способ формирования изображения удаленного объекта

Формула изобретения

Способ формирования изображения удаленного объекта, наблюдаемого через турбулентную среду, основанный на приеме искаженного изображения с помощью многоапертурного телескопа, отличающийся тем, что предварительно регистрируют распределение интенсивности излучения, по которому определяют модуль функции корреляции поля, затем по пространственно ограниченному Фурье-образу этого модуля и искаженному изображению объекта в предметной плоскости находят многоугольную область, в которую вписан удаленный объект, касающийся, как минимум, четырех сторон этой области, выбирают распределение интенсивности излучения, равное нулю вне границ многоугольной области, и произвольное, отличное от нуля внутри этой области, по этим данным находят Фурье-образ в плоскости приемной апертуры телескопа как первую итерацию, далее строят поле, у которого распределение фазы совпадает с распределением фазы поля Фурье-образа, а распределение амплитуды совпадает с определенным ранее модулем функции корреляции, затем производят обратное преобразование Фурье для получения распределения поля в предметной плоскости, в котором распределение поля, попадающее в границы многоугольной области, оставляют без изменений и зануляют вне его границ, далее процесс итераций повторяют до получения неискаженного изображения удаленного объекта.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и физической оптики и может быть использовано в оптической астрономии для получения изображений удаленных объектов, наблюдаемых через турбулентную атмосферу Земли с помощью многоэлементной оптической системы (МЭОС) с разрешением, соответствующим размеру апертуры системы.

Известен способ, позволяющий найти неискаженные атмосферой фазы спектра в центрах изолированных областей пространственных частот, формируемых многоапертурной оптической системы МАОС (т.н. “метод замкнутых фаз” [1]).

Недостатком данного способа является его ограниченная применимость, т.к. его использование возможно лишь в МАОС, диаметры апертур которых существенно меньше размеров области корреляции атмосферных искажений (~10 см, [2]). Малая площадь апертур, составляющих систему, резко ограничивает количество света, регистрируемого в короткоэкспозиционном изображении объекта, и приводит к низкой точности восстановления фазы и формирования изображения объекта.

Наиболее близким по технической сущности решением (прототипом) к предложенному способу является способ [3] получения изображения удаленных объектов в условиях турбулентной атмосферы, основанный на приеме искаженного изображения, с помощью телескопа, в котором перед приемом излучения от объекта измеряют величину дисперсии _ф атмосферных фазовых искажений, ограничивают спектральный диапазон световых пучков принятого излучения величиной =₀/, где ₀ - средняя длина волны принятого излучения, осуществляют спектральное разложение световых пучков принятого излучения, выполняют масштабирование световых пучков с линейно зависящим от длины волны коэффициентом уменьшения и, фокусируя получившиеся световые пучки, формируют изображение объекта.

Одним из главных недостатков прототипа является необходимость применять большие (> 10 см) апертуры оптических элементов, причем качество этих элементов должно соответствовать дифракции на апертуре. Это означает, во-первых, дороговизну этих оптических элементов, во-вторых, фактическую невозможность изготовления большого их количества для создания очень больших апертур. А именно большие апертуры способны обеспечивать максимальное разрешение объектов, удаленных на большие расстояния. Кроме того, возникают большие технические трудности совмещения большого количества световых пучков, полученных от многих телескопов, в одном фокусируемом пучке, в котором получают изображение.

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в упрощении способа, увеличении разрешающей способности за счет возможности существенного увеличения размера многоэлементной оптической системы и удешевлении устройств, реализующих этот способ.

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе формирования изображения удаленного объекта, наблюдаемого через турбулентную среду, основанном на приеме искаженного изображения с помощью многоапертурного телескопа, предварительно регистрируют распределение интенсивности излучения, по которому определяют модуль функции корреляции поля, затем по пространственно ограниченному Фурье-образу этого модуля и искаженному изображению объекта в предметной плоскости находят многоугольную область, в которую вписан удаленный объект, касающийся, как минимум, четырех сторон этой области, выбирают распределение интенсивности излучения, равное нулю вне границ многоугольной области и произвольное, отличное от нуля внутри этой области, по этим данным находят Фурье-образ в плоскости приемной апертуры телескопа как первую итерацию, далее строят поле, у которого распределение фазы совпадает с распределением фазы поля Фурье-образа, а распределение амплитуды совпадает с определенным ранее модулем функции корреляции, затем производят обратное преобразование Фурье для получения распределения поля в предметной плоскости, в котором распределение поля, попадающее в границы многоугольной области, оставляют без изменений и зануляют вне его границ, далее процесс итераций повторяют до получения неискаженного изображения удаленного объекта.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, схематично изображенного на фиг.1.

Излучение от объекта 1 через турбулентную атмосферу 2 поступает на стандартный телескоп 3, на котором можно получить лишь искаженное изображение объекта, и на фотоприемную матрицу 4, которая регистрирует распределение интенсивности падающего на нее излучения. Искаженное изображение, полученное в телескопе 3, и информация о распределении интенсивности излучения от матрицы 4, обработанная в корреляторе поля 5 и преобразователе Фурье 6, поступают в анализатор размера изображения 7, где определяется многоугольная область, в которой находится объект.

