이동 플랫폼에서 이미징 시간 다중화 슈퍼 해결 기법

Engineering

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Summary

광 회절 한계를 극복하기위한 방법이 제시된다. 광학 반복 Gerchberg - 스턴 알고리즘을 이용하여 위상 검색 및 첫 번째 단계의 반복 하였다 이미징 시스템 변속 : 상기 방법은 두 단계를 포함한다. 합성 증가 렌즈 구경보다 높은 이미징 해상도를 수득 이동 방향을 따라 발생한다.

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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).

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Abstract

우리는 객체의 해상도를 증가 등 공수 플랫폼이나 위성 방송과 같은 움직이는 이미징 시스템의 상부에 설치된 광학계의 회절 한계를 극복하기위한 방법을 제안한다. 해상도 개선은 두 단계 과정에서 얻어진다. 첫째, 세 가지 해상도가 낮은 다른 defocused 표시 이미지가 캡처되는 광 단계는 개선 된 반복 Gerchberg-스턴 기반의 알고리즘을 사용하여 검색됩니다. 위상 검색이 수치 다시 조리개 비행기에 필드를 전파 할 수 있습니다. 둘째, 영상 시스템은 시프트되고 첫 번째 단계는 반복된다. 조리개 평면에서 얻어진 광학 필드가 결합되어 합성 증가 렌즈 구경보다 높은 이미징 해상도를 수득 이동 방향을 따라 발생한다. 상기 방법은 마이크로파 정권에서 잘 알려진 방법은 안테나의 크기는 합성 플랫폼을 따라 증가되는 합성 개구 레이더 (SAR)이라는 유사한전파 방향. 제안 된 방법은 실험실 실험을 통해 입증된다.

Introduction

레이더 이미징, 펄스 무선 주파수 (RF)의 협각 빔은 플랫폼 상에 장착되는 안테나를 사용하여 전송된다. 레이더 신호는 표면 1,2 향해 측방 방향으로 전송한다. 반사 된 신호는 표면으로부터 후방 산란되고, 동일한 안테나 (2)에 의해 수신된다. 수신 된 신호는 레이더 이미지로 변환됩니다. 레알 개구 레이더 (RAR)에 방위각 방향의 해상도는 조리개 차원 내지 3 파장에 비례하고 반비례한다. 따라서, 더 큰 안테나는 높은 방위 확인을 위해 필요합니다. 그러나, 이러한 비행기와 위성 등 이동 플랫폼으로 큰 안테나를 부착하는 것이 곤란하다. 1951 와일리 4 이미징 플랫폼의 움직임에 의해 생성 된 도플러 효과를 사용한다 (SAR) 합성 개구 레이더라는 새로운 레이더 기술을 제안했다. SAR에서 진폭뿐만 아니라 수신 된 신호의 위상은 5 기록된다 6 단계가 플랫폼 위에 설치 기준 지역 공진기를 사용하여 기록하기 때문에이 가능합니다. 광학 영상에서 짧은 파장은 가시로 사용되는 약 1 μm의 인 근적외선 (NIR), 약 10 ~ 14 Hz 인 즉, 주파수. 전계 강도보다는 필드 자체는, 표준 실리콘 기반 검출기를 사용하여 검출 용 너무 빠른 광학 위상 변화 이후 검출되고있다.

광학계를 통해 물체를 이미징하는 동안, 광학 조리개는 저역 통과 필터로서 기능한다. 따라서, 개체의 고주파 공간 정보 (7)를 분실한다. 본 논문에서는 위상이 손실 및 회절 한계 효과 즉, 개별적으로 위에서 언급 한 문제를 각각 해결하는 것을 목표로하고 있습니다.

Gerchberg와 스턴 (GS)는 8은 광 위상 retrie 될 수 있다는 것을 제안반복적 인 프로세스를 사용 VED. Misell 9-11은 두 개의 입력 및 출력 플레인에 대한 알고리즘을 확장했다. 이러한 접근 방식은 최소 평균 제곱 오차 (MSE) 12, 13와 위상 분포에 수렴 입증된다. GUR 및 Zalevsky 14 Misell 알고리즘을 개선하는 세 가지 평면 방법을 제시했다.

우리는 SAR 애플리케이션에서의 안테나로 이루어 같이, 촬상 렌즈를 이동하면서 위상을 복원해도주세요 합성 스캐닝 축을 따라 개구의 유효 크기를 증가시키고, 결국 결과 영상의 해상도를 향상시킬 수 있음을 제안하고 실험적으로 입증.

간섭과 홀로그래피를 사용하여 광학 이미징 SAR의 응용 프로그램은 16, 17 잘 알려져있다. 그러나, 제안 된 방법 (예 : 측방 공중 플랫폼으로) 비코 히어 런트 이미지에 적합하고, 스캔 이미징 플랫폼을 흉내을 목적으로하고 있습니다. 따라서, 홀로그래피의 개념, WHI채널은, 기준 빔을 사용하여 이러한 애플리케이션에 적합하지 않다. 대신, 개정 Gerchberg-스턴 알고리즘은 위상을 검색하기 위해 사용됩니다.

