СПОСОБ ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G02B27/46 

Изобретение относится к области оптико-физических измерений и может быть использовано в оптической локации для контроля уровня загрязнений атмосферы, океана и т.д.

Известен способ приема оптических сигналов, заключающийся в примере рассеянного средой излучения, преобразования его в электрические сигналы и последующей обработке [1] Его недостатком является низкая точность измерения, обусловленная невысокой пространственной избирательной оптической системы.

Наиболее близким по технической сущности является способ приема оптических сигналов, заключающийся в приеме рассеянного средой излучения, виньетировании принятого потока и преобразовании в его электрический сигнал [2]
Его недостатком является невысокая точность измерений из-за низкой пространственной избирательности оптической системы. Последняя обусловлена сильным влиянием далеких слоев окружающей среды, вклад которых в принятый сигнал оказывается значительно большим, чем вклад того слоя, на который настроена оптическая система.

Решаемой технической задачей является повышение точности измерений принимаемых оптических сигналов путем устранения влияния удаленных слоев окружающей среды на результат приема.

Решение технической задачи достигается тем, что по способу приема оптических сигналов, заключающемуся в приеме рассеянного средой излучения, виньетировании принятого потока и преобразовании его в электрический сигнал, до приема дополнительно осуществляют операции предварительной настройки оптической системы на дальность R₁, осуществляют первый прием и регистрируют первый преобразованный электрический сигнал U₁, затем осуществляют настройку на дальность R₂, осуществляют второй прием, регистрируют второй преобразованный сигнал U₂ и определяют результат по алгоритму
U U₂ U₁
причем дальность R₁ меньше дальности R₂ и находится вне рабочего диапазона дальностей, а дальность R₂ внутри этого диапазона, а настройку осуществляют путем виньентирования принимаемого потока в плоскости изображений, поддерживая при этом постоянным параметр настройки где D - диаметр объектива, f фокусное расстояние объектива, d диаметр диафрагмы, R текущая дальность настройки.

Существенными отличительными признаками предлагаемого изобретения являются операции предварительной настройки оптической системы на дальности R₁ и R₂, виньетирование принятого потока в плоскости изображений с дальностей R₁ и R₂, поддержание при этом постоянным параметра настройки оптической системы M и определение результата по предлагаемому алгоритму U U₂ U₁. Эти существенные отличительные признаки позволяют получить новое свойство повышение точности измерений принимаемых оптических сигналов путем улучшения пространственной избирательности за счет устранения влияния на результаты приема удаленных слоев среды.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 изображено устройство, реализующее способ. На фиг. 2 представлена оптическая схема, поясняющая геометрические соотношения при приеме оптических сигналов. На фиг. 3 показана форма контура пространственной секции как функция относительной расстройки. На фиг. 4 показаны рабочие R_i-1, R₁, R_i+1 и вспомогательный R₁ контуры пространственной селекции как функции дальности.

Устройство, реализующее способ, содержит (фиг.1) установленные последовательно вдоль оптической оси объектив 1, диафрагму поля зрения 2, фотоприемник 3, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 4, ЭВМ 5 и электро-механический привод 6. При этом диафрагма поля зрения 2 устанавливается в плоскости изображения с заданной дальности параллельно фокальной плоскости, предусмотрена возможность перемещения диафрагмы вдоль оптической оси объектива 1 для настройки на разные дальности и изменения размера отверстия диафрагмы с помощью электро-механического привода 6. Выход фотоприемника 3 соединен с сигнальными входом АЦП 4. ЭВМ соединена с выходами АЦП 4 через порт 1, с управляющим входом АЦП 4 через порт 2, с управляющим входом (вход стробирования) фотоприемника 3 через порт 3, с управляющим входом электро-механического привода 6 через порт 4. Электро-механический привод 6 соединен с узлом диафрагмы 2.

На фиг. 2 обозначено: 1 объектив; 2 диафрагма поля зрения; 7 - объект, находящийся в поле зрения приемной оптики.

