Способ адаптивного формирования изображения объекта, находящегося за неровной границей раздела сред

(19)544 А 02 В 23/12, 27/00, 27/5 ГОсудАРстВеннОе пАтентнОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ЗОБ РЕТЕ АН ДВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Изобретение относится к адаптивной оптике и может использоваться при поиске обьектов под взволнованной поверхностьюводы,Традиционные способы коррекции изображения объекта, расположенного за искажающей средой, заключаются в том, что адаптивное устройство, управляемое излучением опорного источн го по одну сторону от и изучаемым объектом, ко жение эталонного источ дится на изучаемь 1 й волновой фронт излуч объекта деформируетс дой там же как волнов ика, расположенноскажающей среды с рректирует изобраника, а затем навообъект, Поскольку ения от изучаемогоискажающей среой фронт излучения(21) 4852770/10 ДЯЩЕГОСЯ ЗА НЕРОВНОЙ ГРАНИЦЕЙ(46) 30;04,93. Бюл, М 16(57) Использование; при поиске объектов(71) Государственный оптический институт под взволнованной поверхностью воды.им. С.И,Вавилова Сущность изобретения: освещение объекта(72) В.Е.Семенов производят импульсным лазером, располо(56) Лукьянов Д.П; и др. Оптические адап- женным по одну сторону от границы раздетивные системы, М.; Радио и связь,1989, ла сред с приемным устройством, причемс.22,длительность импульса меньше вреМениМаныкин ЭА., Сурина И.И, Нейтрон- распространениясветаотграницы разделаные сети и их ойтичесКие реалйзации. Об- сред до изучаемого обьекта и обратно. Отзор, М., 1988, раженное излучение принимают приемнымЯРЕ, 1988, ч,1021, р, 128. устройством, расположенным таким обраГиббс Х, Оптическая бистабильность. зом, что освещенный лазером участок граУправление светов с помощью света. М,: ницы раздела сред попадает в поле зренияМир, 1988,: приемного устройства, отклонение оптиче.огпа Ое Р)узсОе Соосое с,2, ских осей лазера и приемного устройства отЯцрревепт ап Я 6, Тоае 49, р.239 - 242,)оп нормали к плоскости, ближайшей к границе1988. раздела среде, не превосходит среднеквадДАН СССР,268,844(1983), .ратичного наклона границы раздела сред кКвантовая электроника, т.14, В 3, 1987, этой плоскости, а на входной апертуре прис.586-591. емного устройства устанавливают самонаФТП,т.19, вып 1,1985 г., с.3-27. страивающуюся по отраженному отКвантовая электроника,т.14. Ь 3,1987, границы раздела сред излучению систему,с. 529 : .эквивалентную двум софокусным линзам и:. ОМП Ь 10,1987,с.48 - 57. магрице инерционных оптических нейро(54) СПОСОБ АДАПТИВНОГО ФОРМИРО- . нов, расположенной в плоскости изображеВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТА,НАХО- . ния первой линзой освещенного участкаграницы раздела сред, 3 ил,опорного источника, постольку адаптивная система исправляет изображение объекта.Рассмотрим методы адаптивной фазовой компенсации в системах формирования изображений, использовав схему на фиг,1, Применяемые здесь методы компенсации искажений волнового фронта (или адаптации по волновому фронту) и повышения резкости иэобракения аналогичны методам фазового сопряжения и апертурного зондирования, В первом случае необходим опорный точечный источник, расположенный в одной изопланатической области с объектом. При использовании метода повышения резкости, являющегося разновидностью метода апертурного зонди;ования, Фазовые искажения анализируются косвенно, измеряя градиенты функционалов резкости в плоскости изображения.При коррекции изобракения объекта, расположенного за неровной границей раздела сред, необходимо компенсировать огромные по сравнению с длиной волны искажения волнового фронта, Метод апертурного зондирования не работает при больших фазовых искажениях (функционалы резкости имеют бесчисленное множест.во локальных максимумов) и решать поставленную задачу не может, Поэтому в качестве прототипа выбран способ коррекциианалогичный методу фазового сопряжения. Свет от обьекта 1 проходит через искажающую волновой фронт среду 2 и далее попадает на линзу 3. Управляемый корректирующий элемент 4 корректирует фазу пучка в соответствии с информацией о фазовых искажениях излучения опорного источника 5 и в плоскости изображения создает скорректированное изображение объекта, В случае поиска объекта, находящегося за неровной границей раздела сред, как правило, нет возможности установить источник эталонного излучения рядом с обьектом поиска.