Способ адаптивного формирования изображения объекта, находящегося за неровной границей раздела сред

Способ адаптивного формирования изображения объекта, находящегося за неровной границей раздела сред

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: при поиске объектов под взволнованной поверхностью воды. Сущность изобретения: освещение объекта производят импульсным лазером, расположенным по одну сторону от границы раздела сред с приемным устройством, причем длительность импульса меньше времени распространения света от границы раздела сред до изучаемого объекта и обратно. Отраженное излучение принимают приемным устройством, расположенным таким образом , что освещенный лазером участок границы раздела сред попадает в поле зрения приемного устройства, отклонение оптических осей лазера и приемного устройства от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела среде, не превосходит среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости, а на сходной апертуре приемного устройства устанавливают самонастраивающуюся по отраженному от границы раздела сред излучению систему, эквивалентную двум софокусным линзам и матрице инерционных оптических нейронов , расположенной в плоскости изображения первой линзой освещенного участка границы раздела сред. 3 ил. (Л 00 ю ел Ь

COlO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОсудАРстВеннОе пАтентнОе

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4852770/10 (22) 24.07.90

{46) 30;04.93. Бюл. N 16 (71) Государственный оптический институт им. С.И,Вавилова (72) В.Е.Семенов (56) Лукьянов Д.П; и др. Оптические адаптивные системы. M. Радио и связь,1989, с.22, Маныкин Э. А., Сурина И.И, Нейтронные сети и их ойтические реализации. Обзор, М., 1988.

SPlE, 1988, v. l021, р, 128.

Гиббс X. Оптическая бистабильность.

Управление светов с помощью света. М,:

Мир, 1988.

Jornal de Physique Colloque с.2, Supplement an N 6, Томе 49, р.239 — 242, juni

1988.

ДАН СССР,268, 844 (1983).

Квантовая электроника, т.14, N. 3, 1987, с.586-591.

ФТП, т.19, вып 1, 1985 г., с.3-27.

Квантовая электроника, т.14. М. 3, 1987, с. 529

ОМ П М 10, 1987, с. 48-57. (54) СПОСОБ АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТА, НАХОИзобретение относится к адаптивной оптике и может использоваться при поиске объектов под взволнованной поверхностью воды.

Традиционные способы коррекции изображения объекта, расположенного за искажающей средой, заключаются в том, что адаптивное устройство, управляемое излу,, Я,„,1812544А1 (st)s С 02 В 23/12, 27/00, 27/58

ДЯЩЕГОСЯ ЗА НЕРОВНОЙ ГРАНИЦЕЙ

РАЗДЕЛА СРЕД (57) Использование; при поиске объектов под взволнованной поверхностью воды.

Сущность изобретения: освещение объекта производят импульсным лазером, расположенным по одну сторону от границы раздела сред с приемным устройством, причем длительность импульса меньше вреМени распространения света от границы раздела сред до изучаемого обьекта и обратно. Отраженное излучение принимают приемным устройством, расположенным таким образом, что освещенный лазером участок границы раздела сред попадает в поле зрения приемного устройства, отклонение оптических осей лазера и приемного устройства от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела среде, не превосходит среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости, а на входной апертуре приемного устройства устанавливают самонастраивающуюся по отраженному от д границы раздела сред излучению систему, эквивалентную двум софокусным линзам и матрице инерционных оптических нейронов, расположенной в плоскости изображения первой линзой освещенного участка Ы границы раздела сред, 3 ил. ъ. фь. чением опорного источника, расположенного rfo одну сторону от искажающей среды с изучаемым объектом, корректирует изображение эталонного источника, а затем наводится на изучаемь1й объект. Поскольку волновой фронт излучения от изучаемого объекта деформируется искажающей средой там же как волновой фронт излучения

1812544 опорного источника, постольку адаптивная система исправляет изображение объекта.

Рассмотрим методы адаптивной фазовой компенсации в системах формирования изображений, использовав схему на фиг.1.

Применяемые здесь методы компенсации искажений волнового фронта (или адаптации по волновому фронту) и повышения резкости иэобра>кения аналогичны методам фазового сопряжения и апертурного зондирования. В первом случае необходим опорный точечный источник, расположенный в одной изопланатической области с объектом. При использовании метода повышения резкости, являющегося разновидностью метода апертурного зонди;ования, фазовые искажения анализируются косвенно, измеряя градиенты функционалов резкости в плоскости изображения.