Далее информация от анализатора 7 и коррелятора поля 5 поступает в блок итераций, который состоит из формирователя изображения 8, преобразователя Фурье 9, формирователя поля 10 и преобразователя Фурье 11, в котором после каждой итерации происходит корректировка искаженного изображения.

После проведенного заданного числа итераций скорректированное изображение выводится на монитор 12.

На фиг.2 показана основная часть математической программы, моделирующей последовательность итераций в итерационном блоке 8-9-10-11 (фиг.1), где

О - полученное изображение удаленного объекта,

R - матрица многоугольника, в который вписан объект,

F - матрица автокорреляции,

- присваиваемая фаза.

На фиг.3 представлены результаты одного из машинных экспериментов, где

а - исходное сканированное изображение,

b - искаженное изображение,

с - абрис исходного изображения,

d - восстановленное изображение.

Математически модуль функции корреляции поля К() определяется из известного соотношения [4]:

где I(r) - регистрируемая интенсивность, I - средняя интенсивность, а К() - функция корреляции поля, определяемая коррелятором поля 5 (фиг.1).

В (1) под усреднением понимается интегрирование по площади для одной конкретной реализации в случае монохроматического излучения или усреднение по времени произведений интенсивностей полей в разных точках в случае немонохроматического излучения.

Таким образом, задача поиска неискаженного изображения сводится к нахождению фазы функции корреляции поля, соответствующей неискаженному изображению, так как ее модуль уже найден.

Используя соотношение Ван Циттера - Цернике [4]:

а - распределение интенсивности на объекте, L - расстояние от объекта до плоскости приема, k - волновой вектор, имеем очевидное соотношение:

и учитывая то, что объект имеет конечные размеры, находим в предметной плоскости прямоугольник, в котором сосредоточена функция В(х,y), касаясь его четырех сторон. Разделив этот прямоугольник на четыре равные части перпендикулярами, проведенными из середин его смежных сторон и, выделив одну из них, получим прямоугольник, в котором сосредоточен объект, причем его граничные точки касаются всех четырех сторон данного прямоугольника. Используя полученное ранее обычным телескопом искаженное изображение объекта, можно скорректировать прямоугольник до некоторого многоугольника, внутри которого будет находиться предмет (в частности, в качестве многоугольника можно использовать профиль искаженного изображения), касаясь как минимум четырех его сторон.

Эта процедура производится анализатором размера изображения 7.

Поиск неискаженного изображения проводится по следующему алгоритму. За нулевое приближение в формирователе изображения 8 выбирается распределение интенсивности с тождественно равной нулю интенсивностью снаружи полученного многоугольника и ненулевым распределением внутри (распределение внутри может быть однородным или учитывать информацию об объекте, полученную телескопом). По этому распределению в преобразователе Фурье 9 получаем его Фурье-обзор в плоскости регистрации интенсивности. Формирователь поля 10, оставляя неизменной фазу, в качестве распределения амплитуды берет |K()| - модуль функции корреляции поля. В преобразователе Фурье 11 производится обратное преобразование Фурье. Далее в предметной плоскости формирователя изображения 8 оставляется без изменения распределение, попадающее в многоугольник, и зануляется непопадающее. Процедура повторяется еще раз и т.д. Так как распределение интенсивностей, соответствующее точному изображению объекта, является единственным, неподвергающимся корректировке в результате итераций, при многократном повторении вышеописанной процедуры придем к распределению интенсивностей соответствующему неискаженному изображению объекта.

На предприятии был проведен эксперимент на ЭВМ с помощью математического пакета “МАТНСАD - 2000” и графического редактора Раint Shop-7. При этом в качестве предмета исследования был выбран портрет (фиг.3). С помощью сканера портрет оцифровался (256 градаций серого) и оцифрованная информация направлялась в компьютер, в котором формировался исходный объект (фиг.3а). Этот объект искажался с помощью графического редактора Раint Shop-7 (фиг.3b). Далее по предлагаемому алгоритму, расчеты по которому производились с помощью математического пакета “МАТНСАD-2000”, и информации об объекте (фиг.3с), взятой из искаженного изображения (фиг.3b), было получено неискаженное изображение (фиг.3d).

Предложенный способ может быть применен при создании широкоапертурных систем с угловым разрешением, превосходящим существующие телескопические системы на 1-2 порядка за счет значительного увеличения размеров приемной апертуры, с малой чувствительностью измерения функции корреляции к турбулентности атмосферы. Проведенный анализ показывает реальность создания такого рода “телескопов” с апертурами - 10-1000 м, нечувствительных к атмосферным искажениям.

Источники информации

1. Rhodes W., Goodman I., 1973, V.63, N6, p. 647-657.

2. Roddier F. The effects of atmospheric turbulence in optical astronimy, 1981, р.156.

3. Бакут П.А., Миловзоров В.В., Пахомов А.А., Рожков А.А., Ряхин А.Д., Свиридов К.Н., патент РФ №2062501, приоритет от 20.06.96 - прототип.

4. Борн М., Вольф. Основы оптики. - М.: Наука, 1973.