Tiempo Multiplexing Súper Resolución Técnica de la Imagen de una plataforma móvil

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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 . Esto es posible ya que la frecuencia óptica SAR es aproximadamente 1-100 GHz 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.

Protocolo

1. Alineación de configuración

1. 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.
2. 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.
3. Encienda la cámara y asegúrese de que la luz se concentra en el centro de la cámara.
4. 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

1. 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.
2. 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.}
3. 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.}
4. 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.}
5. Volver a z _0.

3. El escaneo de la apertura

1. 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.}
2. 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).}
3. 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).}
4. Volver a z _0, x _0.

4. Recuperación Fase (Cálculo Numérico)

1. 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.}
2. 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.
3. Repita el proceso de recuperación de la fase de I _{1-3, una,} y _{1-3, c.}

5. Imagen de Super resuelto (Cálculo Numérico)

1. 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} ^+.
2. 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} ^-.
3. Con el fin de colocar la _{lente de} campo _{E, una} en su posición original, desplazar lateralmente una distancia de dx = 2,5 mm.
4. Con el fin de colocar la _{lente de} campo _{E, C} en su posición original, desplazar lateralmente una distancia de dx = -2,5 mm.
5. Sumar los tres campos de correo _{lente, CA,} con el fin de combinarlos, y sintéticamente aumentar el tamaño de la abertura.
6. Multiplique el campo resultante por exp (-πix ₀ ²⁾ / λf), y el espacio libre se propagan a plano de la imagen.
7. Una mejora de la resolución en un factor of 3 en la dirección de exploración debe ser presenciado.

Resultados

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 tod...

Discusión

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...

Materiales

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