RU2533502C1 - Method of forming sub-diffraction resolution image - Google Patents
Method of forming sub-diffraction resolution image Download PDFInfo
- Publication number
- RU2533502C1 RU2533502C1 RU2013112488/08A RU2013112488A RU2533502C1 RU 2533502 C1 RU2533502 C1 RU 2533502C1 RU 2013112488/08 A RU2013112488/08 A RU 2013112488/08A RU 2013112488 A RU2013112488 A RU 2013112488A RU 2533502 C1 RU2533502 C1 RU 2533502C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- image
- optical system
- sources
- rectangular grid
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B23/00—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices
- G02B23/02—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors
- G02B23/06—Telescopes, e.g. binoculars; Periscopes; Instruments for viewing the inside of hollow bodies; Viewfinders; Optical aiming or sighting devices involving prisms or mirrors having a focussing action, e.g. parabolic mirror
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Astronomy & Astrophysics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам и устройствам радиовидения, радиолокации и радиоастрономии (далее все вместе - устройства радиовидения) миллиметрового, терагерцевого и дальнего инфракрасного диапазонов электромагнитного излучения и может быть использовано для построения радиоизображений различных объектов, являющихся источниками первичного и/или вторичного излучения радиоволн указанных диапазонов.The invention relates to methods and devices for radio-vision, radar and radio astronomy (hereinafter collectively, radio-vision devices) of millimeter, terahertz and far infrared ranges of electromagnetic radiation and can be used to construct radio images of various objects that are sources of primary and / or secondary radiation of radio waves of these ranges.
Устройства радиовидения используются для получения изображений различных объектов искусственного и естественного происхождения, являющихся источниками электромагнитного излучения. Такое устройство включает в себя оптическую систему, осуществляющую пространственное преобразование поля излучения источников. Типовым вариантом построения оптической системы является система, имеющая две фокальные плоскости. Идеальная оптическая система такого типа преобразует поле источников излучения, расположенных в одной фокальной плоскости, в электромагнитное поле (поле изображения) в другой фокальной плоскости. При этом преобразованное поле идентично исходному полю с точностью до линейного смещения и масштабирующего множителя, задающего сжатие или растяжение исходного поля. В неидеальной оптической системе существуют оптические искажения изображения (аберрации) и помехи шумовой и другой природы. Предлагаемый способ формирования изображения предназначен для избавления преобразованного поля от искажений и помех в неидеальной оптической системе и формирования (построения) соответствующего изображения, насколько возможно близкого к идеальному.Radio-vision devices are used to obtain images of various objects of artificial and natural origin, which are sources of electromagnetic radiation. Such a device includes an optical system that performs spatial transformation of the radiation field of the sources. A typical option for constructing an optical system is a system having two focal planes. An ideal optical system of this type converts the field of radiation sources located in one focal plane into an electromagnetic field (image field) in another focal plane. In this case, the transformed field is identical to the initial field with an accuracy of linear displacement and a scaling factor specifying the compression or extension of the initial field. In an imperfect optical system, there are optical image distortions (aberrations) and interference noise and other nature. The proposed method of image formation is intended to rid the converted field of distortion and interference in an imperfect optical system and the formation (construction) of the corresponding image, as close as possible to the ideal.
Принято плоскость, в которой расположены источники излучения, называть плоскостью источников изображения. Реконструированное изображение формируется в этой плоскости. Точки в плоскости источников изображения описываются в системе координат х0у.The plane in which the radiation sources are located is called the plane of the image sources. The reconstructed image is formed in this plane. Points in the plane of the image sources are described in the x0y coordinate system.
Вторую фокальную плоскость оптической системы, в которой создается преобразованное поле, называют просто фокальной плоскостью оптической системы. Она может быть единственной фокальной плоскостью в том случае, когда плоскость источников удалена на достаточно большое расстояние от оптической системы, которое можно считать бесконечным. Такая ситуация характерна для устройств радиоастрономии. Точки в фокальной плоскости оптической системы описываются в системе координат ξ0η.The second focal plane of the optical system in which the transformed field is created is simply called the focal plane of the optical system. It can be the only focal plane in the case when the source plane is removed at a sufficiently large distance from the optical system, which can be considered infinite. This situation is typical for radio astronomy devices. Points in the focal plane of the optical system are described in the coordinate system ξ0η.
В качестве оптической системы могут использоваться зеркальные антенны. Известна оптическая система в виде двухзеркальной антенны Кассегрена (Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высшая школа. 1988). Она может быть сфокусирована как на конечном, так и на бесконечном расстоянии до источника излучения.As an optical system, mirror antennas can be used. Known optical system in the form of a two-mirror Cassegrain antenna (Sazonov D.M. Antennas and microwave devices. M .: Higher school. 1988). It can be focused on both the finite and the infinite distance to the radiation source.
Известны оптические системы на основе диэлектрических линз (Зелкин Е.Г., Петрова Р.А. Линзовые антенны. М.: Советское радио, 1974). Для построения оптических систем используются также более сложные линзы, например, линза Ротмана и линза Люнеберга (Корнблит С., СВЧ оптика, М.: «Связь», 1980).Known optical systems based on dielectric lenses (Zelkin E.G., Petrova R.A. Lens antennas. M .: Soviet radio, 1974). To build optical systems, more complex lenses are also used, for example, the Rotman lens and the Luneberg lens (Kornblit S., Microwave optics, M .: Svyaz, 1980).
Известны стационарные и сканирующие оптические системы.Stationary and scanning optical systems are known.
Заявляемое изобретение относится к сканирующим оптическим системам. В них имеется возможность перемещения поля в фокальной плоскости. Такое перемещение достигается разными способами. Наиболее простым из них является перемещение всей оптической системы. В радиоастрономии при исследовании удаленных объектов используется частный вид перемещения оптической системы - ее вращение. Достоинством сканирования путем механического перемещения оптической системы является отсутствие дополнительных искажений - аберраций, связанных с процессом сканирования.The claimed invention relates to scanning optical systems. They have the ability to move the field in the focal plane. This movement is achieved in many ways. The simplest of these is the movement of the entire optical system. In radio astronomy, in the study of distant objects, a particular type of displacement of the optical system is used — its rotation. The advantage of scanning by mechanical movement of the optical system is the absence of additional distortions - aberrations associated with the scanning process.
Известна сканирующая оптическая система на основе двухзеркальной антенны Кассегрена, в которой сканирование достигается за счет перемещения вспомогательного зеркала - субрефлектора (May Т., Zieger G., Anders S., Zakosarenko V.M., Meyer H.-G., Thorwirth G., Kreysa E., Passive stand-off Terahertz imaging with 1 Hertz frame rate // Proc. SPIE, Vol.6949, 6949C (2008); DOI: 10.1117/12.777952). Перемещение субрефлектора, имеющего массу, существенно меньшую массы всей оптической системы, реализуется намного проще. Поэтому скорость сканирования в данном случае много больше, чем при перемещении всей оптической системы. Однако, перемещение субрефлектора приводит к появлению дополнительных аберраций оптической системы.Known scanning optical system based on a Cassegrain two-mirror antenna, in which scanning is achieved by moving an auxiliary mirror - a subreflector (May T., Zieger G., Anders S., Zakosarenko VM, Meyer H.-G., Thorwirth G., Kreysa E ., Passive stand-off Terahertz imaging with 1 Hertz frame rate // Proc. SPIE, Vol.6949, 6949C (2008); DOI: 10.1117 / 12.777952). Moving a subreflector having a mass substantially less than the mass of the entire optical system is much simpler. Therefore, the scanning speed in this case is much higher than when moving the entire optical system. However, the movement of the subreflector leads to the appearance of additional aberrations of the optical system.
Выше отмечалось, что идеальная оптическая система преобразует поле в плоскости источников изображения в поле в фокальной плоскости, осуществляя с ним две операции: перемещение и масштабирование. Как правило, оптические системы строятся так, что в них осуществляется сжатие поля. Математически преобразование поля источников с интенсивностью U(x, у) в поле в фокальной плоскости Uf(ξ, η) описывается для идеальной оптической системы следующим образом:It was noted above that an ideal optical system converts a field in the plane of image sources into a field in the focal plane, performing two operations with it: moving and scaling. As a rule, optical systems are constructed so that they compress the field. Mathematically, the transformation of the source field with intensity U (x, y) into a field in the focal plane U f (ξ, η) is described for an ideal optical system as follows:
где А - амплитудный множитель, α - коэффициент масштабирования поля, ξ', η' - параметры, задающие сдвиг поля, δ(x) - дельта функция, S - участок плоскости источников, в котором находятся источники изображения.where A is the amplitude factor, α is the field scaling factor, ξ ', η' are parameters defining the field shift, δ (x) is the delta function, S is the portion of the source plane in which the image sources are located.
