RU1812544C - Способ адаптивного формировани изображени объекта, наход щегос за неровной границей раздела сред - Google Patents

Abstract

Использование: при поиске объектов под взволнованной поверхностью воды. Сущность изобретени : освещение объекта производ т импульсным лазером, расположенным по одну сторону от границы раздела сред с приемным устройством, причем длительность импульса меньше времени распространени  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 зрени  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 самонастраивающуюс  по отраженному от границы раздела сред излучению систему, эквивалентную двум софокусным линзам и матрице инерционных оптических нейронов , расположенной в плоскости изображени  первой линзой освещенного участка границы раздела сред. 3 ил. (Л 00 ю ел Ь

Description

Изобретение относитс  к адаптивной оптике и может использоватьс  при поиске объектов под взволнованной поверхностью воды.

Традиционные способы коррекции изображени  объекта, расположенного за искажающей средой, заключаютс  в том, что адаптивное устройство, управл емое излучением опорного Источника, расположенного по одну сторону от искажающей среды с изучаемым обьектом, корректирует изображение эталонного источника, а затем наводитс  на изучаемый объект. Поскольку волновой фронт излучени  от изучаемого объекта деформируетс  искажающей средой там же как волновой фронт излучени 

опорного источника, постольку адаптивна  система исправл ет изображение объекта.

Рассмотрим методы адаптивной фазовой компенсации в системах формировани  изображений, использовав схему на фиг.1. Примен емые здесь методы компенсации искажений волнового фронта (или адаптации по волновому фронту) и повышени  резкости изображени  аналогичны методам фазового сопр жени  и апертурного зондировани . В первом случае необходим опорный точечный источник, расположенный в одной изопланатической области с объектом . При использованийметода повышени  резкости,  вл ющегос  разновидностью метода апертурного зондировани , фазовые искажени  анализируютс  косвенно, измер   градиенты функционалов резкости в плоскости изображени .

При коррекции изображени  объекта, расположенного за неровной границей раздела сред, необходимо компенсировать огромные по сравнению с длиной волны искажени  волнового фронта. Метод апертурного зондировани  не работает при больших фазовых искажени х (функционалы резкости имеют бесчисленное множество локальных максимумов) и решать поставленную задачу не может. Поэтому в качестве прототипа выбран способ коррекции , аналогичный методу фазового сопр жени . Свет от объекта 1 проходит через искажающую волновой фронт среду 2 и далее попадает на линзу 3. Управл емый корректирующий элемент 4 корректирует фазу пучка в соответствии с информацией о фазовых искажени х излучени  опорного источника 5 и в плоскости изображени  создает скорректированное изображение объекта. В случае поиска объекта, наход щегос  за неровной границей раздела сред, как правило, нет возможности установить источник эталонного излучени  р дом собь- ектом поиска.

Целью изобретени   вл етс  обеспечение возможности коррекции изображени  объекта без создани  источника опорного излучени  по одну с объектом сторону от границы раздела сред.

Цель достигаетс  тем, что в способе адаптивного формировани  изображени  объекта, наход щегос  за неровной границей раздела сред, включающем освещение объекта коллимированным излучением лазера , расположенным с противоположной объекту стороны от границы раздела сред, регистрацию с помощью приемного устройства изображени  объекта в отраженном от него свете и коррекцию изображени  путем управлени  с помощью опорного излучени 

корректирующей системой, расположенной перед приемным устройством, в отличие от прототипа освещение объекта производ т импульсным излучением с длительностью импульса, меньшей времени прохождени  излучени  от границы раздела сред до объекта и обратно, в качестве опорного излучени  используют освещающее излучение, отраженное от границы раздела сред, реги

страцию начинают после прихода на приемное устройство переднего фронта импульса опорного излучени  через врем  большее или равное длительности импульса и меньшее или равное времени прохождени  све5 том рассто ни  от границы раздела сред и обратно, корректирующую систему располагают на входной апертуре приемного устройства и выполн ют в виде двух софокусных линз и матрицы инерционных

0 оптических нейронов с временем релаксации большим времени распространени  света от границы раздела сред до объекта и обратно, расположенной в плоскости изображени  первой линзой освещенного уча5 стка границы раздела сред, при этом приемное устройство и лазер располагают так, что освещенный лазером участок границы раздела сред находитс  в поле зрени  приемного устройства, а отклонение опти0 ческих осей лазера и приемного устройства от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред, не превосходит среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости.