При коррекции изобра>кения объекта, расположенного за неровной границей раздела сред, необходимо компенсировать огромные по сравнению с длиной волны искажения волнового фронта, Метод апертурного зондирования не работает при больших фазовых искажениях (функционалы резкости имеют бесчисленное множест.во локальных максимумов) и решать поставленную задачу не может, Поэтому в качестве прототипа выбран способ коррекции„аналогичный методу фазового сопряжения. Свет от обьекта 1 проходит через искажающую волновой фронт среду 2 и далее попадает на линзу 3. Управляемый корректирующий элемент 4 корректирует фазу пучка в соответствии с информацией о фазовых искажениях излучения опорного источника 5 и в плоскости изображения создает скорректированное изображение объекта. В случае поиска объекта, находящегося за неровной границей раздела сред, как правило, нет возможности установить источник эталонного излучения рядом с обьектом поиска.

Целью изобретения является обеспечение возможности коррекции изображения объекта без создания источника опорного излучения по одну с объектом сторону от границы раздела сред, Цель достигается тем, что в способе адаптивного формирования изображения обьекта, находящегося эа неровной границей раздела сред, включающем освещение объекта каллимированным излучением лазера, расположенным с противоположной объекту стороны от границы раздела сред, регистрацию с помощью приемного устройства изображения объекта в отраженном от него свете и коррекцию изображения путем управления с помощью опорного излучения корректирующей системой, расположенной перед приемным устройством, в отличие от прототипа освещение объекта производят импульсным излучением с длительностью

5 импульса, меньшей времени прохождения излучения от границы раздела сред до объекта и обратно, в качестве опорного излучения используют освещающее излучение, отраженное от границы раздела сред, реги"0 страцию начинают после прихода на приемное устройство переднего фронта импульса опорного излучения через время большее или равное длительности импульса и меньшее или равное времени прохождения све15 том расстояния от границы раздела сред и обратно, корректирующую систему располагают на входной апертуре приемного устройства и выполняют в виде двух софокусных линз и матрицы инерционных

20 оптических нейронов с временем релаксации большим времени распространения света от границы раздела сред до объекта и обратно, рэсполо>кенной в плоскости изображения первой линзой освещенного уча25 стка границы раздела сред. при этом приемное устройство и лазер располагают так, что освещенный лазером участок грани30

55 цы раздела сред находится в поле зрения приемного устройства, а отклонение оптических осей лазера и приемного устройства от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред, не превосходит среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости.

Оптическим нейроном называют устройство с коэффициентом передачи К равным нулю, если интенсивность управляющего излучения меньше пороговой, и равным единице, если интенсивность управляющего излучения больше пороговой, Под коэффициентом передачи мы понимаем отношение сигнала на выходе устройства к сигналу на входе. Освещенные излучением, отраженным от границы раздела сред, участки матрицы оптических нейро- нов переходят в состояния с коэффициентом передачи, равным единице, и затем релаксируют к состоянию с коэффициентом передачи, равным нулю, Время релаксации должно быть много больше времени распространения света от границы раздела сред до изучаемого объекта и обратно, Излучение, отраженное от изучаемого объекта, проходит через самонастраивающееся устройство и регистрируется регистрирующим устройством, которое включается не ранее чем через время, равное длительности импульса после прихода на приемное устройство переднего фронта импульса, отраженного от границы раздела

1812544 сред, и не позднее чем через время, эа которое свет проходит расстояние от границы раздела сред до изучаемого обьекта и обратно, Другими словами, сущность предложенного способа заключается в том, что излучение импульсного лазера, отраженное от границы раздела сред, попадает в самонастраивающееся устройство и переводит участки матрицы нейронов в состояния с коэффициентом передачи, равным единице.

Регистрирующее устройство включается сразу после окончания импульса, отраженного от границы раздела сред. Поскольку матрица оптических нейронов расположена в плоскости иэображения освещенной области границы раздела сред, в регистрирующее устройство попадает лишь излучение от изучаемого объекта, прошедшее лишь через те участки границы раздела сред, от которых пришло отраженное излучение, открывшее оптические нейроны. Отраженное от границы раздела сред излучение попадает на апертуру самонастраивающегося устройства только от участков границы, нормали к которым различаются на величину, меньшую чем d/(2*L<), где d — диаметр приемной апертуры; L> — расстояние от приемного устройства до освещенной области границы раздела сред. Если среднеквадратичный наклон границы раздела сред превосходит d/(2*LE), то самонастраивающаяся по отраженному от границы раздела излучению система улучшает качество изображения.