Функция KOS(x, y, ξ, η), имеющая видThe function K OS (x, y, ξ, η), of the form
под интегралом в (1) называется аппаратной функцией оптической системы. Для конкретной реальной оптической системы она описывается более сложным образом, который позволяет учитывать существующие в ней аберрации.under the integral in (1) is called the hardware function of the optical system. For a specific real optical system, it is described in a more complex way, which allows one to take into account the aberrations existing in it.
Аберрации имеют разную физическую природу и по-разному влияют на вид аппаратной функции оптической системы. Известны геометрооптические аберрации: астигматизм, кома и т.д. Они связаны с тем, что оптическая система осуществляет фокусировку поля неидеально. Аберрации этого типа не носят принципиального характера. Они могут быть уменьшены путем улучшения оптической системы. В качестве путей улучшения можно указать увеличение точек идеальной фокусировки, то есть переход к полифокальным системам. Идеальной безаберрационной оптической системой, например, является упомянутая выше линза Люнеберга, представляющая собой сферу с переменной по радиусу диэлектрической проницаемостью.Aberrations have a different physical nature and affect the appearance of the hardware function of the optical system in different ways. Geometrical-optical aberrations are known: astigmatism, coma, etc. They are connected with the fact that the optical system focuses the field imperfectly. Aberrations of this type are not fundamental. They can be reduced by improving the optical system. As ways to improve, you can specify an increase in perfect focus points, that is, a transition to polyfocal systems. An ideal non-aberrational optical system, for example, is the Luneberg lens mentioned above, which is a sphere with a dielectric constant with variable radius.
Имеются также аберрации, связанные с волновой природой электромагнитного поля. Они носят принципиальный характер, поскольку устранить их путем улучшения конструкции оптической системы невозможно. Влияние таких аберраций на аппаратную функцию оптической системы KOS(x, y, ξ, η) выражается в том, что даже в отсутствие геометрооптических аберраций она не может быть представлена в виде произведения дельта функций. Типичная аппаратная функция оптической системы без геометрооптических аберраций имеет следующий вид:There are also aberrations associated with the wave nature of the electromagnetic field. They are of a fundamental nature, since it is impossible to eliminate them by improving the design of the optical system. The effect of such aberrations on the hardware function of the optical system K OS (x, y, ξ, η) is expressed in the fact that even in the absence of geometric-optical aberrations, it cannot be represented as a product of delta functions. A typical hardware function of an optical system without geometrical optical aberrations is as follows:
где b - параметр, определяемый оптической системой, J1(x) - функция Бесселя первого порядка. Параметр b=πD/λF обратно пропорционален длине волны λ.where b is the parameter determined by the optical system, J 1 (x) is the first-order Bessel function. The parameter b = πD / λF is inversely proportional to the wavelength λ.
Из выражений (2) и (3) видно, что любой точечный источник изображения, независимый или входящий в состав источников изображения, находящийся в плоскости источников изображения, превращается в фокальной плоскости в «пятно», ширина которого задается параметром b и свойствами оптической системы. Искажения такого типа получили название дифракционных искажений, а пятно, названное выше, получило название пятна Эйри (Сивухин Д.В., Общий курс физики, том IV, Оптика, Москва, Наука, 1985). Диаметр пятна Эйри h определяется так называемым критерием Рэлея, который устанавливает предел концентрации (фокусировки) электромагнитного поля с помощью оптических систем:It can be seen from expressions (2) and (3) that any point source of the image, independent or included in the composition of the image sources, located in the plane of the image sources, turns into a “spot” in the focal plane, the width of which is determined by the parameter b and the properties of the optical system. Distortions of this type were called diffraction distortions, and the spot named above was called the Airy spot (Sivukhin D.V., General Physics Course, Volume IV, Optics, Moscow, Nauka, 1985). The diameter of the Airy spot h is determined by the so-called Rayleigh criterion, which sets the limit of concentration (focusing) of the electromagnetic field using optical systems:
где λ - длина волны излучения, D - диаметр первичного зеркала или линзы оптической системы, F - фокусное расстояние оптической системы. Для однозеркальной или однолинзовой системы эквивалентное фокусное расстояние равно фокусному расстоянию зеркала или линзы. Для более сложных многоэлементных систем оно может быть определено по известным соотношениям.where λ is the radiation wavelength, D is the diameter of the primary mirror or lens of the optical system, F is the focal length of the optical system. For a single-mirror or single-lens system, the equivalent focal length is equal to the focal length of a mirror or lens. For more complex multi-element systems, it can be determined by known relations.
Диаметр пятна Эйри h является важным параметром оптической системы, который определяет ее собственную разрешающую способность в фокальной плоскости. Он показывает минимальное расстояние между полем точечных источников в фокальной плоскости, которое способна зарегистрировать данная оптическая система. Важно отметить, что в силу того, что оптическая система осуществляет масштабирующее преобразование поля в плоскости источников излучения к полю изображения в фокальной плоскости, то для определения минимального расстояния различимых точечных источников в плоскости источников ρ использовать параметр h непосредственно невозможно, поскольку указанное расстояние связано с ним следующим образом:The diameter of the Airy spot h is an important parameter of the optical system, which determines its own resolution in the focal plane. It shows the minimum distance between the field of point sources in the focal plane that this optical system can register. It is important to note that due to the fact that the optical system performs a scaling transformation of the field in the plane of the radiation sources to the image field in the focal plane, it is impossible to directly use the parameter h to determine the minimum distance of distinguishable point sources in the plane of the sources ρ, since the indicated distance is associated with it in the following way:
h=kρ,h = kρ,
где k - коэффициент сжатия поля, который обычно меньше единицы. При k>1 правильнее говорить о растяжении поля в фокальной плоскости.where k is the field compression coefficient, which is usually less than unity. For k> 1, it is more correct to speak of field extension in the focal plane.
Параметр ρ определяет собственную разрешающую способность оптической системы в плоскости источников.The parameter ρ determines the intrinsic resolution of the optical system in the plane of the sources.
Другим важным элементом системы радиовидения является матричный приемник. Матричный приемник представляет собой решетку приемных элементов, которые преобразуют энергию падающего на них электромагнитного поля изображения в электрические сигналы. Приемные элементы располагаются в фокальной плоскости оптической системы. Типичным является размещение приемных элементов периодически в узлах прямоугольной или гексагональной сеток.Another important element of a radio video system is the matrix receiver. The matrix receiver is a grid of receiving elements that convert the energy of the electromagnetic field of the image incident on them into electrical signals. The receiving elements are located in the focal plane of the optical system. Typical is the placement of receiving elements periodically in nodes of a rectangular or hexagonal grid.
Матричный приемник содержит М элементов, каждый из которых описывается своим номером m, 1≤m≤М. Электрический сигнал на выходе m-го приемного элемента pm связан с полем в фокальной плоскости следующим образом:The matrix receiver contains M elements, each of which is described by its number m, 1≤m≤M. The electrical signal at the output of the mth receiving element p m is connected to the field in the focal plane as follows:
гдеWhere
F(ξ, η) - известная весовая функция, которая определяется структурой приемного элемента, Sm - область в фокальной плоскости, в которой функция F(ξ, η) отлична от нуля, и А - амплитудный множитель.F (ξ, η) is the known weight function, which is determined by the structure of the receiving element, S m is the region in the focal plane in which the function F (ξ, η) is nonzero, and A is the amplitude factor.
Функции Km(х, у,) называются аппаратными функциями оптическойThe functions K m (x, y,) are called the optical
системы вместе с матричным приемником. Аппаратная функция сканирующей оптической системы в общем случае меняется в процессе сканирования. Для их описания используют функции с индексом KOS,n(x, y, ξ, η), которые являются аппаратными функциями оптической системы на каждом шаге сканирования. Соответственно для сканирующей оптической системы вместе с матричным приемником электрические сигналы и аппаратные функции также имеют два индекса: pn,m и Kn,m(x, y,).systems together with a matrix receiver. The hardware function of a scanning optical system generally changes during the scanning process. To describe them, we use functions with the index K OS, n (x, y, ξ, η), which are the hardware functions of the optical system at each scanning step. Accordingly, for a scanning optical system, together with the matrix receiver, the electrical signals and hardware functions also have two indices: p n, m and K n, m (x, y,).