Целью изобретения является обеспечение возможности коррекции изображения объекта без создания источника опорного излучения по одну с объектом сторону от границы раздела сред,Цель достигается тем, что в способе адаптивного формирования изображения обьекта, находящегося эа неровной границей раздела сред, включающем освещение объекта каллимированным излучением лазера, расположенным с противоположной объекту стороны от границы раздела сред, регистрацию с помощью приемного устройства изображения объекта в отраженном от него свете и коррекцию изображения путем управления с помощью опорного излучениякорректирующей системой, расположенной перед приемным устройством, в отличие от прототипа освещение объекта производят импульсным излучением с длительностью 5 импульса, меньшей времени прохожденияизлучения от границы раздела сред до объекта и обратно, в качестве опорного излучения используют освещающее излучение, отраженное от границы раздела сред, реги страцию начинают после прихода на приемное устройство переднего фронта импульса опорного излучения через время большее или равное длительности импульса и меньшее или равное времени прохождения све том расстояния от границы раздела сред иобратно, корректирующую систему располагают на входной апертуре приемного устройства и выполняют в виде двух софокуснь 1 х линз и матрицы инерционных 20 оптических нейронов с временем релаксации большим времени распространения света от границь 1 раздела сред до объекта и обратно, рэсполокенной в плоскости изображения первой линзой освещенного уча стка границы раздела сред. при этомприемное устройство и лазер располагаюттак, что освещенный лазером участок грани 30 35 40 45 50 55 цы раздела сред находится в поле зрения 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.Оптическим нейроном называют устройство с коэффициентом передачи К равным нулю, если интенсивность управляющего излучения меньше пороговой, и равным единице, если интенсивность управляющего излучения больше пороговой, Под коэффициентом передачи мы понимаем отношение сигнала на выходе устройства к сигналу на входе. Освещенные излучением, отраженным от границы раздела сред, участки матрицы оптических нейро-нов переходят в состояния с коэффициентом передачи, равным единице, и затем релаксируют к состоянию с коэффициентом передачи, равным нулю, Время релаксации должно быть много больше времени распространения света от границы раздела сред до изучаемого объекта и обратно, Излучение, отраженное от изучаемого объекта, проходит через самонастраивающееся устройство и регистрируется регистрирующим устройством, которое включается не ранее чем через время, равное длительности импульса после прихода на приемное устройство переднего фронта импульса, отраженного от границы разделасред, и не позднее чем через время, эа которое свет проходит расстояние от границы раздела сред до изучаемого обьекта и обратно, Другими словами, сущность предложенного способа заключается в том, что излучение импульсного лазера, отраженное от границы раздела сред, попадает в самонастраивающееся устройство и переводит участки матрицы нейронов в состояния с коэффициентом передачи, равным единице. Регистрирующее устройство включается сразу после окончания импульса, отраженного от границы раздела сред. Поскольку матрица оптических нейронов расположена в плоскости иэображения 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 самонастраивающегося устройства только от участков границы, нормали к которым различаются на величину, меньшую чем о/(25), где с 1 - диаметр приемной апертуры; О - расстояние от приемного устройства до освещенной области границы раздела сред. Если среднеквадратичный наклон границы раздела сред превосходит б/(2" 11), то самонастраивающаяся по отраженному от границы раздела излучению система улучшает качество изображения.