На фиг.2 изображена структурная схема адаптивной системы, корректирующей изображение объекта, расположенного эа неровной границей раздела сред, предложенным способом. 1 — — лазер; 2 — 3— телескоп; 4 — граница раздел сред. 5 — первая линза самонастраивающегося устройства; 6 — матрица оптических нейронов, 9— регистрирующее устройство; 10 — фотодетектор, управляющий регистрирующим устройством.

Лазер 1 и приемное устройство 5-10 помещают над участком границы раздела сред, под которым предполагается нахождение изучаемого объекта, Оптическая ocb лазера может сканировать, отклоняясь от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред, менее чем на величину среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости, Оптическая ось приемного устройства может оставаться параллельной нормали, если при сканировании лазерного пучка освещенный участок границы раздела сред будет попадать в поле зрения приемного устройства, В противном случае направление оптической оси прием5

10 ного устройства должно изменят ься согласованно с ориентацией оптической оси лазера. Пучок лазера 1 целесообразно уширить с помощью телескопа 2 — 3. В качестве лазера 1 можно взять импульсно-периодический твердотельный лазер, работающий на длине волны 0,53 мкм, Длительность импульса у таких лазеров колеблется от пикосекунд до наносекунд, а энергия в импульсе достигает десятков килоджоулей. Остановимся на импульсно-периодическом лазере с длительностью импульса 30 нс, энергией в импульсе Fo 4

Дж и частотой следования импульсов 5 Гц

15 (20 Вт). За 30 нс свет проходит примерно 10 м, поэтому изучаемый объект должен располагаться на глубине более 5 м, Способы реализации оптических нейронов описаны в монографии. В настоящее время в связи с

20 работами по созданию оптических компьютеров идет процесс миниатюризации оптических нейронов и снижения порогового значения мощности, при которой происходит их переключение. Роль оптического ней25 рона может играть нелинейный интерферометр Фабри-Перо, который при превышении падающим излучением порогового значения интенсивности -Loop меняет свое состояние с отражающего на

30 пропускающее, При этом нейрон должен иметь низкую пороговую интенсивность

Loop и инерционность достаточную, чтобы успеть пропустить слабое излучение, пришедшее от изучаемого объекта, располо35 женного за границей раздела сред. Зтим требованиям удовлетворяют нелинейные интерферометры с тепловым механизмом нелинейности, Поскольку теплопроводность играет важную роль в динамике рабо40 ты тепловых оптических нейронов, полезно привести формулу для характерной временной константы этого процесса. Если излучение мгновенно нагревает цилиндр диаметра

fp, решение уравнения тепловой диффузии

45 приводит к следующему выражению для характерного времени:

To=(Сч*p"r o / (2 4 * кт}, где C> — удельная теплоемкость;.р- пло ность; kT — температуропроводность среды, 50 Как kT, так и С зависят от температуры, в результате Тс может меняться на порядки.

Тс пропорционалы о площади (ro), поэтому

2 с уменьшением размеров резонатора оно сокращается. В работе (5j приведены дан55 . ные о матрице оптических нейронов в виде микрорезонаторов Фабри-Перо 1,5 мкм диаметром с расстоянием между центрами соседних микрорезонаторов 3,4 мкм, Микрорезонаторы получены гравировкой ионным пучком пластины GaAs/А!Аз. Знер1812544

К(Т+)

К(1-) условие

«0,01.

