可動プラットホームからの撮像のための時間多重超解像技術

Engineering

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Summary

光の回折限界を克服するための方法が提示される。光学的反復Gerchberg-Saxtonのアルゴリズムを用いて位相回復、及び第1ステップの繰り返しが続くイメージングシステムシフト:この方法は、二段階プロセスを含む。合成的に増加したレンズ口径より高い撮像分解能が得られる、移動方向に沿って生成される。

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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

我々は、オブジェクトの解像度を増加させ、そのような空中プラットフォームまたは衛星等の移動撮像システムの上に設置された光学系の回折限界を克服するための方法を提案する。解像度向上は、2段階のプロセスで得られる。まず、3つの低解像度の異なる方法でデフォーカス画像がキャプチャされ、光位相は、改善された反復Gerchberg-サクストンベースのアルゴリズムを使用して取得されます。位相回復は数値的に戻って開口面にフィールドを伝播することができます。第二に、撮像システムがシフトされ、最初のステップは繰り返される。開口面で得られた光のフィールドが組み合わされ、合成的に増加したレンズ口径より高い撮像分解能が得られる、移動方向に沿って生成される。この方法は、マイクロ波領域からよく知られているアプローチは、アンテナのサイズは、合成プラットフォームに沿って増加させた合成開口レーダ(SAR)と呼ばれる類似している伝搬方向。提案手法は、実験室での実験により実証されている。

Introduction

レーダイメージングでは、パルス無線周波数(RF)の狭角ビームは、プラットフォーム上に装着されたアンテナを用いて送信される。レーダ信号は、表面1,2に向けた側に見える方向に送信します。反射信号は、表面から後方散乱され、同じアンテナ2で受信される。受信された信号は、レーダー画像に変換される。実開口レーダ(RAR)においてアジマス方向の分解能は波長に比例し、開口寸法3に反比例する。このように、より大きなアンテナが高い方位分解能に必要です。しかし、このような航空機や人工衛星等の移動プラットフォームに大アンテナを取り付けることは困難である。 1951年、ワイリー4は撮影台の移動によって作成されたドップラー効果を利用した合成開口レーダ(SAR)と呼ばれる新しいレーダー技術を提案した。 SARは、振幅並びに受信信号の位相が記録されている5 6と位相は、プラットフォーム上にインストール基準局所共振器を用いて記録されているので、これは可能である。光学イメージングにおいて、より短い波長は、例えば約10〜14ヘルツの、すなわち 、可視および近赤外(NIR)、約1μmである周波数として、使用されている。むしろフィールド自体よりも電界強度は、標準的なシリコンベースの検出器を用いて検出するための速すぎる光学位相が変化するので検出されている。

光学系を介して被写体を撮像しつつ、光学系の開口は、ローパスフィルタとして機能する。このように、対象物の高域空間情報は、7を失っている。本論文では、位相が失われ、回折限界の影響、 すなわち 、別々に上記の問題のそれぞれを解決することを目指しています。

Gerchbergとサクストン(GS)8は、光の位相をretrieできることが示唆反復プロセスを使用してVED。 Misell 9月11日は、任意の2つの入力と出力の飛行機のためのアルゴリズムを拡張しました。これらのアプローチは、最小平均二乗誤差(MSE)12,13と位相分布に収束することが証明されている。 GURとZalevsky 14は Misellアルゴリズムを改善し3平面方式を提示した。

我々は、SARアプリケーションのアンテナを用いて行われるように、結像レンズをずらしながら位相を復元するボランティア合成的に走査軸に沿った開口部の有効サイズを増加させ、最終的に得られた撮像分解能を改善することを可能にすることを提案し、実験的に実証している。

