Интерферометрический способ формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу

 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в астрономии для формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу. Технический результат заключается в повышении точности. Способ заключается в приеме светового излучения, делении его на два потока излучения, делении одного потока на два пучка излучения равной интенсивности, формировании по ним интерферограммы вращения, регистрации N распределений интенсивности интерферограммы в узком спектральном диапазоне в течение N промежутков времени, меньших интервала временной корреляции атмосферных искажений, восстановлении пространственного спектра объекта и формировании по нему изображения объекта. Согласно изобретению перед восстановлением пространственного спектра делят второй поток одновременно с первым на два пучка излучения равной интенсивности. Затем осуществляют фазовую задержку одного пучка на π/2 относительно другого, формируют по ним интерферограмму вращения. После этого осуществляют регистрацию N распределений интенсивности интерферограммы, формируют разностные распределения интенсивности первой и второй интерферограмм, квадратично их детектируют. Затем запоминают продетектированные сигналы по N промежуткам времени и сравнивают их, формируя при этом квадрат модуля и разностные фазы спектра объекта. 1 ил.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в астрономии для формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу.

Известны способы формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, основанные на регистрации голограмм интенсивности и формировании по ним модуля пространственного спектра объекта.

Основными недостатками этих способов является то, что они позволяют получать не весь пространственный спектр объекта, а его модуль, по которому восстанавливают изображение только симметричного объекта, а также необходимость когерентного подсвета наблюдаемого объекта для получения его голограмм интенсивности.

Известен интерферометрический способ формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, заключающийся в приеме светового излучения, делении его на два потока излучения, делении одного потока на два пучка излучения равной интенсивности, формировании по ним интерферограммы вращения, регистрации N распределений интенсивности интерферограммы в узком спектральном диапазоне в течение N промежутков времени, меньших интервала временной корреляции атмосферных искажений, восстановлении пространственного спектра объекта и формировании по нему изображения объекта.

Основным недостатком этого способа является пониженная точность формирования изображения объекта, обусловленная пониженной точностью восстановления фазы пространственного спектра объекта.

Целью изобретения является повышение точности формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу.

Поставленная цель достигается тем, что в интерферометрическом способе формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, заключающемся в приеме светового излучения, делении его на два потока излучения, делении одного потока на два пучка излучения равной интенсивности, формировании по ним интерферограммы вращения, регистрации N распределений интенсивности интерферограммы в узком спектральном диапазоне в течение N промежутков времени, меньших интервала временной корреляции атмосферных искажений, восстановлении пространственного спектра объекта и формировании по нему изображения объекта, перед восстановлением пространственного спектра делят второй поток одновременно с первым на два пучка излучения, равной интенсивности, осуществляют фазовую задержку одного пучка на π/2 относительно другого, формируют по ним интерферограмму вращения, осуществляют регистрацию N распределений интенсивности интерферограммы, формируют разностные распределения интенсивности первой и второй интерферограмм, квадратично их детектируют, запоминают продетектированные сигналы по N промежуткам времени и сравнивают их, формируя при этом квадрат модуля и разностные фазы спектра объекта.

На чертеже представлена схема реализации интерферометрического способа формирования изображения объекта.

Здесь 1 - искаженное атмосферой световое излучение от наблюдаемого объекта, светофильтр 2, полупрозрачное зеркало 3, интерферометр 4 вращения, квадратичный детектор 5, фазовая пластинка 6, с помощью которой осуществляется фазовая задержка во втором потоке одного пучка относительно другого на π/2, интерферометр 7 вращения, квадратичный детектор 8, устройство 9 формирования разностных распределений интенсивности одновременно зарегистрированных интерферограмм вращения, квадратичный детектор 10 сформированных разностных распределений, устройство 11 накопления, процессор 12, с помощью которого осуществляется сравнение полученных при накоплении распределений интенсивности, процессор 13 восстановления по результатам сравнения пространственного спектра и формирования по нему изображения объекта.

Искаженное атмосферное поле светового излучения от наблюдаемого объекта в плоскости приемной апертуры системы может быть представлено в виде:

где - неискаженное поле,

- амплитудные искажения,

- фазовые искажения, обусловленные атмосферной турбулентностью.

С помощью полупрозрачного зеркала 3 принимаемое световое излучение разделяют на два световых потока и

Интерферометром вращения 4 разделяют первый поток на два пучка равной интенсивности, разворачивают их друг относительно друга на 180° и, осуществляя сложение пучков, формируют первую интерферограмму вращения с полем.

регистрируя которое детектором 5, получают распределение интенсивности первой интерферограммы

где

а через обозначено временное усреднение по интервалам временной когерентности поля .