K(l — }

К +

30 гия, необходимая для переключения одного нейрона, составляет 0,6 пДж, а время вос, становления примерно 200 пс. Авторы предполагают путем дальнейшей миниатюризации уменьшить энергию переключения до 17 фДж, Роль оптического нейрона может играть ячейка с самопросветляющейся гетерогенной средой. Самопросветление наблюдается в гетерогенных средах, у которых разность линейных показателей преломления компонент ï соизмерима с разностью нелинейных показателей преломления Ьп <п, а значки Ьпп и hn« противоположны. Оптические нейроны на основе гибридных. оптоэлектронных схем имеют более низкую энергию переключения, так как используют энергию электрической цепи, Эффект Келдыша-Франца позволяет реализовать оптоэлектронную схему насыщающегося поглотителя, а значит, и оптоэлектронный: нейрон. Прйменение этого эффекта дает возможность сделать нейрон без резонатора для немонохроматического излучения. В этом случае лазер I может быть многочастотным. Время запаздывания оптоэлектронногд нейрона определяется постоянной: времени электрической цепи г = С".R, где

С вЂ” емкость этой цепи;  — сопротивление нагрузки. В литературе имеются описания миниатюрных оптоэлектронных нейронов, выполненных из 6аАз, для работы с излучением с длиной волны й. 0,85-0,89 мкм. (Энергия кванта должна незначительно превышать ширину запрещенной зоны), Описания миниатюрных оптоэлектронных нейронов, работающих по длине волны 0,53 мкм, в литературе в настоящий момент нет;

Поэтому в качестве примера конкретного выполнения оптического нейрона можно взять тонкопленочный полупроводниковый интерферометр с промежуточным слоем из

ZnS или ZnSe, работающий в режиме отражения. Энергйя переключения таких тонкопленочных интерферометрав с диаметром

4 мкм измерена в работе (9j и составляет

4*10 " Дж. Для того, чтобы иметь достаточный запас по энергии при выбранном нами типе лазера и коэффициенте отражения от границы раздела сред (п — пг)2/(n t - пг)

2*10, фокусное расстояние линзы 5 дол-: жно быть таким, чтобы площадь. матрицы 6 не превышала 200 смг. На этой площади можно разместить 100*100 микрорезонато- ров с диаметром 1 мм. Тепловой режим должен поддерживаться таким, чтобы время выключения нейронов было не менее 1 мс. Существенной характеристикой оптического нейрона в данном приложении является отношение коэффициента передачи закрытого нейрона k(l J, I < Inop к коэффициенту передачи открытого нейрона k(l+), I+ >

>i

4gL2g(4 + — )2 го

10 где d -диаметр апертуры приемного устрой0 ства; d> — передающего; — расстояние от освещенного участка поверхности до приемной апертуры, о — среднеквадратичное отклонение границы раздела сред от ближайшей плоскости, lo — средний размер не5 ровностей границы раздела сред, (о /го— среднеквадратичный наклон границы раздела сред). Для того, чтобы излучение, прошедшее через "закрытые" нейроны, не снизило качества йзображения, должно выполняться условие:

25 например, при сг/го = 0,001, L = 100 м, d = 1м,,D = 0,01, т.е. должно выполняться что накладывает довольно жесткие требования на добротность тонкопленочных интерферометров.. Энергия излучения, отраженного от изучаемого объекта сигна35 ла, прошедшая через матрицу оптических

:нейронов 6, может быть оценена следующим образом: 2

Есиг Ео"Котр*Кпог*К(1+) *

4 2 (4 + 1)2 го где Ep — энергия в импульсе лазера; Котp— коэффициент рассеяния назад. изучаемого объекта; Коог — поглощение во второй среде

45 на трассе длиной 2+La, где L2 — расстояние от границы раздела сред до изучаемого обьекта. Поскольку множитель Коо зависит экс- поненциально от L2 и показателя поглощения bo второй среде, величина Есиг

50 может быть очейь малой. Поэтому регистрирующее устройство 10 может иметь управляемый фотодетектором каскадный усилитель яркости изображения, составленнь! и из двух или трех камерных электронно55 оптических преобразователей (ЭОПов), причем экран одного преобразователя соединяется с фотокатодом другого посредством волоконно-оптического элемента.

Достоинством ЭОПов является возмож10

1812544

30 целью исключения необходимости созда45 ния источника опорного излучения по одну с обьектом сторону от границы раздела пульса, меньшеи времени прохождения

50- излучения от границы раздела сред до обьотраженное от границы раздела сред, регистрацию начинают после прихода на прием55 ное устройство переднего фронта импульса ность регистрации сигнала в течение короткого промежутка времени до 10 -10 с.

