Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности
Владельцы патента RU 2400705:
Учреждение Российской академии наук институт прикладной физики РАН (RU)
Устройство содержит расположенные на оптической оси объектив, модулятор изображения, установленный в фокальной плоскости объектива, интегрирующий фотоприемник и блок формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности. Перед фокальной плоскостью упомянутого объектива установлена подвижная призма для вращения изображения. Модулятор изображения выполнен в виде вращающегося диска-эталона с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой в виде многозаходной спирали с изменяющейся частотой. Диск-эталон снабжен меткой для синхронизации движения призмы с вращением модулятора. Окно анализа установлено перед интегрирующим фотоприемником так, что в его пределах коэффициент прозрачности эталонной периодической структуры имеет периодическое распределение с постоянной пространственной частотой. Интегрирующий фотоприемник соединен с блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), а функции блока формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности выполняет компьютер, снабженный аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Технический результат - разработка устройства оптической спектральной обработки, обеспечивающего получение двумерного спектра изображения водной поверхности в реальном времени. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к оптическим аналоговым устройствам для спектральной обработки изображений, например, поверхности моря, с использованием некогерентного света и может быть применено для решения ряда научно-технических задач, в частности, для измерения спектров изображения шероховатой поверхности, в том числе пространственного спектра волнения водной поверхности в реальном времени.
Известны оптические аналоговые анализаторы в некогерентном свете, например оптический анализатор спектра записей сигналов ОСА-2 (см. Зверев В.А., Орлов Е.Ф. «Оптические анализаторы». М.: Советское радио, 1971, стр.96-99). Данный оптический анализатор спектра записей сигналов содержит последовательно расположенные на оптической оси прибора: объектив, блок оптических решеток с механизмом их смещения относительно друг друга, оправу для крепления носителя записи анализируемых сигналов (фотопленку), диафрагму и интегрирующий фотоприемник в виде системы линз с фотоумножителем. Недостатком этого анализатора является необходимость записи изображения водной поверхности на носитель (фотопленку) с целью последующего анализа. Использование носителя уменьшает динамический диапазон анализируемых изображений из-за нелинейности амплитудной характеристики носителя. Кроме того, появляются дополнительные шумы, вносимые носителем изображения, а также теряется возможность оперативной обработки изображений и получения спектров в реальном времени.
Наиболее близким аналогом к разработанному устройству оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности является устройство, известное по авторскому свидетельству №SU 1018132, МПК3 G06G 9/00, G01R 23/16, публ. 15.05.1983 г., которое проводит спектральную обработку оптического изображения шероховатой поверхности, например, морского волнения, одновременно для пяти пространственных частот в реальном времени. Устройство-прототип содержит установленные последовательно объектив для формирования изображения шероховатой поверхности, неподвижно установленный в фокальной плоскости объектива модулятор, оптическую схему и фотоприемник, который электрически соединен с анализатором спектра временных частот. Модулятор представляет собой набор фильтров пространственных частот и выполнен в виде набора оптических решеток, периодических вдоль оси Х и имеющих дискретно отличающиеся периоды вдоль оси Y. Оптическая схема выполнена в виде линзы.
Недостатком ближайшего аналога является то, что устройство регистрирует одновременно только пять пространственных частот спектра волнения водной поверхности и лишь в одном направлении волнового вектора, определяемом осью X, что не позволяет регистрировать реальные физические процессы, происходящие, например, на поверхности океана, поскольку для этого требуется регистрация двумерного спектра волнения в реальном времени при гораздо большем числе одновременно измеренных пространственных частот спектра в различных направлениях волн.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства оптической спектральной обработки, обеспечивающего получение двумерного спектра изображения водной поверхности в реальном времени.
Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что разработанное устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности, так же как и устройство-прототип, содержит расположенные на оптической оси объектив, модулятор изображения, установленный в сопряженной плоскости объектива, интегрирующий фотоприемник и блок формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности.