5 Оптическим нейроном называют устройство с коэффициентом передачи к, рав- ным нулю, если интенсивность управл ющего излучени  меньше пороговой , и равным единице, если интенсивность

0 управл ющего излучени  больше пороговой . Под коэффициентом передачи мы понимаем отношение сигнала на выходе устройства к сигналу на входе. Освещенные излучением, отраженным от границы разде5 ла сред, участки матрицы оптических нейро- нов переход т в состо ни  с коэффициентом передачи, равным единице, и затем релаксируют к состо нию с коэффициентом передачи, равным нулю, Врем  ре0 лаксации должно быть много больше времени распространени  света от границы раздела сред до изучаемого объекта и обратно. Излучение, отраженное от изучаемого объекта, проходит через самонастраи5 вающеес  устройство и регистрируетс  регистрирующим устройством, которое включаетс  не ранее чем через врем , равное длительности импульса после прихода на приемное устройство переднего фронта импульса, отраженного от границы раздела

сред, и не позднее чем через врем , за которое свет проходит рассто ние от границы раздела сред до изучаемого объекта и обратно , Другими словами, сущность предложенного способа заключаетс  в том, что излучение импульсного лазера, отраженное от границы раздела сред, попадает в само- нэстраивающеес  устройство и переводит участки матрицы нейронов в состо ни  с коэффициентом передачи, равным единице. Регистрирующее устройство включаетс  сразу после окончани  импульса, отраженного от границы раздела сред. Поскольку матрица оптических нейронов расположена в плоскости изображени  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 самонастраивающегос  устройства только от участков границы, нормали к которым различаютс  на величину, меньшую чем d/(), где d - диаметр приемной апертуры; Li рассто ние от приемного устройства до освещенной области границы раздела сред. Если среднеквадратичный наклон границы раздела сред превосходит d/(), то самонастраивающа е  по отраженному от границы раздела излучению система улучшает качество изображени .

На фиг.2 изображена структурна  схема адаптивной системы, корректирующей изображение объекта, расположенного за неровной границей раздела сред, предложенным способом. 1 - лазер; 2-3 - телескоп; 4 - граница раздел сред. 5 - перва  линза самонастраивающегос  устройства; 6 - матрица оптических нейронов. 9 - регистрирующее устройство; 10 - фотодетектор , управл ющий регистрирующим устройством .

Лазер 1 и приемное устройство 5-10 помещают над участком границы раздела сред, под которым предполагаетс  нахождение изучаемого объекта, Оптическа  ось лазера может сканировать, отклон  сь от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред, менее чем на величину среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости. Оптическа  ось приемного устройства может оставатьс  параллельной нормали, если при сканировании лазерного пучка освещенный участок границы раздела сред будет попадать в поле зрени  приемного устройства. В противном случае направление оптической оси приемного устройства должно измен тьс  согласованно с ориентацией оптической оси лазера . Пучок лазера 1 целесообразно уширить с помощью телескопа 2-3. В каче- 5 стве лазера 1 можно вз ть импульсно-пери- одический твердотельный лазер, работающий на длине волны 0,53 мкм. Длительность импульса у таких лазеров колеблетс  от пикосекунд до наносекунд, а

0 энерги  в импульсе достигает дес тков килоджоулей . Остановимс  на импульсно-пе- риодическом лазере с длительностью импульса 30 не, энергией в импульсе Дж и частотой следовани  импульсов 5 Гц

5 (20 Вт). За 30 не свет проходит примерно 10 м, поэтому изучаемый объект должен располагатьс  на глубине более 5 м. Способы реализации оптических нейронов описаны в монографии. В насто щее врем  в св зи с

0 работами по созданию оптических компьютеров идет процесс миниатюризации оптических нейронов и снижени  порогового значени  мощности, при которой происходит их переключе.ние. Роль оптического ней5 рона может играть нелинейный интерферометр Фабри-Перо, который при превышении падающим излучением порогового значени  интенсивности -Lnop мен ет свое состо ние с отражающего на

0 пропускающее. При этом нейрон должен иметь низкую пороговую интенсивность Lnop и инерционность достаточную, чтобы успеть пропустить слабое излучение, пришедшее от изучаемого объекта, располо5 женного за границей раздела сред. Этим требовани м удовлетвор ют нелинейные интерферометры с тепловым механизмом нелинейности. Поскольку теплопроводность играет важную роль в динамике рабо0 ты тепловых оптических нейронов, полезно привести формулу дл  характерной временной константы э того процесса. Если излучение мгновенно нагревает цилиндр диаметра г0, решение уравнени  тепловой диффузии

5 приводит к следующему выражению дл  характерного времени:

Tc ((2 ), . где Cv - удельна  теплоемкость; .р- ность; kr - температуропроводность среды.