На фиг,2 изображена структурная схема адаптивной системы, корректирующей изображение объекта, расположенного эа неровной границей раздела сред, предложенным способом, 1 -- лазер; 2 - 3 - телескоп; 4 - граница раздел сред. 5 - первая линза самонастраивающегося устройства; 6 - матрица оптических нейронов, 9 - регистрирующее устройство; 10 - фотодетектор, управляющий регистрирующим устройством.Лазер 1 и приемное устройство 5-10 помещают над участком границы раздела сред, под которым предполагается нахождение изучаемого объекта, Оптическая ось лазера может сканировать, отклоняясь от нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред, менее чем на величину среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости, Оптическая ось приемного устройства может оставаться параллельной нормали, если при сканировании лазерного пучка освещенный участок границы раздела сред будет попадать в поле зрения приемного устройства, В противном случае направление оптической оси прием 510 ного устройства должно изменяться согласованно с ориентацией оптической оси лазера. Пучок лазера 1 целесообразно уширить с помощью телескопа 2 - 3. В качестве лазера 1 можно взять импульсно-периодический твердотельный лазер, работающий на длине волны 0,53 мкм, Длительность импульса у таких лазеров колеблется от пикосекунд до наносекунд, а энергия в импульсе достигает десятков килоджоулей, Остановимся на импульсно-периодическом лазере с длительностью импульса 30 нс, энергией в импульсе Ро "4 Дж и частотой следования импульсов 5 Гц 15 (20 Вт). За 30 нс свет проходит примерно 10м, поэтому изучаемый объект должен располагаться на глубине более 5 м, Способы реализации оптических нейронов описаны вмонографии. В настоящее время в связи с20 работами по созданию оптических компьютеров идет процесс миниатюризации оптических нейронов и снижения пороговогозначения мощности, при которой происходит их переключение. Роль оптического ней 25 рона может играть нелинейныйинтерферометр Фабри-Перо, который припревышении падающим излучением порогового значения интенсивности -Епор меняет свое состояние с отражающего на30 пропускающее, При этом нейрон должениметь низкую пороговую интенсивностьпор и инерционность достаточную, чтобыуспеть пропустить слабое излучение, пришедшее от изучаемого объекта, располо 35 женного за границей раздела сред, Зтимтребованиям удовлетворяют нелинейныеинтерферометры с тепловым механизмомнелинейности, Поскольку теплопроводность играет важную роль в динамике рабо 40 ты тепловых оптических нейронов, полезнопривести формулу для характерной временной константы этого процесса. Если излучение мгновенно нагревает цилиндр диаметраго, решение уравнения тепловой диффузии45 приводит к следующему выражению для характерного времени;Тс=(Сч/Рого / (2 4 ст),где Сч - удельная теплоемкость;,р- плоъность; 1 т - температуропроводность среды,50 Как Ь, так и Сч зависят от температуры, врезультате То может меняться на порядки.Тс пропорционалы о площади (го), поэтому2с уменьшением размеров резонатора оносокращается. В работе 51 приведены дан 55 ные о матрице оптических нейронов в видемикрорезонаторов Фабри-Перо 1,5 мкм диаметром с расстоянием между центрами соседних микрорезонаторов 3,4 мкм, Микрорезонаторы получены гравировкой ионным пучком пластины ОаАз/ААз. Знергия, необходимая для переключения одного нейрона, составляет 0 6 пДж, а время вос, становления примерно 200 пс. Авторы предполагают путем дальнейшей миниатюризации уменьшить энергию переключения до 17 фДж, Роль оптического нейрона может играть ячейка с самопросветляющейся гетерогенной средой. Самопросветление наблюдается в гетерогенных средах, у которых разность линейных показателей преломления компонент Ьпл соизмерима с разностью нелинейных показателей преломления Ьдял, а значки Ьпп и Ьпнл противоположны. Оптические нейроны на основе гибридных. оптоэлектронных схем имеют более низкую энергию переключения, так как используют энергию электрической цепи, Эффект Келдыша-Франца позволяет реализовать оптоэлектронную схему насыщающегося поглотителя, а значит, и оптоэлектронный нейрон. Прйменение этого эффекта дает возможность сделать нейрон без резонатора для немонохроматического излучения. В этом случае лазер 1 может быть многочастотным. Время запаздывания оптоэлектронного нейрона определяется постоянной времени электрической цепи г = С".