Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2015, № 12 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

The simulating of image formation with subdiffraction resolution using one-dimensional experimental structure of scanning single aperture terahertz telescope

A.N. Vystavkin1,2,3, S.E. Bankov1,2,3, M.E. Zhukovskij2,3,4,5, S.V. Podoljako2,3,4,5, O.V. Korjukin1, I.N. Kazantsev1, A.G. Kovalenko1, E.A. Vystavkin1,2,3, A.S. Iliin1

1 Kotelnikov IRE RAS, Moscow, Russia
2 ООО “Лаборатория Терагерцовых Радиометров”, участник Инновационного Центра Сколково, Russia
3 LLC “Laboratory of Terahertz Radiometers”, the participant of Skolkovo Innovation Center
4 Институт Прикладной Математики им. М.В. Келдыша РАН, Russia
5 M.V. Keldysh Institute of Applied Mathematics of RAS, Russia
Full text UDC 520.622 EDN VHTMWD

Abstract

A method is proposed that allows to largely overcome the diffraction limit, as well as noise and other interferences in radio imaging devices (including ground and space telescopes) of millimeter, terahertz and far infrared ranges of the electromagnetic radiation in conformity with problems of reconstruction of images of the observing objects (the density distribution of sources). The spatial (angular) resolution and precision of the distributions of the observing sources are significantly higher in comparison with existing radio imaging devices of the specified ranges. This article describes the mathematical methods used to solve these problems. The article focuses on the simplest problem of the simulating of the image formation with a subdiffraction resolution using a one-dimensional experimental model of single aperture telescope. It is described the named experimental model and the corresponding experimental setup, the main components of which are the source of the electromagnetic radiation with a wavelength of mm on the basis of the backward wave tube, the telescope imitator based on two paired Teflon lenses, the radiation detector in the form of optic-acoustic receiver (Golay cell) and two precision coordinate tables with the electrical drive that moves the telescope imitator and the Golay cell. Due to the said moving the work of the telescope itself and the image being observed are imitated. The result of the modeling has revealed itself in the estimation of improvement of the spatial (angular) resolution of radio the imaging devices of the specified above ranges up to ~ 150 times.

  • radioastronomy and radio imaging devices of terahertz range of electromagnetic radiation
  • ground and space telescopes
  • methods of improving the characteristics
  • including the angular resolution
  • of telescopes and radio imaging devices
  • устройства радиовидения
  • включая радиоастрономические телескопы терагерцового диапазона
  • наземные и космические
  • методы улучшения характеристик
  • включая пространственное разрешение
  • телескопов и других устройств радиовидения
Аннотация (на русском)

Применение способа последовательного улучшения решения в соответствии с модифицированным симплекс методом линейного программирования в задачах формирования изображений в устройствах радиовидения с максимально высоким пространственным разрешением наблюдаемых изображений

Авторами статьи предложен способ формирования изображения, создаваемого источниками излучения, которые излучают в диапазонах миллиметровых, терагерцовых и дальних инфракрасных волн и расположены в плоскости источников изображения, с помощью оптической системы радиовидения, выполненной с возможностью пошагового перемещения поля излучения, которое создается источниками излучения в фокальной плоскости оптической системы, путем преобразования на каждом шаге перемещения указанного поля излучения от источников в электрические сигналы на выходах матричного приемника, который расположен в фокальной плоскости оптической системы, и последующего формирования массива значений указанных электрических сигналов,, где - величина электрического сигнала на n -ом шаге перемещения поля излучения на -ом выходе матричного приемника, - общее число шагов перемещения поля излучения, - общее число элементов матричного приемника. Из измеренных величин формируется интегральное уравнение первого рода, содержащее искомое распределение источников, образующих наблюдаемые изображения. Соответствующая задача отыскания указанной функции является некорректно поставленной. Неустойчивость некорректных задач и неточная информация о входных данных требуют разработки т. н. регуляризирующих алгоритмов. Требования к этим алгоритмам повышаются при рассмотрении задач, точные решения которых являются функциями, обладающими сложной структурой (разрывы, угловые точки и т.п.). Уточнить характер искомого решения позволяет использование априорной информации различного типа. Авторами статьи разработана, продемонстрирована и введена в пользование система алгоритмов, содержащая названные выше методы. Центральным моментом алгоритмов является способ определения минимума вариации интенсивности наблюдаемого изображения, который ищется путем последовательного улучшения решения в соответствии с модифицированным симплекс методом линейного программирования. Способ продемонстрирован на модельной структуре устройства радиовидения терагерцового диапазона.

For citation

Vystavkin A.N., Bankov S.E., Zhukovskij M.E., Podoljako S.V., Korjukin O.V., Kazantsev I.N., Kovalenko A.G., Vystavkin E.A., Iliin A.S. The simulating of image formation with subdiffraction resolution using one-dimensional experimental structure of scanning single aperture terahertz telescope // Journal of Radio Electronics. – 2015. – No. 12.

References

  1. A.N. Vystavkin, S.E. Bankov, M.E. Zhukovskiy, S.V. Podoljako, The patent of RF №2533502, “The method of the image formation with the subdiffraction resolution”, priority date 20.02.2013.
  2. A.N. Tikhonov, V.Ja. Arsenin,“Methods of solution of ill-posed problems”, Moscow, “Nauka”, 1986.
  3. V.P. Zagonov, S.V. Podoljako, “Some algorithms of approximate solution of integral equations of the first kind in the presence of a priori restrictions”, Mathematical Modeling”, 1992, v. 4, №4, p. 89-100.
  4. V.P. Zagonov, “Some variational methods for constructing approximations of nonsmooth solutions of ill-posed problems”, The Journal of Computational Mathematics and Mathematical Physics”, 1987, v. 27, № 11, p. 1614-1627.
  5. V.P. Zagonov, “On approximation of nonsmooth solutions to ill-posed problems in the Hausdorff metric”, Preprint of IAM named after M.V. Keldysh, 1990, №158.
  6. Ju.A. Kriksin, “Numerical solution of integral equations of the first kind by the method of local residual”, Preprint of IAM named after M.V. Keldysh, 1986, № 52.
  7. M.E. Zhukovskiy, G.-R. Jaenisch, A. Deresch, S.V. Podoliako, Mathematical modeling of radiography experiments. Beitrag zu einem Tagungsband: 18th WCNDT - World conference on nondestructive testing (Proceedings) (2012), Paper 305, 1-7 ISBN 978-0-620-52872-6.
  8. N.A. Irisova, The metric of submillimeter waves, Vestnik of Soviet Academy of Sciences, 1968, issue 10, p. 63.
  9. SPF Electric Drive, http://www.eprivod.ru/index.htm.
  10. I.A. Cohn, A.G. Kovalenko and A.N. Vystavkin, Experimental research control software system, Journal of Physics: Conference Series, vol. 510, no. 1, p. 012004. IOP Publishing, 2014.