Аппаратная функция комплекса "оптическая система плюс матричный приемник" является важнейшей характеристикой системы радиовидения. Она может быть рассчитана, а в практическом случае может быть получена в результате ее прямого измерения с помощью независимого точечного источника излучения с характеристикой U(x, y)=Сδ(x-x0)δ(у-у0), где С - интенсивность излучаемого этим источником сигнала, при пошаговом перемещении этого точечного источника в плоскости источников изображения и формирования массива значений соответствующих электрических сигналов на выходах матричного приемника. Из приведенных выше соотношений видно, что в этом случае сигналы pn,m совпадают с искомыми аппаратными функциями. Чтобы отличать их от электрических сигналов, получаемых при измерении излучения от изображения, обозначим их qn,m. Далее эта процедура рассмотрена более подробно.The hardware function of the complex “optical system plus matrix receiver” is the most important characteristic of a radio-vision system. It can be calculated, and in the practical case it can be obtained as a result of its direct measurement using an independent point radiation source with the characteristic U (x, y) = Сδ (xx 0 ) δ (у-у 0 ), where С is the intensity of the emitted this source of signal, with the stepwise movement of this point source in the plane of the image sources and the formation of an array of values of the corresponding electrical signals at the outputs of the matrix receiver. From the above relations it is seen that in this case the signals p n, m coincide with the desired hardware functions. To distinguish them from electrical signals obtained when measuring radiation from an image, we denote them by q n, m . Further this procedure is considered in more detail.
Известны разные способы получения изображения источников излучения с помощью сканирующей оптической системы. Они основаны на преобразовании указанного поля излучения на каждом шаге сканирования в электрические сигналы на выходах матричного приемника, который расположен в фокальной плоскости оптической системы, и формирования массива значений указанных электрических сигналов pn,m, 1≤n≤N, 1≤m≤М, N - общее число шагов перемещения поля излучения в ходе цикла сканирования, М - общее число элементов матричного приемника.There are various methods for obtaining images of radiation sources using a scanning optical system. They are based on the conversion of the specified radiation field at each scan step into electrical signals at the outputs of the matrix receiver, which is located in the focal plane of the optical system, and the formation of an array of values of the indicated electrical signals p n, m , 1≤n≤N, 1≤m≤M , N is the total number of steps of the radiation field moving during the scanning cycle, M is the total number of elements of the matrix receiver.
Известен наиболее простой способ получения изображения (Heinz E., May Т., Zieger G., Born D., Anders S., Thorwirth G., Zakosarenko V.М., Schubert М., Krause Т., Starkloff М., Kriiger A., Schulz М., Bauer F., Meyer H.-G., Passive Submillimeter-wave Stand-off Video Camera for Security Applications, J. Infrared Milli Terahz Waves, DOI 10.1007/s10762-010-9716-y, 28 Sept. 2010). Этот способ построения изображения основан на использовании функций отображения x(ξ, η), y(ξ, η). Функции отображения определяются в ходе калибровки системы радиовидения. Для каждого положения приемного элемента в фокальной плоскости, характеризуемого координатами ξ, η, может быть найден максимум аппаратной функции, который находится на плоскости источников в точке с координатами x, у. Функции отображения связывают координаты точек на плоскости источников с координатами точек в фокальной плоскости.The simplest image acquisition method is known (Heinz E., May T., Zieger G., Born D., Anders S., Thorwirth G., Zakosarenko V.M., Schubert M., Krause T., Starkloff M., Kriiger A., Schulz M., Bauer F., Meyer H.-G., Passive Submillimeter-wave Stand-off Video Camera for Security Applications, J. Infrared Milli Terahz Waves, DOI 10.1007 / s10762-010-9716-y, 28 Sept. 2010). This method of constructing an image is based on the use of the mapping functions x (ξ, η), y (ξ, η). The display functions are determined during the calibration of the radio system. For each position of the receiving element in the focal plane, characterized by the coordinates ξ, η, the maximum of the hardware function can be found, which is located on the source plane at the point with coordinates x, y. Display functions relate the coordinates of points in the source plane to the coordinates of points in the focal plane.
В рамках названного способа формируется массив значенийIn the framework of the above method, an array of values is formed
интенсивности изображения un,m следующим образом:image intensities u n, m as follows:
где pn,m - сформированный массив электрических сигналов, которые получены с выходов приемных элементов, расположенных в точках ξn,m, ηn,m. С помощью функций отображения находятся координаты точек xn,m, yn,m на плоскости источников, которые соответствуют массиву значений интенсивности изображения un,m. Массив дискретных значений интенсивности изображения несет достаточную информацию для построения методами аппроксимации непрерывной функции U(x, y), описывающей интенсивность изображения в некоторой области на плоскости источников.where p n, m is the generated array of electrical signals that are received from the outputs of the receiving elements located at the points ξ n, m , η n, m . Using the display functions, the coordinates of the points x n, m , y n, m on the plane of the sources that correspond to the array of image intensities u n, m are found . An array of discrete values of the image intensity carries enough information to construct by approximation methods a continuous function U (x, y) that describes the image intensity in a certain region on the source plane.
Недостатком такого способа построения изображения является его низкая разрешающая способность. Непосредственное использование массива электрических сигналов pn,m для формирования массива значений интенсивности изображения un,m не позволяет устранить влияние дифракционных искажений, связанных с конечными размерами пятна Эйри. В результате изображение оказывается «размытым». Оно не способно передать быстрых изменений распределения интенсивности источников излучения, расположенных в плоскости источников.The disadvantage of this method of constructing an image is its low resolution. The direct use of an array of electrical signals p n, m to form an array of image intensities u n, m does not allow us to eliminate the influence of diffraction distortions associated with the final size of the Airy spot. As a result, the image is “blurry”. It is not able to transmit rapid changes in the intensity distribution of radiation sources located in the plane of the sources.
Наиболее близкий способ построения изображения к заявляемому описан в патенте РФ (Выставкин А.Н., Пестряков А.В., Банков С.Е., Чеботарев В.М., Патент РФ на изобретение №2398253 «Устройство формирования изображения с субдифракционным разрешением», приоритет от 18 марта 2009 г.). В этом известном способе изображение источников излучения в диапазонах миллиметровых, терагерцевых и дальних инфракрасных волн, расположенных в плоскости источников, формируется с помощью оптической системы, выполненной с возможностью пошагового перемещения поля излучения, которое создается источниками излучения в фокальной плоскости оптической системы, путем преобразования указанного поля излучения на каждом шаге перемещения в электрические сигналы на выходах матричного приемника, который расположен в фокальной плоскости оптической системы, и последующего формирования массива значений указанных электрических сигналов pn,m. Поле излучения в фокальной плоскости оптической системы в известном способе построения изображения перемещается по окружности, то есть совершает круговое перемещение. При этом, центр этого перемещения смещен относительно центра матричного приемника. В плоскости источников вводится прямоугольная сетка с узлами в точках с координатами xi и yj, 1≤i≤Nx, 1≤j≤Ny, где Nx - число ячеек прямоугольной сетки по оси 0х, а Ny - число ячеек прямоугольной сетки по оси 0у. Далее формируется двумерный массив ui,j значений интенсивности изображения в узлах прямоугольной сетки, двумерный массив ui,j определяется из условия минимизации функционала L(u):The closest way to build the image to the claimed is described in the patent of the Russian Federation (Vystavkin A.N., Pestryakov A.V., Banks S.E., Chebotarev V.M., Patent of the Russian Federation for invention No. 2398253 "Image forming device with subdiffraction resolution" , priority of March 18, 2009). In this known method, the image of radiation sources in the ranges of millimeter, terahertz and far infrared waves located in the plane of the sources is formed using an optical system configured to stepwise move the radiation field, which is created by radiation sources in the focal plane of the optical system, by converting the specified field radiation at each step of moving into electrical signals at the outputs of the matrix receiver, which is located in the focal plane of the optical system, and the subsequent formation of an array of values of the indicated electrical signals p n, m . The radiation field in the focal plane of the optical system in a known method of constructing an image moves in a circle, that is, performs a circular movement. In this case, the center of this movement is offset from the center of the matrix receiver. In the source plane, a rectangular grid with nodes at the coordinates x i and y j , 1≤i≤N x , 1≤j≤N y , is introduced, where N x is the number of cells of the rectangular grid along the 0x axis, and N y is the number of cells rectangular grid along the 0y axis. Next, a two-dimensional array of u i, j values of the image intensity is formed at the nodes of the rectangular grid, a two-dimensional array u i, j is determined from the condition for minimizing the functional L (u):
гдеWhere
U(x, y)=ui,j U (x, y) = u i, j
xi≤x≤xi+1; yi≤y≤yi+1 x i ≤x≤x i + 1 ; y i ≤y≤y i + 1
и S - область, в которой строится изображение, α - малый параметр.and S is the region in which the image is built, α is a small parameter.
Такой способ построения изображения позволяет получать изображения с разрешающей способностью, превышающей ограничение, устанавливаемое критерием Рэлея.This method of constructing an image allows you to get images with a resolution that exceeds the limit set by the Rayleigh criterion.
