Адаптивный телескоп

 

Использование: в приборостроении. Сущность изобретения: адаптивный телескоп содержит зеркальную систему 10, светоделитель 11, устройство 12 регистрации изображения, маску 13, фотодетектор 14, устройство 15 максимизации качества изображения, первое управляемое плоское зеркало 16, телевизионный датчик 17, телевизионный угловой дискриминатор 18, блок 19 управления зеркалом 16, пиковые детекторы 20, второе управляемое плоское зеркало 21, блок 22 поворота зеркала 21. 2 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в некогерентных оптических системах наблюдения протяженных объектов, работающих в условиях атмосферных искажений.

Атмосферные искажения приводят к ухудшению разрешающей способности оптических систем формирования изображения. Известен ряд методов преддетекторной обработки сигналов, обеспечивающих повышение разрешающей способности в условиях атмосферных искажений: короткая экспозиция [1] спекл-интерферометрия [2] адаптивная оптика [1] Методы адаптивной оптики при обеспечении соответствующего быстродействия адаптивного контура обеспечивают коррекцию искажений в реальном масштабе времени и возможность получения прямых изображений с разрешением, близким к дифракционному. При этом может быть использовано косвенное измерение искажений по различным характеристикам качества формируемых изображений функциям резкости [2] Адаптация по функциям резкости, как правило, возможна при наличии априорной информации о контуре наблюдаемого объекта и его положении в угловом поле системы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является адаптивный телескоп [3] схема которого приведена на фиг.1.

Зеркальная система 1, корректор 2 волнового фронта линзовая система 3, светоделитель 4 и устройство 5 регистрации изображения последовательно расположены на оптической оси телескопа и оптически связаны между собой. С помощью светоделителя 4 выход линзовой системы 3 оптически связан с входом фотодетектора 7, который установлен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью изображения. Перед фотодетектором установлена маска (амплитудный пространственный фильтр) 6 с отверстием, соответствующим контуру наблюдаемого объекта. Пропускание маски.

M(r) где S_о область, ограниченная контуром объекта.

Выход фотодетектора 7 связан с входом устройства 8 максимизации качества изображения, число выходов которого равно числу управляющих входов 2 корректора волнового фронта. Каждый выход устройства 8 максимизации качества изображения подключен к соответствующему управляющему входу корректора 2 волнового фронта 2.

Адаптивный телескоп работает следующим образом.

Принимаемый оптический сигнал с фазовыми атмосферными искажениями проходят через зеркальную систему 1, корректор 2 волнового фронта, линзовую систему 3 и светоделитель 4. С помощью линзовой системы 3 в плоскости изображения формируется изображение наблюдаемого объекта, которое регистрируется устройством 5 регистрации изображения. Кроме того, с помощью фотодетектора 7 регистрируется доля энергии принимаемого сигнала, приходящаяся в изображении на априорно известный контур наблюдаемого объекта, которому соответствует маска 6. Поскольку в результате фазовых искажений изображение размывается, при согласовании положения маски 6 с положением объекта в угловом поле телескопа выходной сигнал фотодетектора 7 тем больше, чем выше качество изображения. Таким образом, маска 6 и фотодетектор 7 представляют собой простейший датчик качества изображения. Выходной сигнал фотодетектора 7 поступает на вход устройства 8 максимизации качества изображения. Схема устройства 8 максимизации качества изображения и его принцип действия известны [1] Оно реализует управление корректора 2 волнового фронта с частотным разделением каналов и пpедставляет собой многоканальный блок обpаботки с генеpатоpами модулирующих напряжений, синхронными детекторами, фильтрами нижних частот и сумматорами в каждом канале. Число каналов pавно числу управляющих входов корректора 2 волнового фронта. Благодаря работе устройства 8 максимизации качества изобpажения формируются упpавляющие воздействия на корректор 2 волнового фронта, обеспечивающие максимальный выходной сигнал фотодетектора 7. Быстродействие устройства 8 максимизации качества изображения, корректора 2 волнового фронта и фотодетектора 7 выбирается таким образом, чтобы косвенное измерение и коррекция искажений осуществлялись за время "замороженности" искажений. В результате устройство 5 регистрации изображения в реальном масштабе времени регистpиует изображение наблюдаемого объекта с улучшенной разрешающей способностью.

Однако высокое быстpодействие уcтройства максимизации качества изображения обеспечиваетcя только при наличии априорной информации о положении объекта в угловом поле и соответствующей установке маски перед входом фотодетектора. Если же маска установлена с погрешностью, то быстродействие устройства максимизации качества изображения существенно ухудшается. Принципиальная возможность сходимости к улучшенному изображению наблюдаемого объекта за счет работы устройства максимизации качества изображения и корректора волнового фронта сохраняется при произвольном положении маски в области, соответствующей ширине диаграммы направленности отдельной субапертуры корректора волнового фронта, однако чем больше расхождение между положением маски и истинным положением объекта, тем хуже быстродействие устройства на начальном этапе процесса адаптации. При решении широкого класса задач, связанных с наблюдением протяженных объектов, в том числе и известной формы, начальное их положение в угловом поле неизвестно, следовательно, в известном адаптивном телескопе имеет место погрешность установки маски и, как следствие, низкое быстродействие адаптивного контура на начальном этапе процесса адаптации.