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Protocol

1. 설치 정렬

  1. 대략 동일 축 상에 레이저 빔 expender, 렌즈 및 카메라를 정렬하여 시작, 이것은 광축 것이다.
  2. (USAT 대상 제외) 레이저를 켜고 빛이 렌즈의 중심을 통과해야합니다. 확인 구경 조리개를 사용합니다.
  3. 카메라의 전원을 켜고, 그리고 빛이 카메라의 중심에 초점을 맞추고 있는지 확인하십시오.
  4. 선형 Z 스테이지를 사용하여, 백 카메라 시프트. 시스템의 초점이 맞지 것입니다 때문에, 빛의 반점은 성장할 것이다. 그 자리의 중심이 같은 측면 위치에 남아 있는지 확인합니다. 그렇지 않다면, 정중 이미징 시스템의 위치를​​ 변경하고 스폿이 화소 레벨까지, 동일한 공간 위치에 유지 될 때까지이 과정을 반복한다.

2. 세 디 포커스 비행기에서 영상

  1. 빔 expender 앞의 테스트 대상을 삽입합니다. 그것을 통과하는 빛이 일을 통과 할 수 있도록 대상을 놓고렌즈의 거친 중앙.
  2. 이미지를 캡처합니다. 이 이미지는 앵커 포인트가 될 것이며, 그 위치가 Z 0이됩니다, X 0 (다른 모든 이미지의 위치를 참조 할 것). 이 이미지는 I 1, B가됩니다.
  3. (선형 Z의 단계를 사용하여) DZ = 5.08 mm (또는 0.2)의 거리를 카메라를 뒤로 이동하고 이미지를 캡처합니다. 이 이미지는 I 2, B가됩니다.
  4. 카메라에게 DZ = 5.08 mm의 또 다른 거리 (Z 0을 기준으로 10.16 mm)를 다시 이동하고 이미지를 캡처합니다. 이 이미지는 I 3, B가됩니다.
  5. 다시 Z 0으로 이동합니다.

3. 조리개를 스캔

  1. (선형 X 스테이지를 사용하는) 측​​방 DX = 2.5 mm의 거리를 전체 이미징 시스템을 이동 및 이미지를 캡처. 이 이미지는 I 1이됩니다.
  2. 프로토콜 2의 과정을 반복합니다. (선형 Z 스테이지를 사용하는) 카메라 DZ = 5.08 mm의 거리를 확대 시프트, 및 이미지를 캡처 (I 2). 일을 뒤로 이동전자 카메라 DZ = 5.08 mm의 다른 거리 및 이미지를 캡처 (I 03).
  3. 이제, 다른 쪽의 절차를 반복합니다. 이미징 시스템에게 DX = -2.5 mm의 거리를 이동하고 세 Z 위치에 세 이미지의 집합을 캡처 (I 1-3 C).
  4. Z 0, X 0으로 돌아갑니다.

4. 위상 불러 오기 (수치 계산)

  1. 세 개의 평면 방법 (14), 및 이미지 I 1-3, B를 사용하여, 나는 1, B. 검색 한 단계를 사용하여, B, Q 1을 정의하는 이미지의 광학 위상을 검색 할 수 있습니다.
  2. 반복 프로세스가 수렴 않는지 확인하기 위해 2, | Q 1, B | I 1, B 사이의 상관 계수를 모니터링한다. 이렇게하려면, MATLAB의 'corr2'기능을 사용합니다.
  3. I 1-3, 그리고 1-3, C의 위상 검색 과정을 반복합니다.

5. 슈퍼 해결 이미지 (수치 계산)

  1. 유통합 15, 다시 렌즈면에 필드에게 Q 1, 교류를 전파 프레 넬 자유 공간 전파 (FSP)을 노래. 이 필드는 Ê 렌즈, 교류 +됩니다.
  2. 다시 렌즈를 통해 전달하기 위해, 특급 (+ πix 0 2) / λf)에 의해 생성 된 필드에게 전자 렌즈, 교류 +를 곱합니다. -이 필드는 Ê 렌즈, 교류 될 것입니다.
  3. 필드 Ê 렌즈를 배치하기 위해, 원래 위치에서 측 방향 DX = 2.5 mm의 거리를 이동.
  4. 측 방향 DX = -2.5 mm의 거리를 이동하여, 원래의 위치 C에서, 전계 Ê 렌즈를 배치하기 위하여.
  5. 그들을 결합하고, 합성 개구 크기를 증가시키기 위해 세 개의 필드 렌즈 Ê, AC를 화.
  6. (-πix 0 2) / λf) 전문가에 의해 생성 된 필드를 곱하면, 여유 공간은 이미지 평면에 전파.
  7. 인자 O에 의해 해상도 향상주사 방향의 F 3 목격한다.