Недостатком данного способа построения изображения является его неустойчивость по отношению к шумам и помехам других видов. Моделирование практического применения этого способа построения изображения (Bankov S.Е., Chebotarev V.М., Cherepenin V.A., Korjenevsky А.V., Pestryakov А.V., Vystavkin A.N., Image production with sub-diffraction resolution in radio vision devices of the terahertz range using receiving arrays and image scanning procedure, Vestnik Novosibirsk State University, Series: Physics, 2010, Volume 5, issue 4) показало, что формирование изображения с его помощью возможно при отношении сигнал/шум на выходах матричного приемника не меньшем 50. Под сигналом на выходе матричного приемника при определении отношения сигнал/шум понимается сигнал, который получается при настройке аппаратной функции оптической системы вместе с матричным приемником на максимум. Под шумом понимается собственный шум матричного приемника.The disadvantage of this method of constructing an image is its instability with respect to noise and interference of other types. Modeling the practical application of this image-building method (Bankov S.E., Chebotarev V.M., Cherepenin VA, Korjenevsky A.V., Pestryakov A.V., Vystavkin AN, Image production with sub-diffraction resolution in radio vision devices of the terahertz range using receiving arrays and image scanning procedure, Vestnik Novosibirsk State University, Series: Physics, 2010, Volume 5, issue 4) showed that image formation using it is possible with a signal-to-noise ratio at the outputs of the matrix receiver of at least 50. The signal at the output of the matrix receiver when determining the signal-to-noise ratio is understood as the signal that is obtained when setting up the hardware function uu optical system, together with a matrix receiver to maximum. Noise refers to the intrinsic noise of the matrix receiver.
Аналогичная картина имеет место и для других случаев применения названного метода с применением процедуры минимизации функционала (7).A similar picture holds for other cases of applying the named method using the functional minimization procedure (7).
Предлагаемое решение нацелено на получение технического результата, выражающегося в повышении разрешающей способности изображения при наличии оптических, конкретно дифракционных искажений, а также шумов и других помех. Получаемый результат выражается в построении в диапазонах миллиметровых, терагерцевых и дальних инфракрасных волн изображений источников излучения с четкостью, превышающей критерий Рэлея для оптической системы с заданными размерами при наличии помех разной природы. Достижение указанного технического результата позволяет снизить стоимость систем радиовидения за счет уменьшения размеров оптической системы при фиксированном уровне разрешающей способности изображения или повысить разрешающую способность при заданных размерах оптической системы.The proposed solution is aimed at obtaining a technical result, expressed in increasing the resolution of the image in the presence of optical, specifically diffraction distortion, as well as noise and other noise. The result obtained is expressed in the construction of images of radiation sources in the ranges of millimeter, terahertz and far infrared waves with a clarity exceeding the Rayleigh criterion for an optical system with given dimensions in the presence of interference of a different nature. Achieving the specified technical result allows to reduce the cost of radio-vision systems by reducing the size of the optical system at a fixed level of image resolution or to increase the resolution at given dimensions of the optical system.
Предлагаемый способ формирования изображения, создаваемого источниками излучения, которые излучают в диапазонах миллиметровых, терагерцевых и дальних инфракрасных волн и расположены в плоскости источников, с помощью оптической системы, выполненной с возможностью пошагового перемещения поля излучения, которое создается источниками излучения в фокальной плоскости оптической системы, путем преобразования указанного поля излучения на каждом шаге перемещения в электрические сигналы на выходах матричного приемника, который расположен в фокальной плоскости оптической системы, и последующего формирования массива значений указанных электрических сигналов pn,m, 1≤n≤N, 1≤m≤М, где pn,m - величина электрического сигнала на n-м шаге перемещения поля излучения на m-м выходе матричного приемника, N - общее число шагов перемещения поля излучения, М - общее число элементов матричного приемника, решает задачу формирования изображения с повышенным разрешением при наличии дифракционных искажений, а также шумов и других помех в оптической системе и окружающей среде.The proposed method of forming an image created by radiation sources that emit in the ranges of millimeter, terahertz and far infrared waves and are located in the plane of the sources, using an optical system configured to stepwise move the radiation field, which is created by radiation sources in the focal plane of the optical system, by converting the specified radiation field at each movement step into electrical signals at the outputs of the matrix receiver, which is located in the focal plane of the optical system, and the subsequent formation of an array of values of the indicated electrical signals p n, m , 1≤n≤N, 1≤m≤M, where p n, m is the magnitude of the electrical signal at the nth step of the radiation field moving by m -th output of the matrix receiver, N is the total number of steps to move the radiation field, M is the total number of elements of the matrix receiver, solves the problem of image formation with increased resolution in the presence of diffraction distortion, as well as noise and other interference in the optical system and the environment.
Эта задача решается за счет того, что в плоскости источников вводится прямоугольная сетка с узлами в точках с координатами xi и yi, 1≤i≤Nx, 1≤j≤Ny, где Nx - число ячеек прямоугольной сетки по оси 0х, а Ny - число ячеек прямоугольной сетки по оси 0у, в узлах прямоугольной сетки последовательно размещается независимый точечный источник, осуществляется пошаговое перемещение поля излучения точечного источника и формируется массив значений электрических сигналов на выходах матричного приемника qn,m,I,j, на каждом шаге перемещения поля излучения точечного источника для каждого положения точечного источника в узлах прямоугольной сетки формируется двумерный массив ui,j значений интенсивности изображения в узлах прямоугольной сетки, причем двумерный массив ui,j формируется из условия минимизации вариации интенсивности изображения L(u):This problem is solved due to the fact that in the plane of the sources a rectangular grid is introduced with nodes at points with coordinates x i and y i , 1≤i≤N x , 1≤j≤N y , where N x is the number of cells of the rectangular grid along the axis 0x, and N y is the number of cells of the rectangular grid along the 0y axis, an independent point source is sequentially placed in the nodes of the rectangular grid, the radiation field of the point source is stepwise moved, and an array of values of electrical signals is generated at the outputs of the matrix receiver q n, m, I, j , at each step of the radiation field of the target source for each position of the point source in the nodes of the rectangular grid, a two-dimensional array of image intensities u i, j of the image intensities in the nodes of the rectangular grid is formed, and the two-dimensional array u i, j is formed from the condition of minimizing the variation in image intensity L (u):
при ограниченияхunder restrictions
где Δxj=xj+1-Xj, Δyj=yj+1-yj, δ - заданная погрешность формирования массива значений интенсивности изображения в узлах прямоугольной сетки, размерность массива величин электрических сигналов на выходах матричного приемника NM выбирается большей числа узлов прямоугольной сетки NxNy. Это обеспечивает избыточность данных над числом переменных в задаче, что необходимо для получения ее решения.where Δx j = x j + 1 -X j , Δy j = y j + 1 -y j , δ is the specified error in the formation of an array of image intensity values in the nodes of a rectangular grid, the dimension of the array of quantities of electrical signals at the outputs of the matrix NM detector is selected with a larger number nodes of a rectangular grid N x N y . This ensures data redundancy over the number of variables in the problem, which is necessary to obtain its solution.
На фиг.1 показан один из возможных вариантов выполнения устройства, реализующего предлагаемый способ формирования изображения. Устройство содержит оптическую систему 1 и матричный приемник 2. Оптическая система 1 выполнена в виде двухзеркального телескопа по схеме Кассегрена. Она содержит главное зеркало 3 и субрефлектор 4. Субрефлектор 4 выполнен с возможностью перемещения, а конкретно, с возможностью вращения и изменения угла наклона относительно оси главного зеркала 3. Возможность вращения и изменения угла наклона обеспечивается комплектом из двух двигателей 5. Матричный приемник расположен в фокальной плоскости оптической системы 1.Figure 1 shows one of the possible embodiments of a device that implements the proposed method of image formation. The device contains an
Следует заметить, что возможны близкие варианты выполнения устройства, реализующего предлагаемый способ формирования изображения, например, с установкой на выходе оптической системы вращающегося К-зеркала, или другого подвижного зеркала или системы подвижных зеркал, осуществляющих пошаговое перемещение поля излучения в оптической системе. Описываемый способ формирования изображения с субдифракционным разрешением может быть реализован и с их помощью. Дальнейшее описание способа формирования изображения с субдифракционным разрешением проводится на примере оптической системы с двухзеркальной антенной Кассегрена.It should be noted that close variants of the device that implements the proposed method of image formation are possible, for example, with the installation of a rotating K-mirror at the output of the optical system, or another moving mirror or a system of moving mirrors that step-by-step moves the radiation field in the optical system. The described method of imaging with subdiffraction resolution can be implemented with their help. A further description of the method of imaging with subdiffraction resolution is carried out on the example of an optical system with a Cassegrain two-mirror antenna.
