Разработка методов построения гартмановских датчиков волнового фронта на матричных фотоприемниках

• Автор: Коноплев, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 109 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.
1.1 Анализ методов построения датчиков волнового фронта для решения астрономических задач
1.2 Анализ влияния параметров оптико-электронного тракта гартманов-ского датчика на точность оценивания искажений волнового фронта. 22 ЕЗ. Постановка задач оптимизации параметров оптико-электронного тракта при разработке методов построения датчиков волнового фронта на матричных фотоприемниках
Глава 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА АДАПТАЦИИ СПЕКТРАЛЬНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗАТОРА ВОЛНОВОГО ФРОНТА К ЯРКОСТИ И СПЕКТРАЛЬНОМУ КЛАССУ ОПОРНОЙ ЗВЕЗДЫ ПРИ ОГРАНИЧЕННОМ ДИНАМИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ФОТОПРИЕМНИКА.
2.1. Метод расчета минимальной ошибки измерения координат центра тяжести сигнала от точечного объекта
2.2. Метод выбора ширины полосы пропускания спектральной характеристики оптико-электронной системы при решении задачи оценивания координат пятен гартманограммы
2.3. Метод адаптации ширины полосы пропускания светофильтра к изменениям амплитуды сигнала и спектрального класса опорной звезды при ограниченном динамическом диапазоне фотоприемника
Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ АДАПТАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИСКРЕТИЗАЦИИ В ГАРТ-МАНОВСКОЙ ТЕЛЕВИЗИОННОЙ СИСТЕМЕ АНАЛИЗА ВОЛНОВОГО ФРОНТА К ПРОСТРАНСТВЕННЫМ И ВРЕМЕННЫМ ИНТЕРВАЛАМ КОРРЕЛЯЦИИ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ.
3.1. Метод расчета параметров оптимальной временной дискретизации на кадровые временные интервалы при фиксированном числе линз маски Гартмана - Шака

3.2. Совместная оптимизация параметров пространственной и временной дискретизации телевизионной системы анализа волнового фронта
3.3. Совместная оптимизация параметров пространственной и временной дискретизации с учетом задержек считывания на матрице ПЗС
Глава 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ГАРТМАНОВСКИХ ДАТЧИКОВ ВОЛНОВОГО ФРОНТА НА МАТРИЧНЫХ ФОТОПРИЕМНИКАХ.
4Л. Метод построения и порядок функционирования оптикоэлектронного блока телевизионной системы гартмановского датчика волнового фронта на матричных фотоприемниках
4.2. Инженерная методика оптимизации параметров пространственно-временной дискретизации и ширины спектральной характеристики оптико-электронного блока
4.3. Экспериментальная проверка эффективности разработанных методов построения гартмановских датчиков волнового фронта на матричных фотоприемниках
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение 1. Основные характеристики комплекта телевизионного оборудования астрономического применения РАПИД
Приложение 2. Акт о использовании результатов диссертационной
работы и протоколы испытаний аппаратуры РАПИД
Приложение 3. Таблицы распределения яркости в пятне
гартманограммы

ВВЕДЕНИЕ
Данная работа, направленная на применение методов математической статистики при разработке методов построения гартмановских датчиков волнового фронта на матричных фотоприемниках, имеет теоретическую и практическую направленность.
Теоретическая часть связана с оптимизацией параметров входной части проектируемой системы, осуществляющей преобразование оптического изображения в видеосигнал. Рассматриваемый оптико-электронный тракт входит в состав компьютерной телевизионной системы на ПЗС для анализа волнового фронта методом Гартмана-Шака. Компьютерная часть рассматриваемой системы используется не только для управления параметрами видеотракта, но и для вычисления в реальном времени (за время одного элемента) оценки координат пятен гартманограммы в каждом из большой последовательности кадров.
Преобразование сигналов в системе осуществляется последовательно в оптическом звене, телекамере и компьютере. Оптимизация параметров дискретизации волнового фронта, искаженного атмосферными флуктуациями, осуществляется по единому критерию качества, в качестве которого используется критерий минимума среднеквадратической ошибки.
Применение методов математической статистики при проектировании телевизионных измерительных систем для оценки искажений волнового фронта методом Гартмана позволяет оптимизировать их структуру и параметры. При этом практически удается достигать потенциальной помехоустойчивости.
Эффективность применения методов математической статистики обусловлена тем, что реальные сигналы и помехи часто могут моделироваться выборочными функциями случайных процессов. Использование гауссовых моделей сигналов и помех позволяет получить

распределение вероятности фотоэлектронов Рф (n, Т) оценим максимальное число фотоэлектронов, приходящихся на степень свободы оптического ПОЛЯ, для элемента фотоприемной матрицы. Число степеней свободы характеризуется произведением Т А СО , гДе Т - время накопления, Д со
полоса частот поля. Максимальное число накопленных фотоэлектронов Smax Равно емкос™ потенциальной ямы ПЗС (для матричных ПЗС это
составляет около 104 105 электронов). Предположим, что наблюдение оптического излучения осуществляется за светофильтром, выделяющий участок спектра Дд = 0,5...1,0 мкм, накопления Т= 0,005 с. При этих
предположениях /S.OJ =3 1014Гц и максимальное число фотоэлектронов
элемента ПЗС на степень свободы поля составляет 7-
Приведенный расчет показывает, что при этом порядке величин распределение фотоэлектронов можно положить пуассоновским.
Накопление фотоэлектронов, генерируемых светом звезды, осуществляется по всем трем аргументам: по площади, времени и длине волны. Не останавливаясь на известных соотношениях связи отношения сигнал/шум с яркостями звезды и фона, приведенных в главе 1, будем считать, что отношение сигнал/шум (2.5) пропорционально плотностям потоков фотонов (с учетом квантового выхода фотоприемника -генерируемых светом электронов) fsj [фотонов/с мкм и ширине диапазона
длин волн Дд . Отношение сигнал/шум Ц/ для плотностей фотонов Ns и ]Jb выражается также формулой (2.5), хотя и имеет размерность [1/с мкм].
Линейное приближение зависимости квадрата отношения сигнал/шум от ширины спектрального диапазона Дд дает ошибку менее 1% при
аппроксимации спектра звезды S(/l ) планковской кривой излучения абсолютно черного тела для спектрального диапазона Дд так, что