Способ осуществляют следующим образом. Оптическую систему настраивают на выбранную дальность R₁ путем установки диафрагмы поля зрения 2 диаметром d₁, на расстояние от фокальной плоскости в плоскость изображения объекта, отдаленного на расстояние R₁. При этом центр диафрагмы располагают на оптической оси объектива 1. Параметр настройки оказывается, таким образом, равным Через диафрагму поля зрения 2 пройдет часть поступившего в объектив 1 потока рассеянного излучения окружающего фона, которая будет преобразована в электрический сигнал фотоприемником 3, установленным за диафрагмой, и поступит в АЦП и далее в ЭВМ 5.

Затем, путем изменения диаметра диафрагмы 2 с d₁ на d₂ и расстояния от диафрагмы до фокальной плоскости с Z₁ на Z₂ с помощью электромеханического привода 6 осуществляется перестройка оптической системы. При этом вновь параметр M поддерживается постоянным. После второго вновь производится преобразование прошедшего через диафрагму 2 оптического сигнала в электрический в фотоприемнике 3 и обработка и регистрация в АЦП 4 и ЭВМ 5. Окончательный результат вычисляют как разность U U₂ - U₁, где U₁ и U₂ электрические сигналы, полученные в результате настройки на дальности R₁ и R₂; D диаметр объектива; f фокусное расстояние объектива; M обобщенный параметр настройки оптической системы.

Выбирая дальность R₁ малой и вне рабочего интервала дальностей приема R_н <R_р <R_в, где R_р рабочая дальность настройки оптической системы, можно добиться высокого качества корректировки формы функции пространственной избирательности оптической системы.

Перестройка оптической системы с дальности R₁ на R₂ может осуществляться различным путем, например, изменением Z при f=const, перемещая диафрагму 2 поля зрения относительно неподвижного объектива (как в устройстве на фиг.1); или передвигая объектив относительно неподвижной диафрагмы; или изменяя фокусное расстояние объектива при постоянной величине Z.

Пространственная избирательность оптической системы может быть сильно или слабо выраженной. Выведем соотношения, позволяющие дать количественную оценку избирательности или селекции на примере простейшей однолинзовой оптической системы.

Будем полагать, что объектив задан круглой апертурой диаметров D и фокусным расстоянием f. На некотором расстоянии Z от фокальной плоскости F объектива центрированно относительно оптической оси установлена круглая полевая диафрагма диаметром d. Непосредственно за диафрагмой установлены светофильтры и детектор излучения, регистрирующий прошедший за диафрагму поток.

Согласно известной формуле Ньютона расстояния от переднего фокуса объектива до предмета (R-f) и от заднего фокуса до изображения Z связаны соотношением: Z f²/(R-f), где R расстояние от главной плоскости объектива до рассматриваемой точки. В зависимости от положения диафрагмы вдоль оптической оси на нее падает сходящийся или расходящийся пучок лучей с дальности R в виде конуса (фиг.2). Как видно из фиг. 2б и 5, наибольший размер у изображения слоя с произвольной дальности R≥R_о плоскости изображения слоя с дальности R_о легко определить из условий геометрического подобия.

Из подобия треугольника АБС и СЕО (см. фиг.5) следует, что основания треугольников АБ и ЕО соотносятся как высоты (z_о z) и (z + f).

Но AB (y d_o)/2; EO D/2; z_о-z=f² (1/R_о-1/R)=Y²(R-R_о)/R_оR; z+f=f²/(R-f) + f=Rf/(R-f).

Тогда
.

Для R-f≈R получим Y-d_о=Df(R-R_о)/RR_о и
.

Аналогичным образом можно рассмотреть геометрию системы при приеме потока излучения с дальности R≅R_о (фиг.2в). И для этого интервала дальностей можно записать: Y d_о ± Df (R - R_о)/R(R_о-f) (1).

Здесь: знаки + и относятся к случаям R≥R_о и R≅R_о соответственно.

Как видно из (1), размер изображения у различных слоев, находящихся в поле зрения приемной оптической системы и удаленных от нее на произвольное расстояние R, всегда превышает размер диафрагмы d_о, кроме случая R R_о.

Будем называть в дальнейшем функцией пространственной селекции (или пространственной избирательности) оптической системы, настроенной на дальность R_о, степень согласования площади S_о диафрагмы поля зрения и площади S(R, R_о) сформированного оптикой изображения слоя, удаленного на произвольное расстояние R
G(R, R_о) S_о/S(R, R_о) (2).