Техническим результатом изобретения является увеличение быстpодействия адаптивного контура при неизвестном положении наблюдаемого объекта в угловом поле адаптивного телескопа.

Технический результат достигается тем, что в адаптивный телескоп, содеpжащий последовательно установленные на оптической оси зеркальную систему, корректор волнового фронта, линзовую систему, светоделитель и устройство регистрации изображения, а также последовательно установленные на оптической оси маску с отверстием, соответствующим контуру наблюдаемого объекта, и фотодетектор, выход котоpого соединен с входом устpойства максимизации качества изобpажения, выходы которогo соединены с соответствующими управляющими входами корректора волнового фронта, введены первое плоское зеркало с блоком управления, установленное с возможностью ввода и вывода с оптической оси устройства, второе плоское зеркало с блоком поворота, установленное с возможностью поворота вокpуг своей оси, последовательно соединенные телевизионный датчик и телевизионный угловой дискриминатор, а также два пиковых детектора, входы которых соединены с соответствующими выходами телевизионного углового дискриминатора, а выходы с соответствующими входами блока поворота второго плоского зеркала, причем второй выход телевизионного датчика соединен с входом блока упpавления первого зеркала, второе плоское зеркало оптически соединено через маску с фотодетектором, а первое плоское зеркало размещено между вторым плоским зеркалом и светоделителем и оптически соединено с телевизионным датчиком.

На фиг.2 приведена схема предлагаемого адаптивного телескопа.

Зеркальная система 8, корректор 9 волнового фронта, линзовая система 10, светоделитель 11 и устройство 12 регистрации изображения последовательно расположены на оптической оси системы и оптически связаны между собой. При введении плоского зеркала 16 на оптическую ось устройства (положение А) выход линзовой системы 10 с помощью светоделителя 11 и плоского зеркала 16 оптически связан с входом телевизионного датчика 17, а при выведении плоского зеркала 16 с оптической оси устройства (положение Б) выход линзовой системы 10 с помощью светоделителя 11 и управляемого плоского зеркала 21 оптически связан с входом фотодетектора 14, который установлен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью изображения. Перед фотодетектором установлена маска (амплитудный пространственный фильтр) 13 с отверстием, соответствующим контуру наблюдаемого объекта. Как и в прототипе, пропускание маски M(r) где S_о область, ограниченная контуром наблюдаемого объекта, однако не предъявляется строгих требований к точному согласованию ее установки с положением объекта в угловом поле телескопа. Выход фотодетектора 14 связан с входом устройства 15 максимизации качества изображения, число выходов которого равно числу управляющих входов корректора 9 волнового фронта. Каждый выход устройства 15 максимизации качества изображения подключен к соответствующему управляющему входу корректора 9 волнового фронта. Телевизионный датчик 17 установлен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью изображения и имеет два выхода. К первому выходу телевизионного датчика 17 подключен телевизионный угловой дискриминатор 18, а к второму блок 19 управления, управляющий зеркалом 16. К выходам телевизионного углового дискриминатора 18 подключены пиковые детекторы 20, выходы которых соединены с входами блока 22 поворота, управляющего зеркалом 21.

Адаптивный телескоп работает следующим образом.

Принимаемый оптический сигнал с фазовым атмосферными искажениями проходит через зеркальную систему 8, корректор 9 волнового фронта, линзовую систему 10 и светоделитель 11. С помощью линзовой системы 10 в плоскости изображения формируется изобретение наблюдаемого объекта, которое регистрируется устройством 12 регистрации изображения. Плоское зеркало 16 в исходном состоянии находится в положении А. При этом изображение объекта регистрируется также телевизионным датчиком 17. Полный телевизионный сигнал с первого выхода телевизионного датчика 17 поступает в телевизионный угловой дискриминатор 18, на двух выходах которого за период кадровой развертки формируются напряжения, пропорциональные угловым координатам центра тяжести изображения оптической оси устройства. Напряжения с выходов телевизионного углового дискриминатора 18 через пиковые детекторы 20 поступают на блок 22 поворота, управляющий зеркалом 21. Пиковые детекторы 20 обнуляются перед включением устройства и в течение работы по данному объекту сохраняют значения напряжений, пропорциональных угловым координатам центра тяжести изображения относительно оптической оси устройства. В результате плоское зеркало 21 поворачивается блоком 22 поворота таким образом, чтобы наблюдаемый объект оказался на оптической оси устройства, а маска 13 при ее установке на оптической оси оказалась согласована с положением объекта в угловом поле.

