АДАПТИВНЫЙ ТЕЛЕСКОП Российский патент 1994 года по МПК G01S17/00 

Изобретение относится к адаптивной оптике и может быть использовано в некогерентных оптических системах наблюдения протяженных объектов, работающих в условиях атмосферных искажений.

Атмосферные искажения оптических сигналов приводят к ухудшению разрешающей способности наземных телескопов. Известен ряд методов преддетекторной и последетекторной обработки сигналов, обеспечивающих повышение разрешающей способности в условиях атмосферных фазовых искажений: короткая экспозиция, спекл-интерферометрия, восстановление изображений. Методы адаптивной оптики наиболее перспективны, так как обеспечивают коррекцию искажений в реальном масштабе времени и возможность получения прямого изображения с разрешением, близким к дифракционному. Основные трудности при реализации адаптивных методов возникают при наблюдении протяженных объектов и отсутствии опорного точечного источника. В этих случаях используется косвенное измерение фазовых искажений по различным характеристикам качества формируемых изображений. При этом, как правило, накладываются ограничения на класс наблюдаемых объектов.

Наиболее близким по технической сущности к данному устройству является адаптивный телескоп, содержащий зеркальную систему, корректор волнового фронта, линзовую систему, светоделитель, устройство регистрации изображения, маску, фотодетектор и устройство максимизации качества изобретения.

Зеркальная система, корректор волнового фронта, линзовая система, светоделитель и устройство регистрации изображения последовательно расположены на оптической оси телескопа и оптически связаны между собой. С помощью светоделителя выход линзовой системы оптически связан с входом фотодетектора, который установлен в плоскости, оптически сопряженной с плоскостью изображения. Перед фотодетектором установлена маска (амплитудный пространственный фильтр), соответствующая контуру наблюдаемого объекта. Пропускание маски M₁() = , где S_o - область, занимаемая объектом в угловом поле телескопа. Выход фотодетектора связан с входом устройства максимизации качества изображения, число выходов которого равно числу управляющих входов корректора волнового фронта. Каждый выход устройства максимизации качества изображения подключен к соответствующему управляющему входу корректора волнового фронта.

Известный адаптивный телескоп работает следующим образом.

Принимаемый оптический сигнал с фазовыми атмосферными искажениями проходит через зеркальную систему, корректор волнового фронта, линзовую систему и светоделитель. С помощью линзовой системы в плоскости изображения формируется изображение наблюдаемого объекта, которое регистрируется устройством регистрации изображения. Кроме того, с помощью фотодетектора регистрируется доля энергии принимаемого сигнала, приходящаяся в изображении на априорно известный контур наблюдаемого объекта, которому соответствует маска. Поскольку в результате фазовых искажений изображение размывается, выходной сигнал фотодетектора тем больше, чем выше качество изображения. Таким образом, маска и фотодетектор представляют собой датчик качества изображения. Выходной сигнал фотодетектора поступает на вход устройства максимизации качества изображения. Схема устройства максимизации качества изображения реализует управление корректором волнового фронта с частотным разделением каналов и представляет собой многоканальный блок обработки с генераторами модулирующих напряжений, операционными усилителями, синхронными детекторами и фильтрами низких частот в каждом канале. Число каналов равно числу управляющих входов корректора волнового фронта. Благодаря работе устройства максимизации качества изображения в принимаемый оптический сигнал вводятся "пробные" фазовые искажения на модулирующих частотах, анализируется их влияние на качество изображения и формируются управляющие напряжения, максимизирующие качество изображения. Компенсации фазовых искажений и максимальному качеству изображения соответствует максимальный выходной сигнал фотодетектора. Быстродействие устройства максимизации качества изображения, корректора волнового фронта и фотодетектора выбирается таким образом, чтобы косвенное измерение и коррекция искажения осуществлялись за время "замороженности" искажений. В результате устройство регистрации изображения в реальном масштабе времени регистрирует изображение наблюдаемого объекта с улучшенной разрешающей способностью.

Недостатком известного адаптивного телескопа является узкая область применения - ограниченный класс объектов, который может наблюдаться с улучшенной разрешающей способностью. Это связано с тем, что для осуществления процесса адаптации требуется априорная информация о контуре наблюдаемого объекта и его угловом положении в поле зрения адаптивного телескопа. Это значительное ограничение, так как в большинстве случаев наблюдения за реальными объектами имеет место зона неопределенности их положения в угловом поле оптической системы, существенно превышающая угловой размер объекта. А если функция пропускания маски отличается от контура наблюдаемого объекта или имеют место ошибки ее установки в плоскости изображения относительно объекта, то косвенное измерение фазовых искажений и максимизация качества изображения становятся невозможными.

Целью изобретения является расширение класса объектов, наблюдаемых в условиях атмосферных искажений с улучшенной разрешающей способностью, в частности, снятие требований о наличии априорной информации об угловом положении наблюдаемого объекта в угловом поле адаптивного телескопа.