В соответствии с теоремой Ван Циттерта-Цернике справедливо равенство

где |γ| и ψ - модуль и фаза пространственного спектра объекта: γ=|γ|exp{iψ}

Интерферометром вращения 7 разделяют второй поток на два пучка равной интенсивности, осуществляют фазовую задержку одного пучка относительно другого на π/2 с помощью фазовой пластинки 6, разворачивают на 180° и формируют вторую интерферограмму вращения с полем

регистрируя которое детектором 8, получают распределение интенсивности второй интерферограммы

где:

Рассмотрим разностное распределение интенсивности

После квадратичного детектирования R ₁ в 9 и накопления по N промежуткам времени, меньшим интервала временной корреляции атмосферных искажений (в устройстве 10), при котором происходит усреднение атмосферных искажений светового излучения (будем далее обозначать статистическое усреднение по атмосферным искажениям символом <·> _AT), получаем распределение

Так как дисперсия атмосферных фазовых искажений светового излучения в оптическом диапазоне для волн существенно превышает 2π, то среднее от sin в выражении (9) равно нулю, а в силу изотропности и однородности атмосферных искажений также справедливо равенство

Таким образом, по величине _AT с точностью до константы (не влияющей на качество формируемого изображения) получают квадрат модуля пространственного спектра объекта. Рассмотрим разностное распределение интенсивности

где - вектор сдвига, не превышающий по величине пространственный радиус корреляции атмосферных искажений, а также разностные распределения и

Несложно показать, что для этих распределений справедливо равенство

Так как меньше пространственного радиуса корреляции атмосферных искажений светового излучения, то β≈1.

Аналогично для распределений

получим соотношение

Таким образом, по результатам сравнения (14) и (17) полученных при накоплении квадратичного детектированных разностных распределений R₂÷R ₆ получают разностную фазу пространственного спектра объекта с шагом ; сформировав подобные (11), (12), (13), (15) и (16) разностные распределения с вектором сдвига , перпендикулярным по направлению и равным по величине вектору , после их квадратичного детектирования, накопления и сравнения получают разностную фазу пространственного спектра объекта с шагом . По этим разностным фазам формируют фазу пространственного спектра и, объединяя ее с модулем, полученным в (9), восстанавливают пространственный спектр объекта с последующим формированием по нему изображения.

Следует заметить, что, как видно из вышеприведенной последовательности операций, разностные фазы спектра получают уже после усреднения по атмосферным искажениям (накопления по промежуткам времени регистрации), в то время как в прототипе усредняют мгновенные фазы, полученные по мгновенным разностным фазам. Это позволяет в предложенном способе в отличие от прототипа восстанавливать скачки фазы спектра объекта, что устраняет основную причину пониженной точности прототипа.

Принимаемое световое излучение 1 спектрально фильтруют в светофильтре 2 и разделяют полупрозрачным зеркалом 3 на два потока. Первый поток в интерферометре вращения 4 разделяют на два пучка равной интенсивности, разворачивают их друг относительно друга на 180°, осуществляя сложение пучков, формируют первую интерферограмму вращения, после чего регистрируют на квадратичном детекторе 5 N ее распределений интенсивности в течение промежутков времени. Второй поток в интерферометре вращения 7 разделяют на два пучка равной интенсивности, осуществляют фазовую задержку на π/2 с помощью фазовой пластинки 6, разворачивают на 180° и формируют вторую интерферограмму вращения, после чего регистрируют на квадратичном детекторе 8 N ее распределений интенсивности (одновременно с регистрацией N распределений интенсивности первой интерферограммы вращения). Затем с помощью устройства 9 формируют разностные распределения (R₁, R ₂, R₃, ...) одновременно зарегистрированных интерферограмм, осуществляют их квадратичное детектирование в устройстве 10 и накапливают в устройстве 11. Полученные при накоплении квадратично детектированные разностные распределения сравнивают в процессоре 12 (получая при этом квадрат модуля и разностные фазы спектра объекта), а с помощью процессора 13 восстанавливают по результатам сравнения пространственный спектр и формируют по нему изображение объекта.

Формула изобретения

Интерферометрический способ формирования изображения объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, заключающийся в приеме светового излучения, делении его на два потока излучения, делении одного потока на два пучка излучения равной интенсивности, формировании по ним интерферограммы вращения, регистрации N распределений интенсивности интерферограммы в узком спектральном диапазоне в течение N промежутков времени, меньших интервала временной корреляции атмосферных искажений, восстановлении пространственного спектра объекта и формировании по нему изображения объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, перед восстановлением пространственного спектра делят второй поток одновременно с первым на два пучка излучения равной интенсивности, осуществляют фазовую задержку одного пучка на π/2 относительно другого, формируют по ним интерферограмму вращения, осуществляют регистрацию N распределений интенсивности интерферограммы, формируют разностные распределения интенсивности первой и второй интерферограмм, квадратично их детектируют запоминают продетектированные сигналы по N промежуткам времени и сравнивают их, формируя при этом квадрат модуля и разностные фазы спектра объекта.

РИСУНКИ