ホログラフィ干渉法を用いる光学イメージングにおけるSARの適用は、16,17周知である。しかし、提案された方法は、(このような側面に見える空中プラットフォームとして)非コヒーレントイメージングに適して、走査型イメージングプラットフォームを模倣するために目的としています。このように、ホログラフィーの概念、WHIchが、参照ビームを使用するような用途には適していない。代わりに、修正されたGerchberg-Saxtonのアルゴリズムは、位相を取得するために使用される。

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Protocol

1。セットアップアライメント

  1. ほぼ同じ軸上にレーザビームexpender、レンズ、カメラを位置合わせすることによって開始し、これは光軸である。
  2. (USATターゲットなし)レーザーの電源を入れ、光がレンズの中心を通過することを確認してください。確認するために開口絞りを使用してください。
  3. カメラの電源を入れ、光がカメラの中心に焦点を当てていることを確認してください。
  4. リニアZステージを使用して、カメラをバックにシフト。システムが合って起こっているので、光のスポットが大きくなります。スポットの中心が同じ横位置のままであることを確認してください。そうでない場合は、慎重にイメージングシステムの位置を変更したり、スポットがピクセル·レベルまで、同じ空間位置に残るまで、この手順を繰り返します。

2。三つのデフォーカス飛行機でのイメージング

  1. ビームexpenderの前にテスト対象を挿入します。それを通過する光は目を通過するように目標を置きますレンズのラフセンター。
  2. イメージをキャプチャします。この画像はアンカーポイントとなり、その位置はZ 0になり、X 0(他のすべての画像がその場所への参照になります)。この画像は私が1、Bになります。
  3. DZ = 5.08ミリメートル(または0.2)での距離(直線Zステージを使用して)、カメラをバックにシフトしてイメージをキャプチャします。この画像は、I 2、Bになります。
  4. カメラのDZ = 5.08ミリメートル(Z 0からの相対10.16ミリメートル)の別の距離をバックにシフトしてイメージをキャプチャします。この画像は私が3、Bになります。
  5. バックZ 0に戻ります。

3。開口部をスキャンする

  1. (直線xのステージを使用して)横方向にdxの= 2.5mmの距離を全体の撮像システムをシフトして画像を取り込む。この画像は私が1、となります。
  2. プロトコル2での処理を繰り返します。 (線状のzステージを使用して)、カメラのdz = 5.08ミリメートルの距離をバックシフトし、画像を取り込む(I 2、a)に 。目をバックにシフトEカメラDZ = 5.08ミリメートルの別の距離、画像を取り込む(I 3、A)。
  3. さて、もう一方の側のために手順を繰り返します。イメージングシステムをDX = -2.5ミリメートルの距離をシフトし、3つのZ位置に3組の画像をキャプチャ(I 1-3、C)。
  4. Z 0、X 0に戻ります。

4。位相回復(数値計算)

  1. 私は、私は、検索された相を用いた。B、画像の光位相を取得し、B、3面法14、および画像を1 1-3使用して、Q 1、Bを定義します。
  2. 反復プロセスが収束しないことを確認するために、2 | qは1、B | I 1、b及び間の相関係数を監視する。そのためには、MATLABの「CORR2 '関数を使用します。
  3. 1-3、およびI 1-3、C場合は位相回復プロセスを繰り返します。

5。スーパー解像度画像(数値計算)

  1. Uインテグラル15、背面レンズ面にフィールドをQ 1、ACを伝播フレネル自由空間伝搬(FSP)を歌う。これらのフィールドは、電子レンズ、AC +になります。
  2. バックレンズを通過するためには、EXP(+πix0 2)/λF)によって生じたフィールドに電子レンズは、AC +を掛けます。 -これらのフィールドは、電子レンズ、ACになります。
  3. フィールドÊ レンズを配置するために元の位置で、横方向のdx = 2.5mmの距離を、それをシフトする。
  4. フィールドÊ レンズを配置するために元の位置における c、横方向のdx = -2.5ミリメートルの距離を、それをシフトする。
  5. それらを結合、および合成開口サイズを大きくするために、三つのフィールドÊ レンズ、交流を合計する。
  6. 像面に伝播EXP(-πix0 2)/λF)、フリースペースで結果のフィールドを掛けます。
  7. 係数Oによる分解能向上走査方向のF 3を目撃しなければならない。

