Способ определения геометрических характеристик объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу

 

Изобретение относится к области голографии и может быть использовано в астрономии для распознавания объекта любой геометрической формы, наблюдаемого через турбулентную атмосферу. Способ определения геометрических характеристик объекта, основанный на регистрации N безопорных голограмм интенсивности отраженного от объекта излучения и получения по ним неискаженного квадрата модуля пространственного спектра от объекта. Разделяют отраженное от объекта излучение на два потока равной интенсивности, осуществляют регистрацию N голограмм в первом потоке. Разделяют второй поток на два пучка равной интенсивности, разворачивают один пучок относительно другого на 180°. Определяют мгновенную искаженную фазу пространственного спектра от объекта, восстанавливают истинную фазу пространственного спектра путем накапливания мгновенной фазы пространственного спектра от объекта. Комбинируют восстановленную фазу пространственного спектра с модулем пространственного спектра и, осуществляя обратное Фурье-преобразование, восстанавливают неискаженное атмосферой изображение, по которому судят о геометрических характеристиках объекта. Техническим результатом является повышение точности определения геометрических характеристик объектов. 1 ил.

Изобретение относится к области голографии и может быть использовано в гастрономии для распознавания объекта любой геометрической формы, наблюдаемого через турбулентную атмосферу.

Известны способы определения геометрических характеристик объектов, наблюдаемых через турбулентную атмосферу, основанные на регистрации безопорного пучка голограмм интенсивности и формирования по ним свертки изображения объекта.

Наиболее близким по технической сущности способом к данному (прототипом) является способ определения геометрических характеристик объектов, наблюдаемых через турбулентную атмосферу, включающий регистрацию безопорных голограмм интенсивности отраженного от объекта излучения и получения по ним неискаженного квадрата модуля пространственного спектра от объекта, по которому при обратном Фурье-преобразовании восстанавливают свертку изображения объекта.

Недостатком всех вышеперечисленных способов является их пониженная точность определения геометрических характеристик объектов произвольной формы, так как они позволяют восстанавливать не изображение объекта, а лишь его свертку, из которой геометрические характеристики точно находятся лишь для симметричных объектов.

Целью изобретения является повышение точности определения геометрических характеристик произвольной формы, наблюдаемых через турбулентную атмосферу.

Для достижения поставленной цели перед регистрацией голограмм разделяют отраженное от объекта излучение на два потока равной интенсивности, по первому потоку осуществляют регистрацию N голограмм с экспозициями τ₁, меньшими интервала временной когерентности отраженного от объекта светового излучения, в течение m промежутков времени, меньших интервала временной корреляции атмосферных искажений светового излучения, второй поток разделяют на два пучка равной интенсивности, разворачивают один пучок относительно другого на 180°, квадратично детектируют в течение m промежутков времени излучение суммарного потока развернутых пучков с экспозициями τ₂, меньшими интервала временной корреляции атмосферных искажений светового излучения, но большими интервала временной когерентности отраженного от объекта светового излучения, вычитают из m_j распределения интенсивности квадратного детектированного излучения суммарного потока развернутых пучков, усиленное в раз суммарное распределение интенсивности N голограмм, зарегистрированных по первому потоку в m_j промежуток времени и его ассиметричный аналог, определяют мгновенную искаженную фазу пространственного спектра от объекта путем нормирования разностного распределения интенсивности на произведение модуля пространственного спектра от объекта на корень квадратный из произведения усиленного в раз суммарного распределения интенсивности излучения N голограмм, зарегистрированных по первому потоку в m _j промежуток времени, на его асимметричный аналог, накапливаются ее значения по m промежуткам времени, комбинируют с модулем пространственного спектра от объекта и, осуществляя обратное Фурье-преобразование, восстанавливают неискаженное атмосферой изображение, по которому судят о геометрических характеристиках объекта.

На чертеже представлена схема реализации данного способа, где обозначено:

1 - объект, 2 - турбулентная атмосфера, 3 - искаженное атмосферой отраженное от объекта когерентное световое излучение, 4 - полупрозрачное зеркало, 5, 9 - квадратичные детекторы, 6 - блок памяти, 7 - устройство определения по голограммам интенсивности модуля пространственного спектра от объекта, 8 - интерферометр вращения, осуществляющий разделение светового потока на два пучка равной интенсивности, разворот относительно друг друга на 180° и последующее ее сложение, 10, 12 - сумматоры, 11 - усилитель, 13 - устройство, формирующее ассиметричный аналог исходного распределения интенсивности, 14 - устройство, осуществляющее извлечение квадратного корня из произведения исходных распределения интенсивности, 15 - устройство нормировки, 16 - устройство определения мгновенной фазы пространственного спектра от объекта, 17 - устройство накопления фазы, 18 - устройство формирования изображения объекта по исходным модулю и фазе пространственного спектра.

Дадим краткое математическое обоснование способа.