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Representative Results

아홉 촬영 된 이미지 (세 가지 측면 위치에있는 세 개의 디 포커스 이미지)에 대한 예는 그림 3에서 볼 수 있습니다.

GS 컨버전스 대한 예가도 4에 도시된다. 나는 1 중앙 이미지의 상관 계수는, B는 0.95 이상이고, 사이드 이미지 I 1의 상관 계수,, 그리고 1, C는 (그들 모두가 0.99를 통과 전체 수치 시뮬레이션에) 0.85 이상입니다.

SR 이미지에 대한 대표적인 결과는 그림 5에 표시됩니다. 해상도 바의 LR 이미지 없음에 볼 수 있습니다. 그러나, SR 콘텐츠에 수평 바는 오른쪽으로 세 번째 요소까지 볼 수 있습니다. 우리의 방법은 합성 적으로 만 X 방향 (이동 방향)으로 조리개를 증가하기 때문에, 세로줄의 개선이 보이지 않을 것을 주목하라.

1 "FO : 콘텐츠 너비 =" "FO : SRC ="5 인치 / files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "SRC ="/ files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "폭 ="600PX "/>
그림 1. 전체 실험 실험실 설치. 실험 실험실 설치가 레이저 빔 확장기, USAF 테스트 대상 렌즈와 조리개, 카메라, 및 2 개의 선형 단계가 포함되어 있습니다. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 2
그림 2. 이미징 시스템. 이미징 시스템은 X의 정확한 움직임을 허용이 움직이는 선형 스테이지의 상부에 위치, Z 방향. 여기 t O 큰 이미지를 볼 수 있습니다.

그림 3
그림 3. 연구소는 낮은 해상도의 이미지를 인수했다. 나인 실험실 광 위상을 검색하고, 최고 해상도의 이미지가 생성되는 낮은 해상도의 이미지를 인수했다. 이미지 I 1, AC는 X = X 0 + DX 다른 Z 위치에 인수되었다. 마찬가지로, 이미지 I 2, AC는 X = X 0에서 취득한 및 이미지 I 3, AC는 X = X 0에있는 인수했다 -. DX는 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

PG "SRC ="/ files/ftp_upload/51148/51148fig4.jpg "폭 ="600PX "/>
그림 4. 상관 계수 결과 얻어진 강도 사이의 상관 계수 실험 결과 |. P 1, AC |. 2의 원래 이미지 I 1, 교류는 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

그림 5
그림 5. SR 결과. 실험 결과 100,000 GS 반복 후. 왼쪽, 원래의 높은 해상도 개체입니다. 중동, 흐린 낮은 해상도 이미지입니다. 오른쪽, 얻어진 슈퍼 해결 이미지. 더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오 .

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Discussion

이 논문에 제시되어 광 합성 개구 레이더 (OSAR) 개념은 스캔 방향 객체의 공간 해상도를 향상시키기 위해서 GS 알고리즘 및 스캐닝 기술을 사용하는 새로운 수퍼 해결 방법이다. 이미징 플랫폼의 이동은 자체 생성 된 공기 또는 위성 플랫폼을 사용하는 동안이 될 수 있습니다. 많은 시간 다중화 SR 기술과는 달리, 우리의 방법은 화상 형성 공정 동안 정지한다는 사실 이외의 다른 개체의 어떠한 선험적 인 정보를 필요로하지 않는다. 제안 된 기술은 주사 방향으로 3 배만큼 해상도 개선이다. (3)의 요인에 의한 개선은 단지 예이며, 더 큰 개선 인자도 가능하다. 그러나, 합성 개구 개선은 제한되고 1 미만인 합성 F 번호를 얻을 수 없다. 2-D로 SR을 연장하기 위해, 스캐닝 프로세스는 y 방향으로 반복되어야한다. 제안 된 광 concePT는 마이크로파 체제에 적용되는 해상도 개선 SAR 기법을 닮는다.

몇몇 개선이 더 적용하게하기 위해 셋업에서 만들어 질 수있다. 예를 들어, 빔 스플리터를 사용하여, 세 개의 카메라 설치에 도입하고 동시에 세 defocused 표시 이미지를 캡처 할 수있다.

10 만 반복하고, 세 가지 측면의 위치로 구성 제시된 결과의 총 실행 시간은 ~ 30 시간이었다. 각 GS의 반복은 약 0.3 초​​ 걸렸다. 실시간 프로그램의 알고리즘을 실행하고 이러한 프로세서는 약 100,000의 인자에 의해 처리 시간을 줄일 수 위해 최적화. 따라서, 전체 처리 시간은 단 몇 초 정도 걸릴 수 있습니다. 또한 컨버전스는 이미 후 10,000 반복을 발생하기 때문에 그림 4에서 볼 수있는 바와 같이, 하나는 10를 필요로하지 않을 수 있음을 양해 해 주시기 바랍니다.

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Disclosures

공개 아무것도 없다.

Acknowledgments

없음

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

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References

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