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Representative Results

9撮影画像(三横方向位置三デフォーカス画像)の例を図3に示されている。

GS収束のための例が図4に示されている。中央の画像の相関係数I 1、bは 0.95以上である、及び側面画像I 1の相関係数およびI 1、cは (それらはすべて150を通過した完全な数値シミュレーションにおいて)、0.85以上である。

SR画像用の代表的結果を図5に提示される。解像度バーのLR画像なしで表示されます。しかし、SR画像に水平バーは、左から3番目の要素まで表示されます。本手法は、合成はX方向(移動方向)に開口を増加するので、縦線が改善されないことに注意してください。

1 "FO:コンテンツの幅=" "FO:SRC =" 5インチ/ files/ftp_upload/51148/51148fig1highres.jpg "SRC =" / files/ftp_upload/51148/51148fig1.jpg "幅=" 600PX "/>
図1。フル実験室のセットアップ。実験室のセットアップは、レーザーとビームエキスパンダー、USAFテストターゲット、レンズと絞り、カメラ、2リニアステージが含まれています。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

図2
図2。撮像システム撮像システムは、X内の正確な移動を可能にする、2つの移動リニアステージの上に配置、z方向。 ここをクリックしてくださいトン Oの商品一覧を見る

図3
図3。研究室では、低解像度画像を取得しました。ナイン研究室では、光の位相を取得し、超解像画像を生成した低解像度画像を取得しました。画像I 1、交流は、X = X 0 + dxの他のz位置で取得した。同様に、画像I 2、ACは 、X = X 0に、取得し、画像I 3、ACは、X = X 0に、取得した- 。DX 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

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図4。相関係数の結果得られた強度の間の相関係数の検査結果|。P 1、AC |。2、元画像I 1、ACは 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

図5
図5。 SRの結果10万のGS反復後の検査結果。左、オリジナルの高解像度オブジェクト。中間は、低解像度画像をぼやけ。右、取得した超解像画像。 拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください

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Discussion

本論文で提示されている光学用合成開口レーダ(OSAR)の概念は、スキャンの方向に物体の空間分解能を向上させるために、GSアルゴリズムと走査技術を使用して新しいスーパー解決アプローチです。空中または衛星プラットフォームを使用しながら、撮影台の移動は、自己生成することができる。多くの時間多重SR技術とは異なり、我々の方法は、画像化プロセス中に静止しているという事実以外のオブジェクトの任意の事前情報を必要としない。本手法は、走査方向に3倍に高解像度化するためのものである。 3倍の改善は一例であり、より大きな改善率も実現可能である。しかしながら、合成開口改善は限られており、1未満の合成Fナンバーを得ることができない。 2-DにSRを拡張するために、走査プロセスは、y方向に繰り返されるべきである。提案された光学concePTは、マイクロ波領域に適用され、解像度の向上、SAR手法に似ている。

いくつかの改良は、より適用可能にするためにセットアップで行うことができる。例えば、ビームスプリッタを用いて、3つのカメラは、セットアップ中に導入し、同時に3デフォーカス画像をキャプチャすることができる。

10万反復からなる提示された結果、三横方向位置の総実行時間は、約30時間であった。各GSの繰り返しは、約0.3秒を要した。リアルタイム·プログラムにアルゴリズムを実行し、そのようなプロセッサは、約100,000倍の処理時間を短縮することができるためにそれを最適化する。このため、全体の処理時間は数秒かかる場合があります。また、収束が既に後万回の繰り返しを発生するため、図4から分かるように、1 10万を必要としませんのでご注意ください。

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Disclosures

開示することは何もありません。

Acknowledgments

なし

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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