Оценка углового положения объекта и формирование управляющих напряжений на управляемое зеркало 21 происходит в течение периода кадровой развертки телевизионного датчика 17. После периода кадровой развертки по кадровому гасящему импульсу, формируемому на втором выходе телевизионного датчика 17, блок 19 управления устанавливает плоское зеркало 16 в положение Б. При этом принимаемый сигнал с выхода линзовой системы 10 через светоделитель 11 и плоское зеркало 21 начинает поступать на вход фотодетектора 14 и работа системы происходит аналогично работе прототипа. С помощью фотодетектора 14 регистрируется доля энергии принимаемого сигнала, приходящаяся в изображении на априорно известный контур наблюдаемого объекта, которому соответствует маска 13. Благодаря оценке углового положения объекта и соответствующему повороту зеркала 21 относительное положение маски 13 с самого начала процесса адаптации оказывается согласовано с положением объекта в угловом поле телескопа. Поскольку в результате фазовых искажений изображение размывается, выходной сигнал фотодетектора 14 тем больше, чем выше качество изображения. Этот сигнал поступает на вход устройства 15 максимизации качества изображения. Схема устройства 15 максимизации качества изображения и принцип его действия известны [1] Оно реализует управление корректором 9 волнового фронта с частотным разделением каналов и представляет собой многоканальный блок обработки с генераторами модулирующих напряжений, синхронными детекторами, фильтрами низких частот и сумматорами в каждом канале. Число каналов равно числу управляющих входов корректора 9 волнового фронта. Благодаря работе устройства 15 максимизации качества изображения формируются управляющие воздействия на корректор 9 волнового фронта, обеспечивающие максимальный выходной сигнал фотодетектора 14. Быстродействие устройства 15 максимизации качества изображения, корректора 9 волнового фронта и фотодетектора 14 выбирается таким образом, чтобы косвенное измерение и коррекция искажений осуществлялись за время "замороженности" искажений. В результате устройство 12 регистрации изображения в реальном масштабе времени регистрирует изображение наблюдаемого объекта с улучшенной разрешающей способностью. При этом процесс адаптации начинается в условиях, когда относительное положение маски 13 согласовано с положением объекта в угловом поле телескопа и реализуется максимальное быстродействие устройства 15 максимизации качества изображения. Управляемые плоские зеркала 16 и 21, блок 19 управления и блок 22 поворота могут быть выполнены на основе биморфных пьезоэлектрических дефлекторов, обладающих необходимым для данного устройства высоким быстродействием.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого адаптивного телескопа по сравнению с прототипом является увеличение быстродействия адаптивного контура при неизвестном положении наблюдаемого объекта в угловом поле. Оно обусловлено отмеченным различием условий, в которых начинается процесс адаптации. В прототипе для реализации максимального быстродействия устройства максимизации качества изображения необходима априорная информация об угловом положении объекта, исходя из которой осуществляется установка маски. При этом сходимость процесса адаптации определяется величиной постоянной времени отдельного канала устройства максимизации качества изображения. Если же вследствие априорной неопределенности углового положения объекта имеет место погрешность установки маски, то сходимость процесса адаптации, если и возможна (при положении объекта в пределах диаграммы направленности отдельной субапертуры корректора волнового фронта), то за время, но порядок превышающее постоянную времени отдельного канала устройства максимизации качества изображения. В предлагаемом устройстве сходимость процесса адаптации начинается после одного периода кадровой развертки, но всегда при согласовании положения маски с угловым положением объекта и, следовательно, с быстродействием, определяющимся величиной постоянной времени отдельного канала. С учетом того, что период кадровой развертки специального телевизионного датчика и постоянная времени отдельного канала могут быть соизмеримы (например, составлять десятки миллисекунд), выигрыш в быстродействии на начальном этапе процесса адаптации по сравнению с прототипом при неизвестном положении объекта в угловом поле устройства составляет 3-5 раз. Кроме того, объект может занимать произвольное положение в угловом поле телескопа, а не обязательно в пределах диаграммы направленности отдельной субапертуры.

Формула изобретения

АДАПТИВНЫЙ ТЕЛЕСКОП, содержащий последовательно установленные на оптической оси зеркальную систему, корректор волнового фронта, линзовую систему, светоделитель и устройство регистрации изображения, а также последовательно установленные на оптической оси маску с отверстием, соответствующим контуру наблюдаемого объекта, и фотодетектор, выход которого соединен с входом устройства максимизации качества изображения, выходы которого соединены с соответствующими управляющими входами корректора волнового фронта, отличающийся тем, что в адаптивный телескоп введены первое плоское зеркало с блоком управления, установленное с возможностью ввода и вывода с оптической оси устройства, второе плоское зеркало с блоком поворота, установленное с возможностью поворота вокруг своей оси, последовательно соединенные телевизионный датчик и телевизионный угловой дискриминатор, а также два пиковых детектора, входы которых соединены с соответствующими выходами телевизионного углового дискриминатора, а выходы - с соответствующими входами блока поворота второго плоского зеркала, причем второй выход телевизионного датчика соединен с входом блока управления первого зеркала, второе плоское зеркало оптически соединено через маску с фотодетектором, а первое плоское зеркало размещено между вторым плоским зеркалом и светоделителем и оптически соединено с телевизионным датчиком.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2