Tempo Multiplexing Super Risoluzione Tecnica di imaging da una piattaforma mobile

Riepilogo

Un metodo per superare il limite di diffrazione ottica è presentato. Il metodo include un processo in due fasi: il recupero di fase ottica utilizzando l'algoritmo iterativo Gerchberg-Saxton, e spostamento sistema di imaging seguita dalla ripetizione del primo passo. Un sinteticamente maggiore apertura dell'obiettivo è generata lungo la direzione di movimento, producendo risoluzione di immagini superiore.

Abstract

Si propone un metodo per aumentare la risoluzione di un oggetto e superare il limite di diffrazione di un sistema ottico installato sopra un sistema di imaging in movimento, ad esempio una piattaforma aerea o satellitare. Il miglioramento risoluzione viene ottenuta in un processo a due fasi. In primo luogo, tre a bassa risoluzione le immagini in modo diverso sfocato vengono catturati e la fase ottica vengono recuperati utilizzando un iterativo algoritmo basato Gerchberg-Saxton migliorata. Il recupero fase permette di propagare numericamente indietro il campo per il piano di apertura. In secondo luogo, il sistema di imaging viene spostata e il primo passo è ripetuto. I campi ottici ottenuti in corrispondenza del piano del diaframma vengono combinati e un sinteticamente maggiore apertura dell'obiettivo è generata lungo la direzione di movimento, producendo risoluzione di immagini superiore. Il metodo assomiglia un approccio noto dal regime microonde chiamato il radar ad apertura sintetica (SAR), in cui le dimensioni dell'antenna viene aumentata sinteticamente lungo la piattaformadirezione di propagazione. Il metodo proposto è dimostrato attraverso esperimenti di laboratorio.

Introduzione

In immagini radar, un fascio stretto angolo di impulsi a radiofrequenza (RF) sono trasmessi usando un'antenna che è montato su una piattaforma. Il segnale radar trasmette in senso lato guardando verso la superficie ^1,2. Il segnale riflesso viene retrodiffusa dalla superficie ed è ricevuto dalla stessa antenna ^2. I segnali ricevuti vengono convertiti in un'immagine radar. In reale Aperture Radar (RAR) la risoluzione nella direzione azimutale è proporzionale alla lunghezza d'onda e inversamente proporzionale alla dimensione dell'apertura ^3. Così, una grande antenna è necessaria per la risoluzione azimutale superiore. Tuttavia, è difficile attaccare grande antenna a una piattaforme mobili come aerei e satelliti. Nel 1951 Wiley ⁴ proposto una nuova tecnica chiamata radar radar ad apertura sintetica (SAR), che utilizza l'effetto Doppler creata dal movimento della piattaforma di imaging. In SAR, l'ampiezza e la fase del segnale ricevuto vengono registrate ⁵ . Ciò è possibile perché la frequenza ottica SAR è circa 1-100 GHz ⁶ e la fase viene registrata utilizzando un risonatore locale di riferimento installato sopra la piattaforma. In imaging ottico, vengono utilizzati lunghezze d'onda più corte, come visibile e infrarosso vicino (NIR), che è di circa 1 micron, ossia la frequenza di circa 10 Hz. ^14. L'intensità di campo, piuttosto che il campo stesso, viene rilevato dalle barriere poiché le variazioni di fase ottica troppo veloci per rivelazione utilizzando rivelatori al silicio standard.

Mentre l'imaging un oggetto attraverso un sistema ottico, l'apertura delle ottiche funge da filtro passa-basso. Pertanto, le informazioni spaziali ad alta frequenza dell'oggetto è perso ^7. In questo articolo ci proponiamo di risolvere ciascuno dei temi di cui sopra separatamente, cioè alla fase perso e l'effetto limite di diffrazione.

Gerchberg e Saxton (GS) ⁸ suggerito che la fase ottica può essere retrieved utilizzando un processo iterativo. Misell ^9-11 ha esteso l'algoritmo per ogni due piani di ingresso e uscita. Questi approcci hanno dimostrato di convergere ad una distribuzione di fase con un minimo errore quadratico medio (MSE) ^12,13. Gur e Zalevsky ¹⁴ hanno presentato un metodo a tre piani che migliora l'algoritmo Misell.

Proponiamo e dimostrare sperimentalmente che il ripristino della fase mentre spostando la lente di imaging, come fatto con l'antenna in applicazione SAR ci permette di aumentare sinteticamente la dimensione effettiva del diaframma lungo l'asse di scansione e, infine, migliorare la risoluzione delle immagini comportato.

L'applicazione di SAR in imaging ottico utilizza l'interferometria e olografia è ben noto ^16,17. Tuttavia, il metodo proposto si rivolge per mimare una piattaforma di imaging scansione, che lo rende adatto per l'imaging non coerente (come piattaforma aerea lato cercando). Così, il concetto di olografia, which utilizza un fascio di riferimento, non è adatto per una tale applicazione. Invece, l'algoritmo Gerchberg-Saxton revisionato viene utilizzato al fine di recuperare la fase.