Цель достигается тем, что в известный адаптивный телескоп, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные зеркальную систему, корректор волнового фронта, первую формирующую линзовую систему, светоделитель и устройство регистрации изображения, последовательно соединенные и оптически сопряженные первую маску и фотодетектор, а также устройство максимизации качества изображения, выход фотодетектора соединен с входом устройства максимизации качества изображения, N выходов которого соединены с N управляющими входами корректора волнового фронта, введены последовательно установленные и оптически сопряженные усилитель яркости изображения, вторая формирующая линзовая система, вторая маска и третья формирующая линзовая система, при этом оптический вход усилителя яркости изображения оптически сопряжен с вторым оптическим выходом светоделителя, оптический выход третьей формирующей линзовой системы сопряжен с первой маской, выполненной соответствующей области неопределенности положения объекта в угловом поле телескопа, а вторая маска выполнена со степенной зависимостью пропускания от координат объекта.

Благодаря введенным элементам и связям в адаптивном телескопе косвенное измерение искажений и максимизация качества изображения производятся по величине R = d, где J() - распределение интенсивности сигнала в плоскости изображения, n ≥1. Физический смысл максимизации качества изображения по величине R заключается в том, что величина R характеризует частоту перепадов яркости в распределении интенсивности изображения.

Наилучшему качеству изображения соответствует максимальное значение R. При этом не требуется точной априорной информации об угловом положении наблюдаемого объекта в поле зрения оптической системы, а пространственное дифференцирование выполняется оптическими методами в области пространственных частот.

На чертеже приведена схема адаптивного телескопа.

На чертеже обозначены: 1 - зеркальная система, 2 - корректор волнового фронта, 3 - первая линзовая система, 4 - светоделитель, 5 - устройство регистрации изобретения, 6 - маска, 7 - фотодетектор,8 - устройство максимизации качества изображения, 9 - усилитель яркости изображения, 10 - вторая линзовая система, 11 - маска со степенной зависимостью пропускания от координат, 12 - третья линзовая система. Зеркальная система 1, корректор 2 волнового фронта, пороговая линзовая система 3, светоделитель 4 и устройство 5 регистрации изображения последовательно расположены на оптической оси телескопа и оптически связаны между собой. С помощью светоделителя 4 выход первой линзовой системы 3 оптически связан с усилителем 9 яркости изображения. Последовательно с усилителем 9 яркости изображения на одной оптической оси расположены и оптически связаны между собой вторая линзовая система 10, маска 11 со степенной зависимостью пропускания от координат, третья линзовая система 12 и фотодетектор 7. Перед фотодетектором 7 установлена маска 6. Расстояния между первой линзовой системой 3, усилителем 9 яркости изображения, второй линзовой системой 10, маской 11, третьей линзовой системой 12 и фотодетектором 7 выбраны таким образом, что на входе усилителя яркости изображения формируется изображение наблюдаемого объекта (т. е. он расположен в плоскости, оптически сопряженный с плоскостью изображения), в плоскости расположения маски 11 формируется Фурье-образ изображения наблюдаемого объекта, а в плоскости фотодетектора 7 вновь формируется прямое изображение (с учетом пространственной модуляции маской 11). Маска 6 расположена непосредственно перед входом фотодетектора 7. Маска 6 выполнена соответствующей области неопределенности положения объекта в угловом поле телескопа и предназначена для пространственной фильтрации источников помех.

Выход фотодетектора 7 связан с входом устройства 8 максимизации качества изображения, число выходов которого равно числу управляющих входов корректора 2 волнового фронта. Каждый выход устройства 8 максимизации качества изображения подключен к соответствующему управляющему входу корректора 2 волнового фронта.

Адаптивный телескоп работает следующим образом.

