Устройство для восстановления изображения удаленных объектов

Устройство для восстановления изображения удаленных объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к оптической обработке информации и может использоваться для восстановлеТТия изображений удаленных объектов, наблюдаемых через искажающую среду. Цель изобретения - расширение области применения устройства за счет расширения класса наблюдаемых объектов. Снижение времени наблюдения объекта достигается введением в устройство поляризатора, двух светоделителей, светоотражателя, призмы Дове и двух полуволновых, пластин. Геометрия оптической системы устройства обеспечивает восстановление изображения по однократно регистрируемой интерференционной картине 1 ил.

,БЦ,,1756911 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСП/БЛИК (si)s 6 06 К 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКН ГСССР

ОЛЙСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОФЯУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Й .

1 " - - . ..... : .*. 2 (21) 4852492/24 ..::. : . обработке информации и может использо(22) 18,07,90 .:;:::::: ваться для восСтановлейия изображений (46) 23,08,92, Бюл, К 31 - --.;.::: .: .- удаленных объектов, "наблюдаемых через (71) Нижегородский государственный уни-: искажающую среду, Цель изобретения— верситет им.Н.И;Лобачевского ..:;-, - . расширение области применения устройст- . (72) В.Г,Закйн и E,È;Tîëêoàà:.;. ., .,-, ва за счет расширения класса наблюдаемых (56) Токовинин А.А. Звездные интерферо-: обьектов. Снижение временй наблюдения метры, — M. Наука, 1988, -:: ::. - : - объекта достигается введением вустройстАвторское свидетельство СССР. ", .::-: во поляризатора, двух светоделителей, све-.

bL 1439635, кл, 6 06 К 9/00, 1988,:::.:, .... тоотражателя, прйзмы Дове и двух полуволновых пластин. Геометрия оптиче(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕ-: скойсистемы устройстваобеспечиваетвосйИЯ ИЗОВРАжЕНИЯ УДАЛЕННЫХ 06Ъ- ;: становление изображения по" однократно =КТОВ ...: .:- . . регистрируемой интерференционной карти(57) Изобретение относится к оптической .не. 1 ил,, Изобретейие относится к оптической: ной по ряду короткоэкспозиционных интер рбработке информации и может бйть. ис- ферограмм с независимыми искажениями. пользовано для восстановления изображе- Время наблюдейия обьекта для этих усйия удаленных обьектов, наблюдаемых тройств многогранно мнотократно превос- (Я через искажающую среду(атмосферу) как в ходит время одной экспозиции (число О астрономии, так и при наблюдении земных усреднений обычно составляет 50 — 1000), объектов, .. -... -: :-"::.:-...:.: Наиболее близким техническим реше-

Известны устройства, используемые в нием к предлагаемому является устройство целяхвосстановления изображения, в кото- gita восстановления- изображения удаленрых принятое излучение расщепляется на ных обьектов, содержащеетелескоп, светодва пучка, образующие интерференцион- делитель, два отражателя, фазосдвигающие . ную картину, видность которой определяет .оптические клинья, раСположенные на пути ъ комплексную функцию когерентности(КФК) расщепленных лучей, и блок регистраць.. светового поля на зрачке телескопа; Для осуществления восстановления изобраВ отсутствии атмосферных искаженйй жения в точках интерференционной картиКФ К. поля излучения удаленного обьЕкта яв- н ы î и р е дел я ются с р ед н и е з н ач е ни я ляется спектром распределения интенсив- интенсивности, квадрата интенсивности и ности на этом обьекте. .произведения интенсивностей в соседних

Восстановление изображейия осущест- отсчетных точках, Устройство позволяет совляется путем усреднения КФК, определен- кратить время обработки данных и получить

1?56911 результат сразу по окончании наблюдения, однако мийимальное время наблюдения многократно превышает время регистрации одной интерференционной картины, то делает невозможным наблюдение короткоживущих или быстродвижущихся объектов.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет расширения класса наблюдаемых объектов.

На чертеже показана оптическая схема устройства.

Устройство содержит поляризатор 1, светоделители 2 — 4 (куб- призмы С полупрозрачной диагональю), светостражатели 5-7, первую полуволновую пластину 8, призму

Лове 9, вторую полуволновую пластину 10 и блок 11 регистрацйи интерфербграммы, данные которого в виде оцифрованной интерферейционной картины. вводятся в ЗВМ для последующей отработки.

Устройство содержит также телескоп (не показан), оптически связанный с поляризатором 1.