Protocollo

1. Impostazione di allineamento

1. Inizia di circa allineando il laser, il fascio expender, la lente, e la fotocamera sullo stesso asse, e questo sarà all'asse ottico.
2. Accendere il laser (senza bersaglio USAT), e assicurarsi che la luce passa attraverso il centro della lente. Utilizzare un'apertura del diaframma di verificare.
3. Accendere la fotocamera e accertarsi che la luce si concentra sul centro della fotocamera.
4. Spostare indietro la fotocamera, utilizzando la fase di z lineare. Dato che il sistema sta andando fuori fuoco, la macchia di luce crescerà. Assicurarsi che il centro della macchia rimane nella stessa posizione laterale. In caso contrario, cambiare accuratamente la posizione del sistema di imaging e ripetere l'operazione fino a quando il punto rimane nella stessa posizione spaziale, fino a un livello di pixel.

2. Imaging al Tre aerei di sfocatura

1. Inserire il target di test davanti alla expender fascio. Posizionare il bersaglio in modo che la luce che passa attraverso passerà thruvida centro della lente.
2. Catturare un'immagine. Questa immagine sarà un punto di ancoraggio, e la sua posizione sarà z _0, x ₀ (tutte le altre immagini saranno in riferimento alla sua posizione). L'immagine sarà I _{1, b.}
3. Spostare indietro la fotocamera (con la fase z lineare) una distanza di dz = 5,08 mm (0,2 in) e catturare un'immagine. L'immagine sarà I _{2, b.}
4. Spostare indietro la fotocamera un'altra distanza di dz = 5,08 millimetri (10,16 millimetri rispetto alla z ₀₎ e catturare un'immagine. L'immagine sarà I _{3, b.}
5. Torna alla z _0.

3. Scansione del diaframma

1. Spostare l'intero sistema di imaging lateralmente (usando l'x fase lineare) una distanza di dx = 2,5 mm ed acquisire un'immagine. Questa immagine sarà I _{1, a.}
2. Ripetere il processo nel protocollo 2. Spostare indietro la fotocamera (usando la fase lineare z) una distanza di dz = 5,08 mm, e catturare un'immagine (I _{2, a).} Spostare indietro the un'altra fotocamera a distanza di dz = 5,08 mm, e catturare un'immagine (I _{3, a).}
3. Ora, ripetere la procedura per l'altro lato. Spostare il sistema di imaging a distanza di dx = -2.5 mm e memorizzare una serie di tre immagini in tre posizioni z (I _{1-3, c).}
4. Torna alla z _0, x _0.

4. Phase Retrieval (Calcolo Numerico)

1. Utilizzando il metodo tre piani di ^14, e le immagini sono _{1-3, b,} recuperare la fase ottica dell'immagine I _{1, b.} Usando la fase che è stato recuperato, definire _{1 q, b.}
2. Monitorare il coefficiente di correlazione tra I _{1, b} e | _{1 q, b} | ^2, al fine di verificare che il processo iterativo converge. Per fare ciò, utilizzare la funzione 'corr2' in MATLAB.
3. Ripetere il processo di recupero di fase per I _{1-3, una,} e io _{1-3, c.}

5. Immagine Super Risolto (Calcolo Numerico)

1. Ucantare Fresnel spazio propagazione libera (FSP) solidale ^15, torna propagare i campi _{1 q, ac} al piano lente. Questi campi saranno _{lente Ê, ac} ^+.
2. Moltiplicare i campi risultanti _{lente Ê, ac} ⁺ da exp (+ πix ₀ ²⁾ / ÀF), per passare indietro attraverso la lente. Questi campi saranno _{lente Ê, ac} ^-.
3. Per posizionare la _lente Ê _{campo, una} nella sua posizione originale, spostare lateralmente una distanza di dx = 2,5 mm.
4. Per posizionare la _lente Ê _{campo, c} nella sua posizione originale, spostare lateralmente una distanza di dx = -2.5 mm.
5. Sommare _obiettivo i tre campi _{Ê, ac,} al fine di combinarli, e sinteticamente aumentare la dimensione di apertura.
6. Moltiplicare il campo risultante da exp (-πix ₀ ²⁾ / ÀF), e lo spazio libero propaga al piano dell'immagine.
7. Un miglioramento risoluzione di un fattore of 3 nella direzione di scansione deve essere assistito.

Risultati

Un esempio per i nove immagini catturate (tre immagini di sfocatura in tre posizioni laterali) è mostrato in Figura 3.

Un esempio per la convergenza GS è mostrato in Figura 4. Il coefficiente di correlazione per l'immagine centrale I _{1, b} è superiore a 0,95, e il coefficiente di correlazione per le immagini laterali I _{1, una,} e I _{1, c} è superiore a 0,85 (in pieno simulazione numerica che tutti passati 0,99).

Discussione

L'apertura ottica RADAR sintetica concetto (OSAR) che viene presentato in questo documento è un nuovo approccio eccellente deliberato che utilizza l'algoritmo GS e tecnica di scansione per migliorare la risoluzione spaziale di un oggetto nella direzione della scansione. Il movimento della piattaforma di imaging può essere auto-generato durante l'utilizzo di una piattaforma aerea o satellitare. A differenza di molte tecniche multiplazione temporale SR, il nostro metodo non richiede alcuna informazione a...

Materiali

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