Сигналы pn,m и qn,m,I,j с выходов 6 матричного приемника 2 поступают в устройство запоминания массивов значений электрических сигналов 7, которое может быть выполнено в виде регистра памяти. Сформированные массивы значений электрических сигналов могут быть переданы с выхода устройства запоминания массивов значений электрических сигналов 7 на внешнее устройство для дальнейшего их использования при осуществлении способа формирования изображения.The signals p n, m and q n, m, I, j from the outputs 6 of the
На фиг.2 показан в качестве одного из вариантов элемент матричного приемника 2, который выполнен в виде иммерсионной линзы 8, которая объединена с подложкой. Подложка служит металлическим экраном, в котором выполнена двухщелевая антенна 9. На противоположной стороне подложки размещается проводник микрополосковой линии. В разрыв указанного проводника включен приемный элемент 10, который может быть выполнен, например, в виде сверхпроводникового болометра. Сверхпроводниковые болометры имеют низкий уровень собственных шумов и применяются в приемниках терагерцевого излучения. Низкочастотный сигнал с выхода сверхпроводникового болометра поступает в микрополосковую линию, которая используется в качестве выхода 6 матричного приемника 2.Figure 2 shows, as one of the options, the element of the
На фиг.3 показано размещение оптической системы 1 относительно плоскости источников 11. Источники излучения имеют различную природу. Это могут быть реальные источники излучения в виде излучателей, на которые подается мощность от генератора. Также источниками излучения могут служить отражающие объекты, которые рассеивают излучение от внешних источников, расположенных вне плоскости источников 11. Возможно также появление виртуальных источников, например, в виде излучения, проходящего через плоскость источников 11.Figure 3 shows the placement of the
Независимо от типа источника задачей устройства, реализующего способ формирования изображения, является построение изображения источников, расположенных в плоскости источников 11.Regardless of the type of source, the task of a device that implements an image forming method is to construct an image of sources located in the plane of
Плоскость источников 11 может находиться на конечном расстоянии от оптической системы 1. В этом случае оптическая система 1 должна быть сфокусирована на плоскость источников 11. В радиоастрономии плоскость источников 11 расположена на расстоянии, которое многократно превышает размеры оптической системы 1. Такое расстояние можно считать бесконечно большим. В этом случае оптическая система должна быть сфокусирована на бесконечность. Фокусировка на разные расстояния достигается выбором формы главного зеркала 3. При конечном расстоянии оно имеет эллиптическую форму, а при бесконечном - параболическую.The plane of the
Для формирования (построения) изображения, как указывалось выше, в плоскости источников 11 вводится прямоугольная сетка 12, как показано на фиг.4. Узлы прямоугольной сетки 12 характеризуются индексами i, j, которые изменяются в пределах:To form (build) the image, as indicated above, in the plane of the
где Nx и Ny - числа узлов прямоугольной сетки 12 по осям 0х и 0у, соответственно. Общее число узлов прямоугольной сетки 12 равно NxNy. Прямоугольная сетка 12 может быть выполнена с постоянным шагом, как показано на фиг.4. Она также может иметь переменный шаг Δxj=xj+1-xi по оси 0x или Δyj=yj+1-yj по оси 0у.where N x and N y are the numbers of nodes of a
Размерность массива величин электрических сигналов на выходах матричного приемника NM выбирается большей числа узлов прямоугольной сетки NxNy, о чем говорилось выше. Это неравенство определяет параметры перемещения поля излучения, которое создается источниками излучения в фокальной плоскости оптической системы 1.The dimension of the array of quantities of electrical signals at the outputs of the matrix receiver NM is selected by a larger number of nodes of a rectangular grid N x N y , as mentioned above. This inequality determines the parameters of the displacement of the radiation field, which is created by radiation sources in the focal plane of the
Рассмотрим детально формирование изображения в соответствии с предлагаемым способом. Изображение формируется в несколько этапов. На первом этапе оптическая система 1 и матричный приемник 2 принимают сигналы от источников излучения, которые назовем исследуемыми источниками излучения. Изображение исследуемых источников должно быть сформировано в соответствии с предлагаемым способом.Consider in detail the formation of the image in accordance with the proposed method. The image is formed in several stages. At the first stage, the
Излучение исследуемых источников преобразуется оптической системой 1 в поле излучения в фокальной плоскости оптической системы 1. Оптическая система 1 выполнена с возможностью пошагового перемещения поля излучения в фокальной плоскости. Цикл перемещения поля излучения в фокальной плоскости или цикл сканирования включает N шагов. Каждый шаг сканирования описывается номером n, 1≤n≤N. Матричный приемник 2 на каждом шаге перемещения поля излучения в фокальной плоскости оптической системы 1 преобразует поле излучения в фокальной плоскости оптической системы в электрические сигналы pn,m, 1≤m≤М, на выходах 6 матричного приемника 2. Здесь m - номер выхода 6 матричного приемника 2, а М - общее число выходов 6 матричного приемника 2. Множество электрических сигналов pn,m образует массив значений электрических сигналов p, который с выходов 6 поступает в устройство запоминания массива значений электрических сигналов 7.The radiation of the studied sources is converted by the
Процесс сканирования поясняется на фиг.5, на которой отображено пошаговое перемещение поля излучения, т.е. изображения в фокальной плоскости оптической системы 1, показанной на фиг.1. Оптическая система 1 в рассматриваемом примере сфокусирована на бесконечность и принимает поле излучения, которое создается спиральной галактикой M101. На фиг.5 белыми кружками условно показаны семь приемных элементов матричного приемника 2. Поле излучения в фокальной плоскости совершает круговое перемещение относительно неподвижного матричного приемника. При этом, центр изображения смещен относительно центра матричного приемника. На фиг.5 представлено четыре кадра, отображающих круговое перемещение для числа шагов N=4. В реальной процедуре сканирования их намного больше с тем, чтобы обеспечить условие NM>>NxNy, о котором говорилось выше и которое необходимо для получения решения задачи.The scanning process is illustrated in Fig. 5, which shows the stepwise movement of the radiation field, i.e. image in the focal plane of the
На втором этапе в плоскость источников 11 помещается независимый точечный источник большой интенсивности, излучающий в том же диапазоне радиоволн, что и исследуемые источники излучения. Под большой интенсивностью понимается такой уровень излучаемой мощности, который обеспечивает на каждом выходе 6 матричного приемника 2 в положении, соответствующем максимуму аппаратной функции, отношение сигнал/шум много большее единицы. В этом случае влияние шумов оказывается несущественным. Точечный источник имеет геометрические размеры, много меньшие длины волны в свободном пространстве. В качестве такого источника может использоваться, например, излучающий электрический диполь.At the second stage, an independent point source of high intensity is emitted into the plane of
Точечный источник последовательно помещается во все узлы прямоугольной сетки 12 с индексами i,j. Для каждого положения точечного источника осуществляется пошаговое круговое перемещение поля излучения в фокальной плоскости оптической системы 1 по той же стратегии, что и перемещение изображения на фиг.5. Одновременно с выходов 6 матричного приемника 2 снимаются электрические сигналы qn,m,I,j, которые поступают в устройство запоминания массивов электрических сигналов 7. Таким образом, формируется массив значений электрических сигналов q. МассивыA point source is sequentially placed in all nodes of a
значений электрических сигналов p и q используются на следующих этапах формирования изображения.the values of the electrical signals p and q are used in the next stages of image formation.
Изображение, подлежащее формированию, описывается функцией U(x, y), которая определена в плоскости источников 11. Эта функция пропорциональна интенсивности (мощности) источника в задаваемой точке с координатами x, у на плоскости источников 11. В соответствии с предлагаемым способом формирования изображения последнее представляет собой массив значений интенсивности изображения ui,j, в узлах прямоугольной сетки 12. Зная интенсивность изображения в дискретных точках, мы можем, если потребуется, найти ее значение в произвольной точке на плоскости источников 11, используя процедуру аппроксимации. Хорошо известный способ линейной аппроксимации позволяет записать интенсивность изображения в виде билинейной функции:The image to be formed is described by the function U (x, y), which is defined in the plane of
xi≤x≤xi+1, yj≤y≤yj+1.x i ≤x≤x i + 1 , y j ≤y≤y j + 1 .