Новым в разработанном устройстве является то, что перед сопряженной плоскостью упомянутого объектива установлена подвижная призма для вращения изображения шероховатой поверхности, модулятор изображения выполнен в виде вращающегося диска-эталона с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой в виде многозаходной спирали с изменяющейся частотой, кроме того, диск-эталон снабжен меткой для синхронизации движения упомянутой призмы с вращением модулятора, окно анализа установлено перед интегрирующим фотоприемником, соединенным с блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), при этом функции блока формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности выполняет компьютер, снабженный многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
В первом частном случае реализации устройства целесообразно диск-эталон выполнить с дополнительной дорожкой, на которой для формирования опорных синхроимпульсов нанесены метки с частотой, изменяющейся по окружности диска-эталона соответственно изменению пространственной частоты модулятора, и необходимо также ввести считывающую данные метки оптопару, соединенную с одним из входов синхронного детектора, другой вход которого соединить с выходом блока АРУ, выход же синхронного детектора соединить с АЦП.
Во втором частном случае реализации устройства целесообразно в его состав дополнительно ввести сканирующий яркомер для регистрации яркости неба синхронно с записью спектра в блоке формирования и регистрации спектра, содержащий подвижное плоское зеркало, механизм его вращения и фотоприемник, соединенный с АЦП компьютера, при этом оптическую ось фотоприемника яркомера необходимо ориентировать параллельно упомянутой оптической оси устройства.
Устройство поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности в соответствии с пунктом 1 формулы;
на фиг.2 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности в соответствии с пунктом 2 формулы;
на фиг.3 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности в соответствии с пунктом 3 формулы;
на фиг.4 показан пример отображения двумерного спектра волнения в амплитудном виде.
Устройство, представленное на фиг.1, содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 1, подвижную призму 2 для вращения изображения шероховатой поверхности, модулятор 3 изображения, выполненный в виде вращающегося диска-эталона с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой 17 в виде многозаходной спирали, окно анализа 5 и интегрирующий фотоприемник 6, соединенный с блоком АРУ 7. При этом функции блока формирования и регистрации спектра изображения выполняет компьютер 9, снабженный многоканальным блоком АЦП 8. Диск-эталон 3 снабжен меткой 4 для синхронизации собственного вращения с движением призмы 2, обеспечиваемым блоком управления 12 механизма вращения призмы 2. Введенная в устройство оптопара 10 служит для контроля крайних положений поворачивающейся призмы 2 и выработки синхроимпульсов в крайних положениях призмы, а оптопара 11 служит для отслеживания положения метки 4 и выработки синхроимпульса начала поворота диска-эталона 3. Синхроимпульсы с оптопар 10 и 11 подаются на блок управления 12 и на вход блока АЦП 8. При этом окно анализа 5 занимает небольшую часть на периферии диска-эталона 3, так что в его пределах коэффициент прозрачности эталонной периодической структуры 17 имеет периодическое распределение с постоянной пространственной частотой. Упомянутая оптическая ось устройства, на которой располагаются объектив 1, призма 2, модулятор 3, окно анализа 5 и фотоприемник 6, направлена под некоторым углом (углом визирования) к наблюдаемой водной поверхности, двумерный спектр пространственных частот которой требуется измерить или регистрировать в течение некоторого времени.
Устройство, представленное на фиг.2, содержит те же элементы, что и на фиг.1, но при этом диск-эталон 3 выполнен с дополнительной дорожкой, на которой для формирования опорных синхроимпульсов нанесены метки 13 с частотой, изменяющейся по окружности диска-эталона 3 соответственно изменению пространственной частоты эталонной периодической структуры 17. Кроме того, в устройство введена оптопара 14, считывающая метки 13 и соединенная с одним из входов синхронного детектора 15, другой вход которого соединен с выходом блока АРУ 7. Выход синхронного детектора 15 соединен с блоком АЦП 8 компьютера 9.
Устройство, представленное на фиг.3, содержит те же элементы, что на фиг.1 или фиг.2, но дополнено сканирующим яркомером для регистрации яркости неба синхронно с записью спектра в блоке 9 формирования и регистрации спектра. Сканирующий яркомер содержит плоское зеркало 18, механизм его вращения 19 и фотоприемник 20, соединенный с АЦП 8 компьютера 9, при этом оптическая ось фотоприемника 20 яркомера ориентирована параллельно упомянутой в п.1 оптической оси устройства.
В примере конкретной реализации подвижная призма 2, поворачивающая изображение шероховатой поверхности, выполнена в виде так называемой призмы «Пехана», а диск-эталон 3 изготовлен на фотопленке с помощью координатного устройства со «световым» пером, при этом фотопленка закреплена (зажата) между двумя стеклянными дисками.