0 Как k-r, так и Cv завис т от температуры, в результате Тс может мен тьс  на пор дки. Тс пропорционально площади (г0)2, поэтому с уменьшением размеров резонатора оно сокращаетс . В работе 5} приведены дан5 - ные о матрице оптических нейронов в виде микрорезонаторов Фабри-Перо 1,5 мкм диаметром с рассто нием между центрами со- седних микрорезонаторов 3,4 мкм, Микрорезонаторы получены гравировкой ионным пучком пластины GaAs/AiAs. Энерги , необходима  дл  переключени  одного нейрона, составл ет 0,6 пДж, а врем  восстановлени  примерно 200 пс. Авторы пред- полагают путем дальнейшей миниатюризации уменьшить энергию переключени  до 17 фДж, Роль оптического нейрона может играть  чейка с самопросветл ющейс  гетерогенной средой . Самопросветление наблюдаетс  в гете- рогенных средах, у которых разность линейных показателей преломлени  компонент Апл соизмерима с разностью нелинейных показателей преломлени  ДпНл , а значки Дпл и Ап нл противоположны. Оптические нейроны на основе гибридных оптоэлектронных схем имеют более низкую энергию переключени , так как используют энергию электрической цепи. Эффект Келдыша-Франца позвол ет реализовать опто- электрйнную схему насыщающегос  поглотител , а значит, и оптоэлёктронный нейрон. Применение этого эффекта дает возможность сделать нейрон без резонатора дл  немонохроматического излучени .В этом случае лазер 1 может быть многочастотным . Врем  запаздывани  .оптоэлект- ронного нейрона определ етс  посто нной времени электрической цепи т , где С - емкость этой цели; RH.- сопротивление нагрузки. В литературе имеютс  описани  миниатюрных оптоэлектронных нейронов, выполненных из GaAs, дл  работы с излучением с длин ой волны А 0,85-0,89 Мкм. (Энёрги кванта должна незначительно превышать ширину запрещенной зоны). Описани  миниатюрных оптоэлектронных нейронов, работающих подлине волны 0,53 мкм, в литературе в насто щий момент нет. Поэтому в качестве примера конкретного выполнени  оптического нейрона можно вз ть тонкопленочный полупроводниковый интерферометр с промежуточным слоем из ZnS или ZnSe, работающий в режиме отражени . Энерги  переключени  таких тонкопленочных интерферометров с диаметром 4 мкм измерена в работе 9 и составл ет Дж. Дл  того, чтобы иметь достаточный запас по энергии при выбранном нами типе лазера и коэффициенте отражени  от границы раздела сред (ш - naf/tnt - п2) . , фокусное рассто ние линзы 5 должно быть таким, чтобы площадь матрицы 6 не превышала 200 см . На этой площади можно разместить мйкрорезрнато- ров с диаметром 1 мм. Тепловой режим должен поддерживатьс  таким, чтобы врем  выключени  нейронов было не менее 1 мс. Существенной характеристикой оптического нейрона в данном приложении  вл етс  отношение коэффициента передачи закрытого нейрона k(l), l Пор к коэффициенту передачи открытого нейрона k(l+), I+ пор. Действительно, дол  открытых нейро- нов - D в матрице 6 составл ет

J.

D ()2

ГоL.

где d -диаметр апертуры приемного устрой- ства; dt - передающего; L - рассто ние от освещенного участка поверхности до при- емной апертуры, о - среднеквадратичное отклонение границы раздела сред от бли- жайшей плоскости; г0 - средний размер неровностей границы раздела сред, ( ст7го - среднеквадратичный наклон границы раздела сред). Дл  того, чтобы излучение, прошедшее через закрытые нейроны, не снизило качества изображени , должно вы- полн тьс  условие:

K(l-)

WIT

« D,

25 V; - -. -

например, при 7/г0 0,001, L 100 м,

. м, D 0,01, т.е. должно выполн тьс  условие:

K(U)00 ..,;

Ш

 то накладывает довольно жесткие требовани  на добротно сть тонкопленочных интер- фёрЬметров. Энерги  излучени , отраженного от изучаемого объекта сигна35 ла. прошедша  через матрицу оптических нейронов 6, может быть оценена следую: щиМ образом: . .;.: ..

(Н

: ,. jnfoQiSL + bf

: . L.

где Ео - энерги  в Импульсе лазера; Котр коэффициент рассе ни  назад изучаемого объекта; Кпог - поглощение во второй среде

на трассе длиной , где 1 - рассто ние от границы раздела сред до изучаемого объекта . Поскольку множитель Кпог зависит экс- поненциально от LS и показател 