Поляризатор 1 ориейтирован так, что

- . вырезает х- либо у-поляризацию излучения, лежащую в плоскости паденйя луча, на элементы 2-? (в плоскбсти чертежа), либо ортогднальную ей, Отражающая грань призмы

Дове образует с плоскостью чертежа угол

Ж ч, оптйческие оси пластин 8 и 10 параллельны друг другу и образуют с плоскостью черл 3 7г, тежа угол д (или

Плоскость светоотражателя 7 образует с направлением падающего на нее луча угол

Я +а, где cf — угол порядка нескольких угловых диаметров изображения, что эквивалентно введению между светоделителем

3 и призмой Дове воздушного оптического клина t2. Устройство работает следующим образом, На выходе устройства складываются че.,тыре луча, проделавшие следующие пути:

abfba (луч 1,1); асеса (луч 1.2); acdba (луч 2);

abdca (луч 3).

Поскольку оптические длины всех путей равны друг другу, лучи 1.1 и 1,2 переносят тождественные проекции входного поля Е (х,у) в выходную плоскость устройства и в сумме дают луч 1 с распределением поля /р

Е1(х,у) = - - Е(х,у), Луч 2 направляется светоделителями 2 и 4 на полуволновую пластину 8, которая поворачивает его плоскость поляризации

7f на >г, проходит призму Дове 9, которая преобразует поле Е(х,у) на входе призмы в поле

Е(у,х) на выходе, полуволновую пластину 10, 5 которая восстанавливает первоначальное направление поляризации, отражается светоотражателем 7, получает фазовый набег

exp(ikdxj, где k — волновое число, в эквйвалентном клине 12 и направляется светоде10 лителями 3 и 2 на выход интерфераметра.

Поле луча 2 в выходной плоскости имеет вид

Ф

Е2(х,у) =, Е(у-х) ехр(-ikdx).

Луч 3 описывает туже петлю в противоположном направлении, проходя эквивалентный клин 12 до призмы Дове, которая

20 переводит фазовый набег ехр(1Мх) в ехр{Ибу), и выходит из интерферометра с распределением поля по сечению

Ез(х,у) = — Е(-у, х)ех р(йоу)

Поле в выходной плоскости устройства имеет вид:

30 1

Е (x.gÀ) = Е1 + Е2 + ЕЗ = — (2Е(х,уЛ) + (1)

+ Е(у,-хд)е "+ Е(-у,хд)е ").

Е(6) = ЕоЯехр{ p(/t));

r =(x,ó), (2) 40 где ЕОЯ вЂ” входное поле с равномерной интенсивностью 4io, каким оно было бы в отсутствии искажений;

45 фг,t) — фазовые искажения, вносимые атмосферой (амплитудными искажениями пренебрегают в силу их малости).

КФК поля Eo(rj, определяемая как

Я(2г) = Е >(г)Е*(=Я/44, (3) 50 согласно известной теореме Ван Циттерта—

Цернике являешься Фурье-спектром объекта.

С учетом (1)-(З) интенсивность в выход55 ной плоскости интерферометра равна

3(х,у) = Е (г)Е *(г) = 4(1 + -7-,и(х+

Ъ/Я

+ у,у-xjcos(О(х+у,у-х) + p(х,у) - ф-у,х)35 Входное поле Е(гЛ) можно представить в виде", 1756911 — kdx — kdy), (4)

< = 2 (к1 + Ic2 ) u = х-у, v = х+у

kdy + —,и (x-y,õ+ó)ñîs(6(x-ó,х+у) +

+ фх,у) — Я,— x)+kdx) + —,и(2у,—

1 — 2х)сов(6(2у,— 2х) + фу,— х) — ф — у,x)— где р и 0- модули и фаз а КФ К.

Задача восстановления изображения сводится к onðåäåëåíè o;и ид по интерференционной картине (4), регистрируемой блоком 11, Для этого строят матрицу произведений интенсивностей в трех точках интерферограммы следующего вида;

G(x,ó) = l(x,у)!(у,-х)1(-у,х).. (5) Интенсивность l(x,y) содержит слагаемые, промодулированные пространСтвенными частотами 0, Ic),!c2, Ic) + Ic2 „где к1(О, kd), = (kd,o).

Интенсивности t(y,-x) и t(-у,х) содержат слагаемые, промодулированные частотами

О Ю ° IC2Ж С2

Произведенйе G(x,ó) содержит слагаемые комбинации этих частот„в том числе следующий член, и только его, на частоте — 1- о,и(х-у,х+у) и(-х- у,х-у) и(-2у,2х) х

l з х exp(t 0 (х-у,х+у) + i Й-х-у,х-у) — i 6(-2y,2x) +

1 3 . ->+ i кг) = — 1> В(ц,ч; -v u)ex (t IC г);

16 где  — неискаженный биспектр объекта, Биспектр объекта в общем случае является функцией двух векторных аргументов г1 и гг и определяется через фурье-спектр

S(4 выражением

В(г1,гг) - Я(г1)Б(гг)З(-r1,гг) Частота к отстоит от ближайшей комбинационной частоты на расстояние k а, а Ширина сигнала (изображение или его корреляционные функции) на любой частоте не превышает 3 (, где (— угловой размер спектр-изображения. .Таким образом, при условии а ) Э(свободныйй от шума биспектр объекта вида

B(u,v,-v,u) можно получить фильтрацией величины G{x,ó) в фурье-плоскости на частоте

° .7 к, причем для построения биспектра достаточно однократной регистрации интерфе5 ренционной картины.