Разработанное устройство по п.1 формулы и представленное на фиг.1 работает следующим образом. Изображение шероховатой поверхности, например морской поверхности, полученное с помощью объектива 1 в сопряженной плоскости (фокальной плоскости объектива 1), модулируется установленным в ней же диском-эталоном 3 пространственных частот с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой 17 в виде многозаходной спирали с изменяющейся частотой. При каждом обороте диска-эталона 3 в окне анализа 5 происходит последовательный перебор частот эталонной периодической структуры 17 от минимального значения до максимального. После диска-эталона 3 изображение интегрируется по пространству в пределах окна анализа 5 с помощью фотоприемника 6. Модуляционный принцип (см. Зверев В.А., Орлов Е.Ф. «Оптические анализаторы». М.: Советское радио, 1971, стр.96-99) здесь обеспечивается записью на одной пространственной частоте нескольких периодов по фазе (многозаходная спираль нанесена под определенным углом к окружности диска-эталона). В результате временная частота сигнала с выхода интегрирующего фотоприемника 6 прямо пропорциональна частоте эталонной периодической структуры 17 в пределах окна анализа 5 (частота сигнала меняется от 200 Гц до 15 кГц), а амплитуда временного сигнала с выхода интегрирующего фотоприемника 6 оказывается пропорциональна спектру изображения на пространственной частоте, определяемой частотой диска-эталона 3 в окне анализа 5. В блоке АРУ 7 коэффициент усиления сигнала фотоприемника 6 возрастает прямо пропорционально увеличению пространственной частоты эталона 3 в окне анализа 5. Так как спектр волнения и, соответственно, сигнал фотоприемника 6 падает с ростом частоты, блок АРУ 7 позволяет, с одной стороны, выровнять уровень сигнала перед передачей по кабелю и, с другой стороны, "вписаться" в динамический диапазон блока АЦП8.
Для получения двумерных спектров используется дополнительный поворот изображения водной поверхности при помощи призмы 2 (используется так называемая призма "Пехана"). Призма 2 совершает пошаговые вращательные движения в прямом и обратном направлениях в определенном угловом диапазоне. Ось вращения призмы 2 совпадает с оптической осью объектива 1. В крайних положениях призмы 2 с помощью оптопары 10 вырабатываются синхроимпульсы, обеспечивающие возвращение призмы 2 в исходное положение. Вращением призмы 2 управляет блок 12, на который подаются синхроимпульсы с оптопар 10 и 11. Вращение диска-эталона 3 и поворот призмы 2 синхронизированы, так что при одном обороте диска призма 2 поворачивается на один шаг. Таких шагов может быть несколько десятков в зависимости от требуемого размера двумерного спектра.
Амплитуда сигнала на выходе фотоприемника 6 будет пропорциональна двумерному спектру изображения:
где В(x,y) - распределение яркости изображения в окне анализа 5, k - значение частоты диска-эталона 3 в окне анализа 5, φi - угол поворота изображения при i-м шаге призмы 2 (i=1, … N, N - число шагов призмы 2), ω - временная частота сигнала фотоприемника 6, которая пропорциональна k, φ - фаза. Интегрирование в (1) ведется в пределах окна анализа 5. Амплитудное детектирование сигнала для получения спектра изображения происходит в компьютере 9 при формировании двумерного спектра изображения. При вращении диска-эталона 3 и повороте изображения с помощью призмы 2 последовательно регистрируются значения спектра изображения поверхности.
В примере конкретной реализации устройства цикл измерения двумерного спектра занимает 1 сек. За это время последовательно регистрируется двумерный массив спектра изображения размерностью 140 пространственных частот на 25 направлений волнового вектора ("шагов" призмы 2).
Оптическая часть разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности вместе с блоком АРУ 7, выделенная на фиг.1, 2, 3 пунктирной линией, может быть размещена, например, на баке корабля. Остальная (электрическая) часть разработанного устройства, соединенная с упомянутой оптической частью кабелем, может быть установлена в любом месте (помещении) корабля.
Таким образом, разработанное устройство по п.1 позволяет получить двумерный спектр изображения водной поверхности в реальном времени.