На третьем этапе определяется массив значений интенсивности изображения ui,j, в узловых точках прямоугольной сетки 12. Он определяется, как уже было сказано, путем минимизации вариации интенсивности изображения L(u), которая определяется через сумму модулей разностей значений интенсивности изображения в соседних узловых точках прямоугольной сетки 12 соотношением (8). Минимизация вариации интенсивности изображения L(u) в записи (8) и (9) сводится к задаче линейного программирования, которая решается методом последовательного улучшения решения, известного также как симплекс-метод (Юдин Д.Б., Гольштейн Е.Г., Задачи и методы линейного программирования, Советское Радио, гл. 3 «Метод последовательного улучшения плана», Москва, 1961), который, в свою очередь, сводится к перебору вершин выпуклого многогранника с применением модифицированного метода последовательного улучшения плана, известного как метод обратной матрицы, при реализации которого используется априорная информация о решении, что дает возможность избежать потерь точности в процессе выполнения процедуры последовательного улучшения решения, обусловленных переопределенностью исходной задачи.At the third stage, an array of values of the image intensity u i, j is determined at the nodal points of the
Минимизация вариации интенсивности изображения обеспечивает устойчивость формируемого изображения по отношению к шумам и помехам стохастической природы, так как она исключает возможность появления в изображении резких случайных скачков, которые возникают при использовании известного способа формирования изображения, по которому изображение формируется путем минимизации функционала (7).Minimizing the variation in image intensity ensures the stability of the generated image with respect to noise and noise of a stochastic nature, since it eliminates the possibility of sharp random jumps in the image that occur when using the known method of image formation, by which the image is formed by minimizing the functional (7).
Условие (9) обеспечивает приближение формируемого изображения к истинному распределению исследуемых источников излучения в плоскости источников 11, описываемых значениями ui,j, в узловых точках прямоугольной сетки 12. Приближение достигается за счет того, что минимум вариации интенсивности изображения ищется в области, которая задается неравенством (9), в которое входят элементы массива значений электрических сигналов qn,m,i,j, полученные на втором этапе. Поскольку на втором этапе в качестве источника используется независимый точечный источник, то значения электрических сигналов qn,m,i,j совпадают со значениями аппаратной функции оптической системы 1, включающей в себя матричный приемник 2, в точках, которые определяются номерами m выходов 6 матричного приемника 2 на n-ом шаге сканирования при размещении точечного источника в узлах с индексами i, j.Condition (9) ensures that the generated image is closer to the true distribution of the studied radiation sources in the plane of the
Таким образом, выражение, стоящее в левой части неравенства (9) соответствует максимальному установленному отклонению δ между сигналами двух видов на выходах 6 матричного приемника 2 на всех шагах сканирования. Первый вид сигналов - это реальные сигналы из массива Pn,m, который был сформирован на первом этапе. Они созданы исследуемым источником излучения (объектом изучения). Второй вид сигналов - это сигналы, которые формируются с помощью описываемого метода с минимизацией вариации интенсивности изображения L(u) в записи (8) и (9) в плоскости источников 11 с интенсивностью излучения в узловых точках прямоугольной сетки 12 с индексами i,j, равные интенсивности компонентов формируемого (искомого) изображения, то есть элементов массива ui,j. Из неравенства (9) видно, что указанное отклонение не должно превышать заданную погрешность δ, что является гарантией того, что формируемое (искомое) изображение близко к распределению интенсивности исследуемых источников излучения (к реальному изображению).Thus, the expression on the left side of inequality (9) corresponds to the maximum set deviation δ between the signals of two types at the outputs 6 of the
Требование положительности элементов массива значений интенсивности изображения ui,j, исключает из указанного массива физически нереализуемые элементы, так как интенсивность изображения по определению является положительной величиной.The requirement that the elements of the array of values of the image intensity values u i, j be positive excludes physically unrealizable elements from the specified array, since the image intensity is, by definition, a positive value.
Возможен дополнительный вариант выполнения способа формирования изображения, отличающийся тем, что размеры ячеек прямоугольной сетки Δxi, Δyj, выбираются в соответствии с условием:An additional embodiment of the image forming method is possible, characterized in that the sizes of the cells of the rectangular grid Δx i , Δy j are selected in accordance with the condition:
К>1,K> 1,
где ρ - собственная разрешающая способность оптической системы в плоскости источников изображения, K - коэффициент улучшения разрешения изображения.where ρ is the intrinsic resolution of the optical system in the plane of the image sources, K is the coefficient of image resolution improvement.
Условие (12) является условием улучшения разрешения изображения по сравнению с собственной разрешающей способностью оптической системы 1, которая определяется дифракционными эффектами. Коэффициент улучшения разрешения изображения К показывает, во сколько раз уменьшается минимальное разрешимое расстояние между двумя точечными источниками излучения, расположенными в плоскости источников 11, которые могут быть различимы в формируемом изображении, по сравнению с параметром ρ.Condition (12) is a condition for improving image resolution compared to the intrinsic resolution of
Возможен дополнительный вариант выполнения способа формирования изображения, отличающийся тем, что шаг перемещения поля излучения s в фокальной плоскости оптической системы выбирается из условия:An additional embodiment of the image forming method is possible, characterized in that the step of moving the radiation field s in the focal plane of the optical system is selected from the condition:
где h - собственная разрешающая способность оптической системы в фокальной плоскости, К>1 тот же коэффициент улучшения разрешения изображения. Этот вариант дает возможность усиливать неравенство NM>NxMy, упомянутое выше.where h is the intrinsic resolution of the optical system in the focal plane, K> 1 is the same coefficient of image resolution improvement. This option makes it possible to strengthen the inequality NM> N x M y , mentioned above.
Возможен дополнительный вариант выполнения способа формирования изображения, отличающиеся тем, что элемент матричного приемника 2 выполнен с площадью, превышающей h2. Матричные приемники миллиметрового, терагерцевого и инфракрасного диапазонов являются весьма дорогостоящими устройствами. Традиционно размер элемента матричного приемника 2 выбирается близким к диаметру пятна Эйри h. Считается, что такой выбор размера обеспечивает приемлемую энергетическую эффективность без ухудшения разрешения изображения. При этом, для увеличения области, в которой формируется изображение необходимо увеличивать число элементов матричного приемника 2, поскольку увеличение размеров его элемента приведет к ухудшению разрешения изображения.An additional embodiment of the image forming method is possible, characterized in that the element of the
В предлагаемом варианте способа формирования изображения имеется возможность увеличения области, в которой формируется изображение за счет увеличения площади элемента матричного приемника 2. При этом, разрешение изображения не ухудшается в силу того, что увеличение площади элемента матричного приемника 2 эквивалентно увеличению размера пятна Эйри, то есть ухудшению разрешающей способности оптической системы 1 в фокальной плоскости. Однако, это ухудшение не принципиально для заявляемого способа формирования изображения, так как его разрешение может быть улучшено за счет описанной выше общей процедуры. Таким образом, может быть достигнуто уменьшение числа элементов матричного приемника 2 и уменьшена стоимость всей системы радиовидения.In the proposed embodiment of the image forming method, it is possible to increase the area in which the image is formed by increasing the area of the element of the
Эффективность предлагаемого способа формирования изображения подтверждается следующим примером численного моделирования. Решалась задача формирования изображения, создаваемого одномерными источниками излучения, которые распределены в плоскости источников 11 вдоль оси Ох. На фиг.6 сплошной кривой показано распределение интенсивности исследуемых источников в плоскости источников 11. Оно описывается ступенчатой функцией, которая моделирует два исследуемых отдельно расположенных источника, имеющих интенсивность 0.86 на интервале длиной 0.12 и расположенных на расстоянии 0.25 друг от друга. Видно, что распределение исследуемых источников излучения в данном примере имеет резкие скачки интенсивности. Отметим, что в примере численного моделирования использовались безразмерные координаты (относительные единицы), поскольку абсолютные значения размеров источников для моделирования предлагаемого способа формирования изображения значения не имеют. Важным параметром является отношение их размеров к ширине аппаратной функции.The effectiveness of the proposed method of image formation is confirmed by the following example of numerical simulation. The problem of forming an image created by one-dimensional radiation sources that are distributed in the plane of
Излучение источников проходит через оптическую систему 1. В рассматриваемом примере аппаратная функция оптической системы 1 описывается следующим выражением:The radiation of the sources passes through the
Из формулы (14) видно, что ширина аппаратной функции по уровню 0.5 от максимума конечна и равна 0.35. Аппаратная функция имеет одинаковую ширину в плоскости источников 11 и в фокальной плоскости, то есть ее коэффициент сжатия равен единице. Таким образом, ее собственные разрешающие способности ρ и h в указанных плоскостях одинаковы и равны 0.35.From formula (14) it can be seen that the width of the hardware function at a level of 0.5 from the maximum is finite and equal to 0.35. The hardware function has the same width in the plane of
Моделируемый матричный приемник 2 состоит из трех виртуальных приемников, расположенных с периодом 0.3. Размер элемента матричного приемника также равен 0.3. Поле в фокальной плоскости оптической системы перемещалось с шагом s=0.015. Матричный приемник 2 обеспечивал на своих выходах 6 отношение сигнал/шум, равное 30.The
Весовая функция F(ξ), описывающая элемент матричного приемника 2 принималась равной единице в области, занятой элементом матричного приемника 2, и равной нулю за ее пределами.The weight function F (ξ) describing the element of the
В соответствии с заявляемым способом формирования изображения, на первом этапе формировался массив значений электрических сигналов p, которые создавались исследуемым источником излучения (точки на фиг.6). Точки описывают массив значений сигналов pn, которые были получены со всех выходов 6 матричного приемника 2 на всех шагах перемещения поля излучения источников в фокальной плоскости оптической системы 1.In accordance with the claimed method of image formation, at the first stage, an array of values of electrical signals p was generated, which were created by the radiation source under study (points in Fig. 6). The points describe an array of signal values p n , which were obtained from all outputs 6 of the
Размерность данного массива N была равна 201. Из распределения значений сигналов (точки на фиг.6) видно, что формирование изображения по одному из известных способов, в соответствии с которым в качестве значений интенсивности изображения берутся элементы массива p (см. соотношение (6)), не может отразить резкие скачки в распределении интенсивности излучения исследуемых источников. Из фиг.6 также видна шумовая составляющая в зарегистрированных сигналах. Таким образом, использование данного известного способа формирования изображения не позволяет устранить искажения, обусловленные дифракционными эффектами и шумовыми помехами.The dimension of this array N was equal to 201. From the distribution of signal values (points in Fig. 6) it can be seen that image formation is one of the known methods, according to which the elements of the array p are taken as the values of the image intensity (see relation (6) ) cannot reflect sharp jumps in the distribution of the radiation intensity of the studied sources. 6 also shows the noise component in the recorded signals. Thus, the use of this known method of image formation does not eliminate distortions due to diffraction effects and noise interference.