Принимаемый оптический сигнал с фазовыми атмосферными искажениями проходит через зеркальную систему 1, корректор 2 волнового фронта, первую линзовую систему 3 и светоделитель 4. С помощью линзовой системы 3 в плоскости изображения формируется изображение наблюдаемого объекта, которое регистрируется устройством 5 регистрации изображения. Кроме того, изображение формируется на входе (катоде) усилителя 9 яркости изображения. В качестве усилителя 9 яркости изображения используется микроканальный усилитель яркости, используемый в высокочувствительных системах регистрации изображения. На выходе (экране) усилителя 9 яркости изображения формируется распределение интенсивности изображения наблюдаемого объекта J(), которое может быть обработано с помощью преобразований в области пространственных частот. Фурье-образ изображения формируется с помощью второй линзовой системы 10 в плоскости расположения маски 11 со степенной зависимостью пропускания от координат. С помощью маски 11 осуществляется пpостранственная модуляция в области пространственных частот. Она соответствует дифференцированию в области действительных изображений, n - степень координаты в плоскости расположения маски 11, которой пропорционально ее пропускание. С помощью третьей линзовой системы 12 на входе фотодетектора 7 вновь формируется распределение интенсивности изображения, однако с учетом пространственной модуляции маской 11 оно представляет собой результат пространственного дифференцирования функции J(). С помощью фотодетектора 7 регистрируется величина R = d , которая характеризует частоту перепадов яркости в распределении интенсивности изображения. Наилучшему качеству изображения соответствует максимальное значение R. Поскольку в результате фазовых искажений детали изображения размываются, частота перепадов яркости уменьшается, а выходной сигнал фотодетектора 7 тем больше, чем выше качество изображения. Таким образом датчик качества изображения представляет собой элементы (9, 10, 11, 12 и 7). При этом не требуется апpиорной информации о контуре наблюдаемого объекта и его положения в угловом поле оптической системы, а маска 6 осуществляет только пространственную фильтрацию фонового шума. Для этого ее функция пропускания выбирается соответствующей области неопределенности положения объекта в угловом поле телескопа:
M₂() = , где S - область неопределенности положения объекта. Выходной сигнал фотодетектора 7 поступает на вход устройства 8 максимизации качества изображения. Она реализует управление корректором 2 волнового фронта с частотным разделением каналов и представляет собой многоканальный блок обработки с генераторами модулирующих напряжений, операционными усилителями, синхронными детекторами и фильтрами низких частот в каждом канале. Число каналов равно числу управляющих входов корректора 2 волнового фронта. Благодаря работе устройства 8 максимизации качества изображения в принимаемый оптический сигнал вводятся "пробные" фазовые искажения на модулирующих частотах, анализируется их влияние на качество изображения и формируются напряжения, максимизирующие качество изображения. Компенсации фазовых искажений и максимальному качеству изображения соответствует максимальный выходной сигнал фотодетектора 7. Быстродействие устройства 8 максимизации качества изображения, корректора 2 волнового фронта и фотодетектора 7 выбирается таким образом, чтобы косвенное измерение и коррекция искажения осуществлялись за время "замороженности" искажений, а элементы (9-12), входящие в датчик качества изображения, безинерционны. В результате устройство 5 регистрации в реальном масштабе времени регистрирует изображение наблюдаемого объекта с улучшенной способностью.

Преимуществом данного адаптивного телескопа является расширение класса объектов, которые могут наблюдаться с улучшенной разрешающей способностью в условиях атмосферных искажений. Это становится возможным благодаря тому, что существенно уменьшается необходимость в априорной информации о наблюдаемом объекте. Для обеспечения работоспособности устройства-прототипа требуется знание контура наблюдаемого объекта и его положения в угловом поле телескопа. Это существенно ограничивает возможности его применения для наблюдения за движущимися объектами, а также во всех других случаях, когда имеет место область неопределенности положения наблюдаемого объекта. Увеличение же размеров маски до области неопределенности приводит к невозможности косвенного измерения фазовых искажений только с помощью маски и фотодетектора. В данном адаптивном телескопе требуется априорная информация только о положении в его угловом поле области неопределенности, а частота перепадов яркости в изображении наблюдаемого объекта и связанная с ней величина R не зависят от положения объекта в угловом поле телескопа. Поэтому косвенное измерение искажений по величине R и их коррекция возможны без использования априорной информации о контуре объекта и его точном угловом положении в поле зрения телескопа. При этом введенные элементы реализуют формирование величины R оптическими методами и безинерционны так, что быстродействие адаптивного контура у известного и предлагаемого кинескопов одинаковое.

Изобретение относится к адаптивной оптике и может быть использовано в некогерентных оптических системах наблюдения протяженных объектов, работающих в условиях атмосферных искажений. Изобретение характеризуется тем, что в известный телескоп, содержащий оптически сопряженные зеркальную систему, корректор волнового фронта, первую формирующую линзовую систему, светоделитель и устройство регистрации изображения и оптически сопряженные первую маску и фотодетектор, а также устройство максимизации качества изображения, введены оптически сопряженные усилитель яркости изображения, вторая формирующая линзовая система, вторая маска и третья формирующая линзовая система, причем первая маска выполнена соответствующей области неопределенности положения объекта в угловом поле телескопа, а вторая маска выполнена со степенной зависимостью пропускания от координат объекта. 1 ил.

АДАПТИВНЫЙ ТЕЛЕСКОП, содержащий последовательно установленные и оптически сопряженные зеркальную систему, корректор волнового фронта, первую формирующую линзовую систему, светоделитель и устройство регистрации изображения, последовательно установленные и оптически сопряженные первую маску и фотодетектор, а также устройство максимизации качества изображения, при этом выход фотодетектора соединен с входом устройства максимизации качества изображения, N выходов которого соединен с N управляющими входами корректора волнового фронта, отличающийся тем, что введены последовательно установленные и оптически сопряженные усилитель яркости изображения, вторая формирующая линзовая система, вторая маска и третья формирующая линзовая система, при этом оптический вход усилителя яркости изображения оптически сопряжен с вторым оптическим выходом светоделителя, оптический выход третьей формирующей линзовой системы сопряжен с первой маской, выполненной соответствующей области неопределенности положения объекта в угловом поле телескопа, а вторая маска выполнена со степенной зависимостью пропускания от координат объекта.