Длл работы на длине волны 0,53 мкм целесообразно использовать ЗОПы с фотокатодом типа ОаАз/GaAIAs, имеющим квантовый выход до 40g> и низкий уровень термоэлектронной эмиссии. В качестве примера конкретного выполнения выбираем твердотельный лазер с длительность1о импульсов 30 нс, частотой следования импульсов 5 Гц и мощностью 20 Вт (3J, Матрицу оптических нейронов выбираем в виде матрицы 100*100 тонкопленочных интерферометров с промежуточным слоем из ZnS или

ZnSe с диаметром 1 мм, работающими в режиме отражения (9). Для регистрации сигнала от изучаемого обьекта можно использовать управляемые фотодетектором ЭОПы с фотокатодом типа GaAS/GaAIAs, Для оценки эффективности системы, использующей предложенный способ коррекции изображения обьекта, расположенного за неровной границей раздела сред, проведен следующий численный эксперимент.

Показатель преломления первой среды выбран равным n1 = 1, второй nz = 1,33. Ось Z направлена по нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред. Граница раздела сред описывалась рядом

Z(X, Y)= „, Anmexp(I "— (n*x+ m*у)+ i+

2л

n,m

С 1

*©nm, где Ф,п — случайные числа, равномерно расп ределенн ые на п ромежутке (0,2к); d1— размер области, засвеченной зондирующим пучком.

Коэффициенты Ап п определяются видом автокорреллционной функции в

9(hX,ЛУ) = , где знак < > означает усреднение по реализациям. В нашем численном эксперименте была взята гауссова автокорреллци. онная функция

X + Y

B(X, Y) = сР*ехр(— ) >

1о где о-дисперсия отклонений границы раздела сред от плоскости Z = 0; ro — средний размер неровностей.

Для упрощения расчетов передающая апертура была совмещена с приемной, а приемное устройство было сфокусировано на бесконечность (L2 = ), Из лазера 1 посылался пучок из 2 параллельных оси Z

16 лучей. Точки пересеченил лучей с границей раздела, заданной формулой (1), находи5

25 лись методом Ньютона. Отраженные от границы радела лучи продолжались до пересечения с матрицей 6, состоящей из 64*64 оптических нейронов, Если на нейрон попадал хотя бы один луч, отраженный от границы раздела сред (3 мкДж), то этот нейрон считался открытым. Затем из второй среды параллельно оси Z посылался пучок из 2И лучей, накрывающий участок раздела сред, попадающий в поле зрения приемного устройства. Точки пересечения лучей с границей раздела сред, заданной формулой (1), находились методом Ньютона. Преломленные лучи, попавшие на приемную апертуру, проводились по системе до плоскости изо- бражения 9.

На фиг. 3 приведено распределение энергии W в плоскости изображения 9 в круге радиуса г в зависимости от г(функция рассеяния точки). Для сравнения на том же рисунке приведена функция рассеяния точки системы без самонастраивающегося устройства. Из фиг.3 следует, что при отсутствии самонастраивающегося устройства плоскость изображения практически равномерно засвечена. При наличии самонастраивающегося устройства в плоскости изображения имеем небольшое пятнышко.

Формула изобретения

Способ адаптивного формирования изображения обьекта, находящегося за неровной границей раздела сред, включающий освещение объекта коллимированным излучением лазера, расположенным с противоположной обьекту стороны от границы раздела сред, регистрацию с помощью приемного устройства изображения объекта в отраженном от него свете и коррекцию изображения путем управления с помощью опорного излучения корректирующей системой, расположенной перед приемным устройством, отл и ч а ю щи и с я тем,что, с сред, освещение объекта осуществляют импульсным излучением с длительность1о имекта и обратно, в качестве опорного излучения используют освещающее излучение, опорного излучения через время большее или равное длительности импульса и меньшее ил,1 равное времени прохождения светом расстояния от границы раздела сред до обьекта и обратно, корректирующую систе. 1812544

ro

Фиг.1 му располагают на входной апертуре приемного устройства и выполняют в виде двух софокусных линз и матрицы инерционных оптических нейронов с временем релаксации большим времени распространения света от границы раздела сред до обьекта и обратно, расположенной в плоскости изображения первой линзой освещенного участка границы раздела сред, при этом приемное устройство и лазер располагают так, что освещенный участок границы раздела сред находится в поле зрения приемного устройства, а отклонение оптических осей

5 лазера и приемного устройства от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред, не превосходит среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости.

1812544

Редактор

Заказ 1576 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

О

Составитель В.Семенов

Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор А.Мотыль