На втором этапе в плоскости источников вводилась одномерная сетка с узлами в точках xi, i=1… Nx. Сетка имела равномерный шаг Δx=0.03. Параметр Nx=100. После этого формировался массив значений электрических сигналов q, которые создавались на выходах 6 матричного приемника 2 независимым точечным источником. На фиг.7 показано распределение значений электрических сигналов в массиве q по индексу i при фиксированных значениях индекса n.At the second stage, a one-dimensional grid with nodes at the points x i , i = 1 ... N x was introduced in the plane of the sources. The grid had a uniform pitch Δx = 0.03. Parameter N x = 100. After that, an array of values of electric signals q was formed, which were created at the outputs 6 of the
На третьем этапе формировался массив значений интенсивностиAt the third stage, an array of intensity values was formed
изображения ui. Формирование массива значений интенсивности изображения осуществлялось путем минимизации вариации интенсивности изображения L(u):images u i . The formation of an array of image intensity values was carried out by minimizing the variation in image intensity L (u):
при ограничениях:with restrictions:
где параметр δ выбирался равным 0.001. Соотношения (15) и (16) являются одномерным аналогом соотношений (8) и (9). Минимизация вариации интенсивности изображения L(u) осуществлялась на ЭВМ с использованием модифицированного симплекс-метода.where the parameter δ was chosen equal to 0.001. Relations (15) and (16) are a one-dimensional analogue of relations (8) and (9). Minimization of the variation in the image intensity L (u) was carried out on a computer using the modified simplex method.
На рис.8 показаны распределения интенсивности изображения, сформированные в соответствии с разными способами. Кривая 8.1 соответствует исходному распределению интенсивности излучения исследуемых источников излучения; она построена в несколько ином вертикальном масштабе и соответствует сплошной кривой на фиг.6, на которой дополнительной рамкой обозначена область фигуры 8. На кривой 8.2 показано изображение, полученное от источников излучения на фиг.8.1, прошедшее через оптическую систему, как описано выше, и сформированное с использованием заявляемого способа формирования изображения. Кривые 8.3 и 8.4 получены с использованием известного способа формирования изображения, при котором минимизируется функционал (7), сведенный также к одномерному виду; кривые 8.3 и 8.4 соответствуют разным значениям параметра α.Figure 8 shows the intensity distributions of the image formed in accordance with different methods. Curve 8.1 corresponds to the initial distribution of the radiation intensity of the studied radiation sources; it is constructed in a slightly different vertical scale and corresponds to the solid curve in Fig. 6, on which an additional frame denotes the region of Fig. 8. Curve 8.2 shows the image obtained from the radiation sources in Fig. 8.1, passed through the optical system, as described above, and formed using the proposed method of image formation. Curves 8.3 and 8.4 are obtained using the known method of image formation, in which the functional (7) is minimized, also reduced to a one-dimensional form; curves 8.3 and 8.4 correspond to different values of the parameter α.
Из фиг.8 видно, что изображение, сформированное в соответствии с предлагаемым способом (кривая 8.2) наиболее близко передает характерные особенности распределения интенсивности двух исследуемых источников. В частности, оно имеет такие же резкие скачки, которые присутствуют и в распределении интенсивности исследуемых источников. Также можно отметить, что в сформированном изображении четко различаются два отдельных разделенных в пространстве источника, что говорит о высокой степени разрешения, полученной с помощью предлагаемого способа формирования изображения.From Fig. 8 it can be seen that the image formed in accordance with the proposed method (curve 8.2) most closely conveys the characteristic features of the intensity distribution of the two studied sources. In particular, it has the same sharp jumps that are present in the intensity distribution of the studied sources. It can also be noted that in the generated image, two separate sources separated in space are clearly distinguished, which indicates a high degree of resolution obtained using the proposed image forming method.
Изображения, формируемые в соответствии с известными способами (кривые 8.3 и 8.4 на фиг.8) отличаются от распределения интенсивности исследуемых источников значительно сильнее, чем изображение, сформированное по предлагаемому способу. В них изображения двух исследуемых источников сливаются, что говорит о сравнительно низкой степени разрешения сформированного изображения. Таким образом, приведенный пример показывает, что использование предлагаемого способа формирования изображения обеспечивает достижение заявленной цели (технического результата), состоящей в повышении разрешения изображения при наличии дифракционных, шумовых и иных видов помех.Images formed in accordance with known methods (curves 8.3 and 8.4 in Fig. 8) differ from the intensity distribution of the studied sources much more strongly than the image formed by the proposed method. In them, the images of the two studied sources merge, which indicates a relatively low degree of resolution of the formed image. Thus, the above example shows that the use of the proposed method of image formation ensures the achievement of the stated goal (technical result), which consists in increasing the resolution of the image in the presence of diffraction, noise and other types of interference.
В заключение описания отметим, что изложенные в нем сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:In conclusion of the description, we note that the information contained in it indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:
- способ формирования изображения, создаваемого исследуемыми источниками излучения, которые излучают в диапазонах миллиметровых, терагерцевых и дальних инфракрасных волн, в приложении к устройству, реализующему его, предназначены для использования в промышленности, а именно в системах радиовидения;- a method of forming an image created by the studied radiation sources that emit in the ranges of millimeter, terahertz and far infrared waves, as applied to the device that implements it, are intended for use in industry, namely in radio-vision systems;
- для заявляемого способа формирования изображения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке способов;- for the inventive method of forming an image in the form as described in the claims, the possibility of its implementation using the methods described in the application is confirmed;
- заявляемый способ формирования изображения позволяет реализовать следующий технический результат: сохранить разрешающую способность изображений исследуемых источников излучения в диапазонах миллиметровых, терагерцевых и дальних инфракрасных волн при уменьшении размеров оптической системы и за счет этого снизить стоимость систем радиовидения указанных диапазонов или повысить разрешающую способность изображений исследуемых источников излучения при неизменных размерах оптической системы.- the claimed method of image formation allows you to implement the following technical result: to preserve the resolution of the images of the studied radiation sources in the ranges of millimeter, terahertz and far infrared waves while reducing the size of the optical system and thereby reduce the cost of radio-vision systems of these ranges or increase the resolution of images of the studied radiation sources with the same size of the optical system.