Вычислим функцию пространственной селекции для однолинзовой приемной оптики. Очевидно, для нее
G(R,R_о)=(d_о/y)²=[1±Df (R-R_о)/d_оR(R-f)]^-2 (3).

Форма контура пространственного фильтра, как следует из (3), определяется конструктивным параметром и дальностью R_о настройки оптической системы. Приняв с учетом R_о>f, получим:
.

На фиг. 3 показан контур линии пространственной селекции при вариациях безразмерного параметра: кривым 1 5 соответствуют значения M, равные 100; 31.6; 10; 3.16 и 1.0.

Проанализируем особенности формы контура пространственного фильтра. Во-первых, контур несимметричен относительно дальности настройки. Во-вторых, левая ветвь (R≅R_о) убывает до нуля с уменьшением P. И, в-третьих, правая ветвь контура при больших R стремится к некоторому положительному значению G_∞ В самом деле
.

Поэтому даже при больших M остаточный уровень сигнала от самых удаленных от приемной системы слоев может быть сделан на выходе пространственного фильтра достаточно малым, но не может быть сведен к нулю.

Рассчитаем ширину контура пространственной селекции, определяя ее на произвольном уровне K, K>1. Из (4) и из условия G>0 следует:

Корни этого уравнения . Значит, ширина контура пространственного фильтра по уровню 1/K

Для обычно принятого в оптике значения K 2(ширина определяется на уровне 0,5), будем иметь:
ΔR_0,5= 2(-1)R_o/M≃ 0,82 R2o

Как было получено в (4) и (5), правое крыло контура пространственной селекции при возрастании дальности стремится к некоторому положительному значению G_∞ Иными словами, контур имеет бесконечно длинный "хвост", который значительно ухудшает возможности селекции сигналов по дальности и даже делает ее невозможной при малых оптических плотностях среды.

Однако возможна корректировка формы контура, улучшающая пространственную избирательность. Действительно, согласно (4) и (7) с увеличением дальности настройки контур пропорционально уширяется, если постоянно M.

Выберем малую дальность настройки R₁, находящуюся вне рабочего диапазона перестройки оптической системы. Очевидно, будет малой и ширина контура ΔR₁. При поддержании постоянным параметра M для всех контуров R_i в рабочем диапазоне настроек остаточный уровень фонового сигнала сохраняется постоянным (M + 1)^-2 (фиг. 4). Следовательно, возможна компенсация остаточного уровня сигнала в крыльях рабочих контуров сигналом, сформированным вспомогательным контуром R₁.

Очевидно, предел

Последнее равенство нулю имеет место только при M const (R). И только тогда удастся полностью скомпенсировать (а значит, устранить) вклад в результирующий сигнал дальних слоев.

Влияние длинного "хвоста" контура пространственной селекции оказалось устраненным, значит, значительно улучшена разрешающая способность пространственного фильтра по дальности. Последнее позволяет обеспечить повышение точности измерений принимаемых сигналов, т.к. значительно уменьшено влияние на конечный результат удаленных слоев окружающей среды.

Использование: для приема и обработки оптических сигналов при исследованиях сред оптическими методами, в оптической локации, при контроле уровня аэрозольных загрязнений и т.д. Сущность изобретения: способ включает преобразование в электрический сигнал принятого и виньетированного потока рассеянного излучения при настройке оптической системы на разные дальности, поддержание постоянным обобщенного параметра настройки оптической системы и определение результата как разности показаний при настройках на две дальности. 1 табл. , 5 ил.

Способ приема и обработки оптических сигналов, заключающийся в приеме рассеянного средой излучения, виньетировании принятого потока и преобразовании его в электрический сигнал, отличающийся тем, что до приема настраивают оптическую систему на дальность R₁, осуществляют первый прием и регистрируют первый преобразованный электрический сигнал U₁, затем осуществляют настройку на дальность R₂, осуществляют второй прием, регистрируют второй преобразованный сигнал U₂ и определяют результат по алгоритму
U U₂ U₁,
причем дальность R₁ меньше дальности R₂ и находится вне рабочего диапазона дальностей, а дальность R₂ внутри этого диапазона, настройку осуществляют путем виньетирования принимаемого потока в плоскости изображений, поддерживая при этом постоянным параметр настройки

где D диаметр объектива;
f фокусное расстояние объектива;
d диаметр диафрагмы;
R текущая дальность настройки.