В течение m_j промежутка времени по первому потоку регистрируют N голограмм интенсивности с экспозициями τ₁:

где - поле на приемной апертуре системы.

В течение этого же промежутка времени квадратично детектируют с экспозицией τ₂ распределение интенсивности суммарного светового потока развернутых пучков

Так как время экспозиции τ₂ превышает интервал временной когерентности поля, то по теореме Ван Циттерта-Цернике

где |Г| - модуль пространственного спектра от объекта,

ψ - его фаза, Ф_ат - атмосферные фазовые искажения.

Отсюда ясно, что

Очевидно, что

где суммирование N голограмм интенсивности осуществляют для их усреднения за интервал, больший времени когерентности поля.

В силу этого

Определяя из (6) мгновенную фазу (Ф _атj+ψ) пространственного спектра от объекта, и осуществляя ее накапливание, восстанавливают истинную фазу ψ:

Здесь использовано известное свойство атмосферных фазовых искажений

Комбинируя теперь восстановленную фазу ψ с модулем пространственного спектра |Г| и, осуществляя обратное Фурье-преобразование, восстанавливают изображение объекта, по которому и судят об его геометрических характеристиках.

Данный способ по схеме, представленной на фиг.1, реализуется следующим образом. Отраженное от объекта 1 искаженное турбулентной атмосферой 2 когерентное световое излучение 3 разделяют полупрозрачным зеркалом 4 на два световых потока равной интенсивности. Первый поток направляют на квадратичный детектор 5 и регистрируют m серий по N голограмм интенсивности с экспозициями τ₂, которые запоминают в блоке памяти 6. По зарегистрированным m×N голограммам интенсивности в устройстве 7 определяют модуль пространственного спектра от объекта N голограмм интенсивности каждой m_j серии суммируют в устройстве 10 и усиливают в раз в устройстве 11, и по полученному усиленному суммарному распределению интенсивности в устройстве 13 определяют его асимметричный аналог, после чего выходные сигналы с устройств 11 и 13 подают на входу устройств 12 и 14. Второй поток направляют в интерферометр вращения 8, в котором его разделяют на два пучка равной интенсивности, разворачивают их друг относительно друга на 180° и суммируют. Суммарный световой поток развернутых пучков с выхода интерферометра 8 направляют на квадратичный детектор 9 и в течение m промежутков времени регистрируют с экспозициями τ₂ m распределений интенсивности. Из m_j распределения интенсивности суммарного светового потока развернутых пучков в сумматоре 12 вычитают усиленное суммарно распределение N голограмм интенсивности m _j серии и его асимметричный аналог, полученные на выходе устройств 11 и 13, разностное распределение интенсивности в устройстве 15 нормируют на модуль пространственного спектра от объекта, полученный в устройстве 7, и полученный в устройстве 14 корень квадратный из произведения усиленного суммарного распределения интенсивности N голограмм интенсивности m_j серии и его асимметричного аналога. По полученному в устройстве 15 нормированному разностному распределению интенсивности определяют в устройстве 16 m_j мгновенную искаженную фазу пространственного спектра от объекта, накапливают m ее значений в устройстве 17 и комбинируя ее с модулем пространственного спектра от объекта, полученным в устройстве 7, формируют в устройстве 18 изображение объекта, по которому точно определяют геометрические характеристики объекта произвольной формы.

Формула изобретения

Способ определения геометрических характеристик объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, основанный на регистрации N безопорных голограмм интенсивности отраженного от объекта излучения и получения по ним неискаженного квадрата модуля пространственного спектра от объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения геометрических характеристик объектов, разделяют отраженное от объекта излучение на два потока равной интенсивности, осуществляют регистрацию N голограмм в первом потоке с экспозициями τ₁, меньшими интервала временной когеретности отраженного от объекта светового излучения, в течение m промежутков времени, меньших интервала временной корреляции, атмосферных искажений светового излучения, разделяют второй поток на два пучка равной интенсивности, разворачивают один пучок относительно другого на 180°, квадратично детектируют в течение m промежутков времени излучения суммарного потока развернутых пучков с экспозициями τ₂, меньшими интервала временной коррекции атмосферных искажений светового излучения, но большими интервала временной когерентности отражения от объекта светового излучения, вычитают из m_j распределения интенсивности квадратично детектированного излучения суммарного потока развернутых пучков, усиленное в τ₂/4Nτ₁ раз суммарное распределение интенсивности N голограмм, зарегестрированных в первом потоке в m _j промежуток времени и его асимметричный аналог, определяют мгновенную искаженную фазу пространственного спектра от объекта, восстанавливают истинную фазу пространственного спектра путем накапливания мгновенной фазы пространственного спектра от объекта по m промежуткам времени, комбинируют восстановленную фазу пространственного спектра с модулем пространственного спектра и, осуществляя обратное Фурье-преобразование, восстанавливают неискаженное атмосферой изображение, по которому судят о геометрических характеристиках объекта.

РИСУНКИ