Разработанное устройство по п.2 формулы и представленное на фиг.2 работает аналогично устройству по п.1. Отличие в работе заключается в том, что для повышения точности обработки спектральных сигналов, сокращения полосы временных частот и улучшения отношения сигнал/шум используется синхронное детектирование в детекторе 15. В этом варианте устройства диск-модулятор 3 выполнен с дополнительной дорожкой 13, на которой нанесены метки с частотой, изменяющейся по окружности диска соответственно изменению пространственной частоты модулятора (фиг.2), которые служат для формирования опорных синхроимпульсов с помощью дополнительной оптопары 14. Синхроимпульсы, вырабатываемые оптопарой 14, подаются на один из входов синхронного детектора 15, в котором происходит формирование опорных сигналов на частоте ω (формула (1)), синхронное с ними детектирование сигнала с фотоприемника 6, поступающего с блока АРУ 7, и фильтрация низких частот. Сигнал на выходе синхронного детектора 15 будет пропорционален двумерному спектру изображения:
где множитель k перед спектром обусловлен действием АРУ 7.
После блока 15 сигнал по кабелю передается на АЦП 8 и далее на компьютер 9 для дальнейшего формирования и отображения на его мониторе двумерного спектра.
Работа устройства по п.3 формулы (фиг.3) отличается тем, что для восстановления двумерных спектров волнения по спектру изображения морской поверхности дополнительно в состав устройства по п.1 или п.2 введен сканирующий яркомер для регистрации углового распределения яркости зеркального участка неба с синхронной записью через тот же АЦП 8 на компьютер 9. Сканирующий яркомер состоит из вращающегося зеркала 18, расположенного на оси механизма вращения 19 под определенным углом и узкоугольного оптического приемника 20, состоящего из линзы и фотодиода. Ось механизма вращения 19 расположена вертикально. Оптическая ось фотоприемника 20 яркомера ориентирована параллельно упомянутой в п.1 оптической оси устройства. При вращении зеркала 18 с помощью двигателя 19 происходит сканирование зеркального участка небосвода по образующей конуса с углом раствора, определяемым углом наклона зеркала 18 на оси механизма вращения 19. Сигнал с выхода фотодиода оптического приемника 20 через плату АЦП 8 записывается на компьютер 9 для совместной обработки со спектром изображения морской поверхности, что позволяет восстановить реальный двумерный спектр волнения морской поверхности. На экране монитора компьютера 9 спектр волнения обычно отображается трехмерной картинкой (в амплитудном виде), где амплитуда каждой точки определяется амплитудой спектра в этой точке (см. фиг.4). По одной оси откладывается направление распространения волны от 0° до 120° от направления ветра, а по другой оси - пространственная частота волны от 1 1/м до 20 1/м (соответственно длина волны от 1 м до 5 см).
Преимуществами разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности перед аналогичными устройствами с телекамерами являются: большой динамический диапазон, отсутствие "смаза" изображения из-за движения и качки корабля, так как преобразование Фурье здесь осуществляется мгновенно. Благодаря этому разработанное устройство может регистрировать по ходу корабля спектры сколь угодно коротких волн, как только может позволить геометрия наблюдения.
1. Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности, содержащее расположенные на оптической оси объектив, модулятор изображения, установленный в фокальной плоскости объектива, и интегрирующий фотоприемник, а также блок формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности, отличающееся тем, что перед фокальной плоскостью упомянутого объектива установлена подвижная призма для вращения изображения, модулятор изображения выполнен в виде вращающегося диска-эталона с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой в виде многозаходной спирали с изменяющейся частотой, диск-эталон снабжен меткой для синхронизации движения призмы с вращением модулятора, а окно анализа установлено перед интегрирующим фотоприемником так, что в его пределах коэффициент прозрачности эталонной периодической структуры имеет периодическое распределение с постоянной пространственной частотой, при этом интегрирующий фотоприемник соединен с блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), а функции блока формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности выполняет компьютер, снабженный аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
2. Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности по п.1, отличающееся тем, что диск-эталон выполнен с дополнительной дорожкой, на которой для формирования опорных синхроимпульсов нанесены метки с частотой, изменяющейся по окружности диска-эталона соответственно изменению пространственной частоты модулятора, и введена считывающая данные метки оптопара, соединенная с одним из входов синхронного детектора, другой вход которого соединен с выходом блока АРУ, выход же синхронного детектора соединен с АЦП.
3. Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности по п.1 или 2, отличающееся тем, что в его состав дополнительно введен сканирующий яркомер для регистрации яркости неба синхронно с записью спектра в блоке формирования и регистрации спектра, содержащий плоское зеркало, механизм его вращения и фотоприемник, соединенный с АЦП компьютера, при этом оптическая ось фотоприемника яркомера ориентирована параллельно упомянутой оптической оси устройства.
