Методы синтеза радиооптических информационно-измерительных устройств и систем на основе резонансных многослойных оптических структур

• Автор: Макарецкий, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Тула
• Количество страниц: 462 с. : ил

Аннотация
Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения точности радиооптических информационно-измерительных (ИИС) систем, сокращения сроков их разработки на базе создания научных основ синтеза оптимальных и квазиоитимальных устройств, систем и пространственных сигналов.
Проведен анализ причин существенного различия предельных и достигнутых параметров когерентных измерительных систем по точности. Показано, что значительное улучшение параметров может быть достигнуто за счёт использования свойств явления интерференции при углах падения, близких к углу полного внутреннего отражения, и разработки новых методов и алгоритмов синтеза устройств, отличающихся повышенной точностью.
Разработаны математические модели взаимодействия детерминированных и стохастических пространственных сигналов с резонансными многослойными оптическими структурами (РМОС), являющимися базовыми элементами для создания радиооптических ИИС.
Предложены новые методы решения интегральных уравнений типа свёртки, являющихся математическими моделями аналитического синтеза сигналов, устройств и систем.
Разработаны методы синтеза РМОС с односторонней и

двухсторонней пространственной памятью, на основе которых созданы алгоритмы аналитического синтеза регулярных и нерегулярных радиооптических элементов и устройств: измерительных преобразователей угловых и линейных параметров, преобразователей и стабилизаторов амплитудно-фазового распределения пучков, оптимальных пространственных фильтров, коллиматоров, возбудителей плоских и цилиндрических световодов и др.
Разработаны принципы построения прецизионных радиооптических ИИС и проведено их экспериментальное исследование.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Методы анализа и синтеза радиооптических информационно-
измерительных систем
1.1. Общая структурная схема ИИС.
1.1.1 Оптические измерительные системы.
1.1.2 Методы оптической обработки информации.
1.2. Многослойные оптические структуры в оптических
измерительных системах.
1.2.1 Резонансная угловая фильтрация в РМОС. ЗЕ
1.2.2 Методы анализа РМОС в установившемся режиме
1.2.3 Методы анализа РМОС в неустановившемся в 43 пространстве режиме
1.3. Методы синтеза оптических устройств, сигналов и
систем.
1.3.1 Содержание процесса синтеза радиооптических 47 устройств и систем
1.3.2 Методы синтеза резонансных многослойных 49 оптических структур
1.3.3 Методы синтеза радиооптических устройств и систем
пространственно-угловой обработки волновых полей
1.4. Формирование цели и задач исследования.
2. Разработка математических моделей физических процессов в
радиооптических ИИС на основе явления резонансной
угловой фильтрации волновых полей
2.1. Основные положения теории резонансной угловой
фильтрации волновых полей.
2.1.1. Пространственные переходные колебания
2.1.2.

2.3.1.
2.3.2.
2.3.3.
2.3.4.
2.3.5.
2.3.6. 2.4.
2.4.1.
2.4.2.
2.4.3.
2.4.4.

Методы анализа взаимодействия ограниченных вол-
новых пучков с резонансными угловыми фильтрующими системами
Условные спектральные составляющие ограниченных
пространственных сигналов
Взаимодействие случайных пространственных сигна-
лов через многослойные структуры с резонансной угловой фильтрацией
Прохождение "белого" шума через правосторонний
резонансный угловой фильтр
Прохождение "белого" шума через двусторонний РУФ
Прохождение помехи типа "изотропный фон" через
правосторонний РУФ
Прохождение помехи типа "изотропный фон" через
двусторонний РУФ
Прохождение помехи типа "рассеянное когерентное
излучение" через правосторонний РУФ Прохождение помехи типа "рассеянное когерентное
излучение" через двухсторонний РУФ
Разработка математических моделей нерегулярных
РМОС с резонансной угловой фильтрацией волновых полей.
Математические модели нерегулярных РМОС
Модели нерегулярных структур, учитывающие дис-
кретный характер сложения волн в резонансном слое Уравнения состояния резонансного слоя
Исследование прохождения белого шума через
нерегулярные РУФ
Основные результаты и выводы

жения, преобразований Френеля, Фурье и Лапласа, пространственночастотной фильтрации изображений, согласованной фильтрации, корреляции. Подобные методы эффективно используются для распознавания образов [32], обработки радиосигналов в реальном времени [31-33], контроля изделий [3] и при решении других задач.
Однако наряду с преимуществами, существующие системы когерентной оптической обработки информации характеризуются рядом недостатков, затрудняющих их применение в оптических ИИС. Одним из таких недостатков является сравнительно невысокая точность выполнения операций, которая характеризуется величинами порядка единиц процентов [20]. Так, при выполнении основного интегрального преобразования процессора - преобразования Фурье, суммарная погрешность обусловлена как фазовой погрешностью, проявляющейся в положении отдельных составляющих спектра в частотной плоскости, так и амплитудной погрешностью, связанной с величиной интенсивности этих спектральных составляющих. Погрешность может быть оценена величиной [20]:
г л-]
Г а /1 Лч
где X - длина излучения; Г - фокусное расстояние линзы; а - максимальный размер транспаранта.
Оценка по соотношению показывает, что для Х=1 мкм, Г=200 мм, а=10 мм погрешность выполнения операции преобразования Фурье составляет более 15%. При увеличении фокусного расстояния до Р=500 мм, погрешность преобразования снижается до 1%. Дополнительные погрешности связаны непосредственно с линзой как модулятором сигнала: её аберрациями, конечностью апертуры, неточностью юстировки.
Приведённая оценка показывает, что достаточно высокая точность выполнения операций в когерентном линзовом оптическом процессоре возможна только при использовании длиннофокусных линз, что приводит к допол-