Claims (5)
что для повышения разрешения изображения при наличии дифракционных ограничений, шумов и других помех в плоскости источников вводится прямоугольная сетка с узлами в точках с координатами xi и yj, 1≤i≤Nx, 1≤j≤Ny, где Nx - число узлов прямоугольной сетки по оси 0х, а Ny - число узлов прямоугольной сетки по оси 0у, последовательно в узлах прямоугольной сетки размещается независимый точечный источник излучения, осуществляется пошаговое перемещение этого точечного источника и формируется массив значений электрических сигналов на выходах матричного приемника qn,m,i,j, на каждом шаге перемещения поля излучения точечного источника для каждого положения точечного источника в узлах прямоугольной сетки, независимо формируется двумерный массив ui,j значений интенсивности изображения в узлах прямоугольной сетки, причем этот двумерный массив формируется из условия минимизации вариации интенсивности изображения L(u):
при ограничениях
где Δxi=xi+1-xi, Δyj=yj+1-yj - размеры ячеек прямоугольной сетки, δ - заданная погрешность формирования массива значений интенсивности изображения в узлах прямоугольной сетки, размерность массива величин электрических сигналов на выходах матричного приемника NM выбирается большей числа узлов прямоугольной сетки NxNy.1. The method of forming an image created by radiation sources that emit in the ranges of millimeter, terahertz and far infrared waves and are located in the plane of the image sources, using an optical system configured to stepwise move the radiation field that is created by radiation sources in the focal plane of the optical system , by converting at each step of the movement of the specified radiation field from sources into electrical signals at the outputs of the matrix receiver, which located in the first focal plane of the optical system, and the subsequent formation of an array of values of said electrical signals p n, m, 1≤n≤N, 1≤m≤M, where p n, m - the electric signal to the n-th step of moving the radiation field at the mth output of the matrix receiver, N is the total number of steps for moving the radiation field, M is the total number of elements of the matrix receiver, characterized in
that to increase the resolution of the image in the presence of diffraction restrictions, noise and other noise in the source plane, a rectangular grid is introduced with nodes at the coordinates x i and y j , 1≤i≤N x , 1≤j≤N y , where N x - the number of nodes of a rectangular grid along the 0x axis, and N y is the number of nodes of a rectangular grid along the 0y axis, an independent point source of radiation is placed sequentially in the nodes of a rectangular grid, this point source is moved step by step, and an array of values of electric signals is generated at the matrix outputs of the second receiver q n, m, i, j , at each step of moving the radiation field of the point source for each position of the point source at the nodes of the rectangular grid, a two-dimensional array of u i, j values of the image intensity at the nodes of the rectangular grid is independently formed, and this two-dimensional array is formed from the condition of minimizing the variation in image intensity L (u):
under restrictions
where Δx i = x i + 1 -x i , Δy j = y j + 1 -y j are the sizes of the cells of the rectangular grid, δ is the specified error in the formation of the array of values of the image intensity at the nodes of the rectangular grid, the dimension of the array of quantities of electrical signals at the outputs of the matrix the NM receiver selects a larger number of nodes of a rectangular grid N x N y .
Δxi, Δyj≤ρ/K,
K>1,
где ρ - собственная разрешающая способность оптической системы в плоскости источников изображения, K - коэффициент улучшения разрешения изображения.2. The method according to paragraph 1, characterized in that the cell sizes of the rectangular grid Δx j , Δy j are selected in accordance with the condition:
Δx i , Δy j ≤ρ / K,
K> 1,
where ρ is the intrinsic resolution of the optical system in the plane of the image sources, K is the coefficient of image resolution improvement.
s≤h/K,
где h - собственная разрешающая способность оптической системы в фокальной плоскости.3. The method according to paragraph 1, characterized in that the step of moving the radiation field s in the focal plane of the optical system is selected from the condition:
s≤h / K,
where h is the intrinsic resolution of the optical system in the focal plane.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013112488/08A RU2533502C1 (en) | 2013-03-20 | 2013-03-20 | Method of forming sub-diffraction resolution image |
PCT/RU2014/000178 WO2014148955A1 (en) | 2013-03-20 | 2014-03-20 | Method for producing an image with subdiffraction resolution |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013112488/08A RU2533502C1 (en) | 2013-03-20 | 2013-03-20 | Method of forming sub-diffraction resolution image |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013112488A RU2013112488A (en) | 2014-09-27 |
RU2533502C1 true RU2533502C1 (en) | 2014-11-20 |
Family
ID=51580486
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013112488/08A RU2533502C1 (en) | 2013-03-20 | 2013-03-20 | Method of forming sub-diffraction resolution image |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2533502C1 (en) |
WO (1) | WO2014148955A1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5724044A (en) * | 1994-01-10 | 1998-03-03 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Electrically scanning microwave radiometer |
US6414606B1 (en) * | 1997-05-28 | 2002-07-02 | Trw Inc. | Enhanced paint for microwave/millimeter wave radiometric detection applications and method of road marker detection |
RU2218560C2 (en) * | 1997-09-16 | 2003-12-10 | Меторекс Интернешнел Ой | Submillimeter range system forming image |
RU2237267C2 (en) * | 2001-11-26 | 2004-09-27 | Волков Леонид Викторович | Method for forming images in millimeter and submillimeter waves range (variants) and system for forming images in millimeter and submilimeter waves range |
RU2357268C2 (en) * | 2003-12-05 | 2009-05-27 | СейфВью, Инк. | Active system with fixed antenna array for image formation in millimetre wave band |
RU2367976C2 (en) * | 2003-12-05 | 2009-09-20 | СейфВью, Инк. | Active system of image generation in millimetre range of waves |
RU2398253C1 (en) * | 2009-03-18 | 2010-08-27 | Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Device for image formation with subdiffraction resolution |
-
2013
- 2013-03-20 RU RU2013112488/08A patent/RU2533502C1/en not_active IP Right Cessation
-
2014
- 2014-03-20 WO PCT/RU2014/000178 patent/WO2014148955A1/en active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5724044A (en) * | 1994-01-10 | 1998-03-03 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Electrically scanning microwave radiometer |
US6414606B1 (en) * | 1997-05-28 | 2002-07-02 | Trw Inc. | Enhanced paint for microwave/millimeter wave radiometric detection applications and method of road marker detection |
RU2218560C2 (en) * | 1997-09-16 | 2003-12-10 | Меторекс Интернешнел Ой | Submillimeter range system forming image |
RU2237267C2 (en) * | 2001-11-26 | 2004-09-27 | Волков Леонид Викторович | Method for forming images in millimeter and submillimeter waves range (variants) and system for forming images in millimeter and submilimeter waves range |
RU2357268C2 (en) * | 2003-12-05 | 2009-05-27 | СейфВью, Инк. | Active system with fixed antenna array for image formation in millimetre wave band |
RU2367976C2 (en) * | 2003-12-05 | 2009-09-20 | СейфВью, Инк. | Active system of image generation in millimetre range of waves |
RU2398253C1 (en) * | 2009-03-18 | 2010-08-27 | Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук | Device for image formation with subdiffraction resolution |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2014148955A1 (en) | 2014-09-25 |
RU2013112488A (en) | 2014-09-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Ruze | Antenna tolerance theory—A review | |
JP6843600B2 (en) | Image acquisition device, image acquisition method and irradiation device using this | |
Schurig et al. | Negative index lens aberrations | |
Robertson et al. | 340-GHz 3D radar imaging test bed with 10-Hz frame rate | |
CN101975610B (en) | Light path structure of scanning and imaging spectrometer | |
TWI778526B (en) | Design method of an imaging spectrometer having a single freeform concave grating | |
RU2533502C1 (en) | Method of forming sub-diffraction resolution image | |
Llombart et al. | Refocusing a THz imaging radar: Implementation and measurements | |
Rachon et al. | Geometrical aberration suppression for large aperture sub-THz lenses | |
Mait et al. | 94-GHz imager with extended depth of field | |
Kucherenko et al. | Reconstruction of a wavefront distorted by atmospheric turbulence with account for optical scheme of the telescope | |
RU2398253C1 (en) | Device for image formation with subdiffraction resolution | |
Zhou et al. | Aspheric dielectric lens antenna for millimeter-wave imaging system | |
Zhang et al. | Focal Plane Array of Shaped Quartz Lenses for Wide Field-of-view Sub-millimeter Imaging Systems | |
JP2021081443A (en) | Image acquisition device, image acquisition method and irradiation device using the same | |
Sletten et al. | The paraboloid mirror | |
Kaloshin et al. | Synthesis of Planar Bifocal Two Mirror, Lens and Mirror-Lens Beamforming Systems | |
Molebny et al. | Free-form two-mirror antenna for millimeter wave imaging | |
Vystavkin et al. | Image reconstruction with sub-diffraction resolution in radio vision devices of millimeter and terahertz range using receiving arrays and image scanning | |
Zhou et al. | Bifocal Gregorian reflector antenna designed for terahertz imaging | |
Tamminen et al. | Developments of a reflectarray and its element characterization at millimeter wavelengths | |
Ho et al. | Spot Focusing Coma Correction by Linearly Polarized Dual-Transmitarray Antenna in the Terahertz Region | |
Shifrin | Forty years experience in development of statistical antenna theory: A review | |
Hammar | Optical Analysis and Characterisation of the Climate Research Instrument STEAMR | |
Song et al. | A 2-D Multi-Beam GRIN Lens Using Multilayer Metasurfaces |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150321 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20171009 |
|
PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20180312 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190321 |