Адаптивная коррекция изображения в условиях анизопланатизма

• Автор: Яицкова, Наталия Александровна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 159 с.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Защищаемые положения, практическая значимость результатов, апробация
результатов
ГЛАВА 1. Принципиальные ограничения адаптивной оптики при широких углах наблюдения
1.1. Корреляция мод Цернике в искажающей среде
1.2.Эффективность адаптивной компенсации в условиях
анизопланатизма
1.3. Остаточные фазовые искажения для колмогоровской модели атмосферной
турбулентности и модели фон Кармана
ГЛАВА 2. Методы расширения поля зрения адаптивных систем
2.1. Метод сопряжённого корректора для локализованного искажающего слоя
2.2. Метод сопряжённого корректора для многослойной среды
2.3. Коррекция по среднему фазовому искажению
2.4. Оптимальная компенсация фазовых искажений по набору опорных
источников
ГЛАВА 3. Численное моделирование эффекта анизопланатизма в изображающих системах
3.1. Метод создания фазовых экранов
3.2. Аппроксимация трехмерной искажающей среды набором фазовых экранов
3.3. Моделирование изображения протяженного объекта
3.4. Особенности программного комплекса моделирования
Г ЛАВА 4. Критерии качества изображения
4.1. Интегральные критерии качества
4.2. Локальные критерии качества
4.3. Синтетическое изображение
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Адаптивная оптика, включенная в общую систему построения изображения, находит свое применение в широком диапазоне отраслей человеческой деятельности. Первое место здесь занимает круг задач, связанных с наблюдениями сквозь турбулентную атмосферу Земли [1]. Наземные телескопы оснащаются системой компенсации с целью устранения искажений волнового фронта, которые ухудшают качество изображения небесных объектов [2]. С нежелательным влиянием турбулентной атмосферы Земли сталкиваются не только в астрономии. Необходимость внедрения адаптивной оптики возникает и в задачах наблюдения на коротких трассах “Земля-воздух” или трассах “Земля-Земля”. В качестве примера для последнего случая упомянем геодезические измерения. Атмосферные искажения ухудшают также эффективность лазерной коммуникации [3].
Но не только турбулентная атмосфера является объектом адаптивной оптики. Другой сферой ее применения является биомедицина. Наблюдение живых тканей с помощью различных медицинских оптических приборов (эндоскопов) как правило происходит сквозь прозрачные среды - физические жидкости, которые подобно атмосфере аберрируют свет, что приводит к искажению изображения. Так, многие диагностические методы в офтальмологии основаны на анализе изображения глазного дна. С помощью существующих офтальмоскопов со сканирующей лазерной системой не может быть получено четкое изображение ретины, так как наблюдение происходит сквозь аберрирующие среды в составе человеческого глаза. Адаптивная оптика, построенная специально для наблюдения человеческого глаза, позволила существенно увеличить контрастность изображения глазного дна [4,5]. Кроме того, изучение аберраций глаза методами адаптивной оптики открывает новые перспективы в офтальмологии. Область применения адаптивной оптики не ограничивается перечисленными выше сферами. Она полезна во многих задачах, связанных с наблюдением объектов сквозь прозрачную аберрирующую среду.
Основной причиной того, что адаптивная оптика начинает находить свое широкое применение только сейчас, является ее архитектурная сложность и

стоимость. Современная тенденции развития адаптивной оптики характеризуется стремлением создать систему, простую с точки зрения реализации, дешевую, компактную, и в тоже время отвечающую определенным техническим требованиям. К последним относится большие временные частоты (ЮОкГц и выше), определяющие скорость адаптации, низкий уровень энергопотребления (1-ИОмВт), значительный динамический диапазон изменения профиля оптической поверхности (20 им и более), минимальный шаг дискретизации при аппроксимации волнового фронта (±1/100 гшв). На настоящий момент созданы функционирующие адаптивные системы, отвечающие вышеперечисленным требованиям [6-8].
АКТУАЛЬНОСТЬ
В основе реализованных к настоящему времени в адаптивных системах методах и алгоритмах фазовой компенсации лежит представление о точечности исследуемого объекта. На практике исследователь имеет дело с протяженным объектом и трехмерной искажающей средой. Эти обстоятельства обуславливают принципиальный недостаток любой, даже самой совершенной адаптивной оптической техники, неустранимый в рамках существующей парадигмы компенсирующей системы. Действительно, основной функциональной частью общей адаптивной системы является корректор волнового фронта. И независимо от конкретной физической реализации этого элемента: будь это гибкое зеркало с сегментированной или непрерывной поверхностью, будь это современный жидко кристаллический модулятор, - в любом случае он осуществляет компенсацию волнового фронта только в одной плоскости. Искажающая трехмерная среда аппроксимируется двумерным корректором. Этот простой геометрический фактор приводит к тому, что эффективная фазовая компенсация осуществляется только вдоль одного направления распространения волн. При отклонении от этого направления эффективность компенсации падает. Любая адаптивная система непанорамна.
Было предложено [9] устранить эффект непанорамности путем увеличения числа корректирующих элементов. В этой схеме предполагалось использовать несколько корректоров волнового фронта и помещать их в плоскости, сопряженные слоям искажающей среды. Каждый корректор в такой системе

§1.3. Остаточные фазовые искажения для колмогоровской модели атмосферной турбулентности и модели фон Кармана
Изучение эффекта анизопланатизма для атмосферной турбулентности обусловлено рядом причин. Во-первых, статистика этой неоднородной среды подробно изучена, собрано большое число экспериментальных данных об атмосфере и о ее влиянии на оптические характеристики распространяющихся в ней волн. Поэтому при изучении эффекта анизопланатизма здесь не требуется никаких дополнительных предположений о свойствах среды. Во-вторых, существует множество практических приложений, так или иначе связанных с наблюдением сквозь атмосферу. Это в первую очередь астрономические задачи, о которых уже много раз упоминалось выше, задачи формирования изображения на коротких дистанциях - спутников, геодезические измерения с наблюдением на горизонтальных трассах.
Существенным для адаптивной оптики свойством искажающей среды является ее динамика - изменение профиля флуктуаций показателя преломления во времени. Известно [16], что динамику атмосферных неоднородностей можно рассматривать как два основных процесса - это снос воздушных слоев атмосферы как целого со скоростью ветра и внутренние пертурбации внутри слоев. Для атмосферы первый процесс является более быстрым и, следовательно, именно он определяет общее изменение профиля флуктуаций во времени. Поэтому в большинстве случаев характерное время изменения фазовых флуктуаций обусловлено скоростью ветра (гипотеза Тейлора о “вмороженных” атмосферных флуктуациях) и может быть оценено по формуле:
где г0 - радиус пространственной когерентности, v - средняя скорость ветра. Для v ~ 5 m/s и г о ~ 5ст имеем т ~ 1 Oms. Характерное время изменения фазовых флуктуаций зависит от длины волны по такому же закону как и радиус когерентности (~Д6/5).
Величина т накладывает ограничения на время отклика адаптивной системы: система должна успевать подстраиваться к изменениям атмосферы за время,