Верхний предел изменения а ограничен разрешающей способностью блока регистрации (шириной пространственных частот к):

Алгоритм построения спектра объекта

15 по значениям биспектра

В(х,у; -х,у) = Ь(х,y)exp(l P (х,у)) сводится к определенйю фазы спгектра и его

28 модуля.

©аза биспектра является следующей комбинацией фаз спектра:

P (x,у) = О (х,у) + Oj-у,х) -0 (х-у.х+у).

Откуда получают;

8(x-у,x+ у) =д(х,у)+ д{ - у.х) —,8(х,у). (6) 30 Выражение (6) является рекуррентййм соотношением, позволяющим определить фазу спектра на окружности радиуса r, если она известна в точках окружности в v7 раза меньшего радиуса. Выразив аналогичным

35 образом фазы спектра.в правой части (6) .через фазы спектра в точках окружности радиуса r/2, преобразуют в ыра жение (6) к виду:

40 В(2х,2у) = 28(х,у) — y(x,у); у (x,у) =р(х,у)+p(у,-х)+ р (х+у,y+x), (7) После k-го применения формулы (7) пол45 учаю1к-1

О(2г) =д» вЂ” g 2 у(r/2 ) (8)

1=3 ще ош б а д„=2" О(тi/2к . 1) с рос О k стремится к нулю.

На произвольном луче, выходящем из . начала координат, на малом расстоянии рот

55 .1 з начала 0(р) =81p — аЗр, причЕМ а1=-0, так как по свойствам биспектра фаза восстанавливается без линейного члена.

Тогда

1756911. где M = g D/il,— число разрешаемых элемен5 тов обьекта вдоль выбранного луча;

D — диаметр апертуры.

1 л

Точность д = 6- 0 обычно достаточна для практических приложений, Для опреде-ления фазы спектра на базе интерференции

2 р с этой точностью достаточно

k -=2ЬМ

О

5 членов суммы в выражении (8), Оценка {9) показывает, в частности, что в области баз, меньших 1,6D!M, для восста-. новления фазы спектра достаточно величи- 20 йы y(r}, Для сймметри чного объекта с действительным спектром величина у(также полностью определяет фазу 6(2г) (О или л), поскольку в этом случае ошибка 20(r) всегда есть целое кратное 2л, 25 . Для определения модуля спектра находят квадрат интенсивности в интерференционной картине.

Осуществляя фильтрацию 1 (г) на нулевой частоте в фурье-плоскости, находят ве- 30 личи ну

D(rI = 1 (1+ — р (-у, х))-4

+ — ({х,у)+ —,й(х-y,x+y)). (10)

4 Q

Выражение (10) рекуррентно определя ет модуль спектра в любой точке плоскости интерферограммы, Модуль биспектра связан с модулем спектра соотношением .

b(x,у =,и (х,у) p(-у,х) p(x-у,х+у), (11)

Используя совместно (10} и (11), получа3 ф < а < — (к/k — 3 ф ) ют уР(2х,2у) где ф — угловой размер изображения;

45 к — ширина полюса ггространственных частот блока регистрации интерферограмMbt, k — волновое число., аз+2+э 1 2рр з 1

6 4" 6 0

О х+у,у — х — D х — у,х+у

b (х+у, у — х) — b (x — у, х+у) При равных по сравнению с известными устройствами затратах времени на обработку выходной информации использование трехлучевого интерферометра описанной конфигурации позволяет BoccTBHBBJlMBBTb изображение удаленного объекта, наблюдаемого через искажающую среду, по одному кадру, что обеспечивает возможность наблюдения быстродвижущихся или короткоживующих объектов;

Формула изобретения

Устройство для восстановления изображения удаленных объектов, содержащее телескоп, оптически связанный через первый светоделитель с первым и вторым светоотражателями и блоком регистрации, интерферограммы,отл ича ющеесятем,что, с целью расширения области применения устройства за счет расширения класса наблюдаемых объектов, в него введены поляризатор, расположенный между телескопом и первым светоделителем и оптически связанный с ними, второй светоделитель, расположенный между первым светоделителем и первым светоотражателем и оптически связанный с ними, третий светоделитель, расположенный между первым светоделителем и вторым светоотражателем и оптически связанный с ними, а также последовательно оптически связанные первая полуволновая пластина, призма Дове, вторая полуволновая пластина и третий светоотражатель, расположенные между третьим и вторым светоделителями и оптически связанные с ними, при этом оптические оси полуволновых пластин параллельны одна другой, а третий светоотражатель образует с осью телескопа угол sr 4 + а, причем

1756911

Составитель С.Бабкин

Техред М.Моргентал

Корректор- M.Øàðîøè

Редактор И.Дербак

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3090 Тираж - Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5