Ян, где С - емкость этой цепи; Вн - сопротивление нагрузки. В литературе имеются описания миниатюрных оптоэлектронных нейронов, выполненных из ОаАз, для работы с излучением с длиной волны А 0,85-0,89 мкм.(Энергия кванта должна незначительно превышать ширину запрещенной зоны), Описания миниатюрных оптоэлектронных нейронов, работающих по длине волны 0,53 мкм, в литературе в настоящий момент нет; Поэтому в качестве примера конкретного выполнения оптического нейрона можно взять тонкопленочный полупроводниковый интерфераметр с промежуточным слоем из ЕпЯ или 7 пЯе, работающий в режиме отражения. Энергйя переключения таких тонкопленочных интерферометрав с диаметром 4 мкм измерена в работе 91 и составляет 4101 Дж. Для того, чтобы иметь достаточный запас по энергии при выбранном нами типе лазера и коэффициенте отражения от границы раздела сред (п - пг)г/(п - пг)210, фокусное расстояние линзы 5 должно быть таким, чтобы площадь. матрицы 6 не превышала 200 смг. На этой площади можно разместить 100100 микрорезонаторов с диаметром 1 мм. Тепловой режим должен поддерживаться таким, чтобы вре мя выключения нейронов было не менее 1 мс. Существенной характеристикой оптического нейрона в данном приложении явля ется отношение коэффициента передачи закрытого нейрона Е( ),1 пор к коэффициенту передачи открытого нейрона Ц+), +п 0 р, Действительно, доля открытых нейро нов - 0 в матрице 6 составляет,г4 Ч.(4 Ф - + )г1где б -диаметр апертуры приемного устрой ства; Ф - передающего;- расстояние отосвещенного участка поверхности до приемной апертуры, О - среднеквадратичное отклонение границы раздела сред от ближайшей плоскости, го - средний размер не- "5 ровностей границы раздела сред, ( о/гавсреднеквадратичный наклон границы раздела сред). Для того, чтобы излучение, прошедшее через "закрытые" нейроны, неСнизило качества йзображения, должно выполняться условие: 20 К(Т+)К(1-)25например, при 0/г 0 = 0,001, 1 = 100 м,д = 1 м, О = 0,01, т.е, должно выполнятьсяусловие:0,01.к( - )30 . К+,чтонакладывает довольно жесткие требования на добротность тонкопленочных интерферометров Эйергия излучения,отраженного от изучаемого объекта сигна 35 ла, прошедшая через матрицу оптическихнейронов 6, может быть оценена следующим образом;40 Есиг"Ео"КотрКпогК(3+)дфЦ 3(4- + - )гогде Е 0 - энергия в импульсе лазера; К 0 тр - коэффициент рассеяния назад. изучаемОго объекта; Коог - поглощение во второй среде 45 на трассе длиной 2 фЫ, где Ь - расстояниеат границы раздела сред до изучаемого обьекта. Поскольку множитель Кпог зависит экс- поненциально от Мг и показателя поглощения во второй среде, величина Есиг 50 может быть очейь малой. Поэтому регистрирующее устройство 10 может иметь управляемый фотодетектором каскадный усилитель яркости иэображения, составленнь й из двух или трех камерных электронно оптических преобразователей (ЭОПав),причем экран одного преобразователя сое, . диняется с фотокатодом другого посредствам волоконно-оптического элемента.Достоинством ЭОПов является возможность регистрации сигнала в течение короткого промежутка времени до 10- 10 с. Длл работы на длине волны 0,53 мкм целесообразно использовать ЗОПы с фотокатодом типа ОаАз/СаЛ 1 Аз, имеющим квантовый выход до 40, и низкий уровень термоэлектрон ной эмиссии. В качестве и римера конкретного выполнения выбираем твердотельный лазер с длительностью импульсов 30 нс, частотой следования импульсов 5 Гц и мощностью 20 Вт 3), Матрицу оптических нейронов выбираем в виде матрицы 100100 тонкопленочных интерферометров с промежуточным слоем из ЕпЯ или Упыре с диаметром - 1 мм, работающими в режиме отражения 91, Для регистрации сигнала от изучаемого обьекта можно использовать управляемые фотодетектором ЭОПы с фотокатодом типа ОаАЯИаААз,Для оценки эффективности системы, использующей предложенный способ коррекции изображения обьекта, расположенного за неровной границей раздела сред, проведен следующий численный эксперимент, Показатель преломления первой среды выбран равным п = 1, второй п 2 = 1,33. Ось Е направлена по нормали к плоскости, ближайшей к границе раздела сред. Граница раздела сред описывалась рядомЕ(Х, У) = , Аппехр(1 + - (пх+ п у)+1+2 лп,щсФпщ,где Ф,п - случайные числа, равномерно распределенные на промежутке 0,2 к); дав размер области, засвеченной зондирующим пучком.