre el coeficiente de correlación entre la intensidad obtenida. | P 1, AC |. 2 y las imágenes originales que 1, ac clic aquí para ver la imagen más grande .
Figura 5. SR resultados. Los resultados de laboratorio después de 100.000 GS iteraciones. Izquierda, el objeto original de alta resolución. Media, la imagen de baja resolución borrosa. Derecha, el obtenido imagen resuelta super. Haga clic aquí para ver la imagen más grande .
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Discussion
El radar de apertura sintética óptica conceptual (OSAR) que se presenta en este trabajo es un nuevo enfoque súper resuelto que utiliza el algoritmo GS y técnica de exploración con el fin de mejorar la resolución espacial de un objeto en la dirección de la exploración. El movimiento de la plataforma de formación de imágenes puede ser auto-generado durante el uso de una plataforma en el aire o vía satélite. A diferencia de muchas técnicas de multiplexación en el tiempo SR, nuestro método no requiere ninguna información a priori del objeto, otra que el hecho de que es estacionario durante el proceso de formación de imágenes. La técnica propuesta es para la mejora de la resolución en un factor de 3, en la dirección de exploración. La mejora en un factor de 3 es solo un ejemplo y factor de mejora más grande también son factibles. Sin embargo, la mejora de apertura sintética es limitada y no puede producir Número F sintética de menos de 1. Con el fin de extender el SR en 2-D, el proceso de exploración debe repetirse en la dirección y. La conce óptico propuestopt asemeja a la técnica de la RAE de mejora de la resolución que se aplica para el régimen de microondas.
Varias mejoras se pueden hacer en la configuración con el fin de hacer que sea más aplicable. Por ejemplo, el uso de divisores de haz, tres cámaras pueden ser introducidos en la configuración y capturar simultáneamente las tres imágenes desenfocado.
El tiempo de ejecución total de los resultados presentados, que consistía en 100.000 iteraciones, y tres posiciones laterales, fue ~ 30 hr. Cada iteración GS tomó alrededor de 0,3 seg. Ejecutar el algoritmo en un programa en tiempo real y la optimización para un procesador de este tipo puede reducir el tiempo de procesamiento por un factor de alrededor de 100.000. Por lo tanto, el tiempo total de tratamiento puede tomar sólo unos segundos. También tenga en cuenta que como se puede ver en la Figura 4, uno no necesita 100.000 ya que la convergencia se produce ya después de 10000 iteraciones.
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Disclosures
No hay nada que revelar.
Acknowledgments
Ninguno
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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