поглощени  so второй среде, величина ЁСиг может быть очень малой. Поэтому регистрирующее устройство 10 может иметь управл емый фотодетектором каскадный усилитель  ркости изображени , составленный из двух или трех камерных электронно- оптических преобразователей (ЭОПов), причем экран одного преобразовател  сое- дин етс  с фотокатодом другого посредством волоконно-оптического элемента. Достоинством ЭОПов  вл етс  возможность регистрации сигнала в течение короткого промежутка времени до 10 12-10 с. Дл  работы на длине волны 0,53 мкм целесообразно использовать ЗОПы с фотокатодом типа GaAs/GaAIAs, имеющим квантовый выход до 40% и низкий уровень термоэлектронной эмиссии. В качестве примера конкретного выполнени  выбираем твердотельный лазер с длительностью импульсов 30 не, частотой следовани  импульсов 5 Гц и мощностью 20 Вт 3. Матрицу оптических нейронов выбираем в виде матрицы тонкопленочных интерферометров с промежуточным слоем из ZnS или ZnSe с диаметром 1 мм, работающими в режиме отражени  9. Дл  регистрации сигнала от изучаемого объекта можно использовать управл емые фотодетектором ЭОПы с фотокатодом типа GaAS/GaAIAs.

Дл  оценки эффективности системы, использующей предложенный способ коррекции изображени  объекта, расположенного за неровной границей раздела сред, проведен следующий численный эксперимент. Показатель преломлени  первой среды выбран равным m 1, второй л 2 1,33. Ось Z направлена по нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред. Граница раздела сред описывалась р дом

Отг

Z(X,Y)2 Anmexp{i( + ) + i

n,mU1 Фпт , .

где Фпт - случайные числа, равномерно распределенные на промежутке 0, di - размер области, засвеченной зондирующим пучком..

Коэффициенты Anm определ ютс  видом автокоррел ционной функции в

В( ДХ, AY) Z(X , Y) Z{X + А X, Y + Д Y) , где знак означает усреднение по реализаци м. В нашем численном эксперименте была вз та гауссова автокоррел ционна  функци 

В(Х, Y) о2 ехр{

X2 + Y2 -1

}

где сг-дисперси  отклонений границы раздела сред от плоскости Z 0; г0 - средний размер неровностей.

Дл  упрощени  расчетов передающа  апертура была совмещена с приемной, а приемное устройство было сфокусировано на бесконечность (La f ). Из лазера 1 посылалс  пучок из 216 параллельных оси Z лучей. Точки пересечени  лучей с границей раздела, заданной формулой (1). находились методом Ньютона. Отраженные от границы радела лучи продолжались до пересечени  с матрицей 6, состо щей из оптических нейронов. Если на нейрон попа5 дал хот  бы один луч, отраженный от границы раздела сред (3 мкДж), то этот нейрон считалс  открытым. Затем из второй среды параллельно оси Z посылалс  пучок из 218 лучей, накрывающий участок раздела сред,

0 попадающий в поле зрени  приемного устройства . Точки пересечени  лучей с границей раздела сред, заданной формулой (1), находились методом Ньютона. Преломленные лучи, попавшие на приемную апертуру,

5 проводились по системе до плоскости изображени  9.

На фиг. 3 приведено распределение энергии W в плоскости изображени  9 в круге радиуса г в зависимости от г (функци 

0 рассе ни  точки). Дл  сравнени  на том же рисунке приведена функци  рассе ни  точки системы без самонастраивающегос  устройства . Из фиг.З следует, что при отсутствии самонастраивающегос  устрой5 ства плоскость изображени  практически равномерно засвечена. При наличии самонастраивающегос  устройства в плоскости изображени  имеем небольшое п тнышко.

0 Ф о р м у л а и з о б р е те н и  

Способ адаптивного формировани  изображени  объекта, наход щегос  за неровной границей раздела сред, включающий освещение объекта коллимированным

5 излучением лазера, расположенным с противоположной объекту стороны от границы раздела сред, регистрацию с помощью приемного устройства изображени  объекта в

отраженном от него свете и коррекцию изо0 бражени  путем управлени  с помощью опорного излучени  корректирующей сис- :. темой, расположенной перед приемным устройством , о т л и ч а ю щ и и с   тем, что, с целью исключени  необходимости созда5 ни  источника опорного излучени  по одну с объектом сторону от границы раздела сред, освещение объекта осуществл ют импульсным излучением с длительностью импульса , меньшей времени прохождени 

0- излучени  от границы раздела сред до объ: екта и обратно, в качестве опорного излучени  используют освещающее излучение, отраженное от границы раздела сред, регистрацию начинают после прихода на прием5 мое устройство переднего фронта импульса опорного излучени  через врем  большее или равное длительности импульса и меньшее или равное времени прохождени  светом рассто ни  от границы раздела сред до объекта и обратно, корректирующую систему располагают на входной апертуре приемного устройства и выполн ют в виде двух софокусных линз и матрицы инерционных оптических нейронов с временем релаксации большим времени распространени  света от границы раздела сред до объекта и обратно, расположенной в плоскости изображени  первой линзой освещенного участка границы раздела сред, при этом

приемное устройство и лазер располагают так, что освещенный участок границы раздела сред находитс  в поле зрени  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 .

Фиг. Z

. 5