Коэффициенты Апп определяются видом автокорреллционной функции вВ(ЛХ,ЛУ) = 2(Х, У) 7(Х+ЛХ, У+ЬУ) , где знакозначает усреднение по реализациям. В нашем численном эксперименте была взята гауссова автокорреллционная функцияХ +УВ(Х, У) = сРехр( - )огде 0-дисперсия отклонений границы раздела сред от плоскости Е = 0; г 0 - средний размер неровностей.Для упрощения расчетов передающая апертура была совмещена с приемной, а приемное устройство было сфокусировано на бесконечность (Ы =о ), Из лазера 1 посылался пучок из 2 параллельных оси 26лучей. Точки пересеченил лучей с границей раздела, заданной формулой (1). находи 30 целью исключения необходимости созда 45 ния источника опорного излучения по одну с обьектом сторону от границы раздела пульса, меньшеи времени прохождения50. излучения от границы раздела сред до объотраженное от границы раздела сред, регистрацию начинают после прихода на прием ное устройство переднего фронта импульса 5 10 20 25 лись методом Ньютона. Отраженные от границы радела лучи продолжались до пересечения с матрицей 6, состоящей из 6464 оптических нейронов, Если на нейрон попадал хотя бы один луч, отраженный от границы раздела сред (3 мкДж), то этот нейрон считался открытым. Затем из второй среды параллельно оси Е посылался пучок из 2 И лучей, накрывающий участок раздела сред, попадающий в поле зрения приемного устройства. Точки пересечения лучей с грани" цей раздела сред, заданной формулой (1), находились методом Ньютона. Преломленные лучи, попавшие на приемную апертуру, проводились по системе до плоскости изо-бражения 9,На фиг. 3 приведено распределение энергии И/ в плоскости изображения 9 в круге радиуса г в зависимости от г(функция рассеяния точки), Для сравнения на том же рисунке приведена функция рассеяния точки системы без самонастраивающегося устройства. Из фиг,3 следует, что при отсутствии самонастраивающегося устройства плоскость изображения практически равномерно засвечена. При наличии самонастраивающегося устройства в плоскости изображения имеем небольшое пятнышко. Формула изобретения Способ адаптивного формирования изображения объекта, находящегося за неровной границей раздела сред, включающий освещение объекта коллимированным излучением лазера, расположенным с противоположной обьекту стороны от границы раздела сред, регистрацию с помощью приемного устройства изображения объекта в отраженном от него свете и коррекцию изображения путем управления с помощью опорного излучения корректирующей системой, расположенной перед приемным устройством,отл и чаю щи йс я тем,что, с сред, освещение объекта осуществляют импульсным излучением с длительностыю имекта и обратно, в качестве опорного излучения используют освещающее излучение,опорного излучения через время большее или равное длительности импульса и меньшее или равное времени прохождения светом расстояния от границы раздела сред до объекта и обратно, корректирующую систе, 1812544 12 Фиг,1 Ф му располагают на входной апертуре приемного устройства и выполняют в виде двух софокусных линз и матрицы инерционных оптических нейронов с временем релаксации большим времени распространения света от границы раздела сред до обьекта и обратно, расположенной в плоскости изображения первой линзой освещенного участка границы раздела сред, при этом приемное устройство и лазер располагают так, что освещенный участок границы раздела сред находится в поле зрения приемного устройства, а отклонение оптических осей 5 лазера и приемного устройства от нормалик плоскости, ближайшей к границе раздела сред, не превосходит среднеквадратичного наклона границы раздела сред к этой плоскости.1812544 Редактор Заказ 1576 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Рауйская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 О0 Составитель В.СеменовТехред М,Моргентал Корректор А.Мотыль