Способ моделирования действия турбулентности Советский патент 1986 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к изображающим оптическим приборам, а именно к моделированию действия турбулентности среды, через которую проходит свет, формирующий изображение, и может использоваться при анализе оптических устройств, на изобразительные характеристики которых влияет турбулентность.

Целью изобретения является упро- щение способа.

При моделировании действия турбулентной среды на формируемое фотографической системой изображение необходимо, чтобы влияние реальной среды и элементов, моделирующих зту среду, на характеристики усредненного за время экспонирования изображения было одинаковым. Это произойдет, если будут равны функции передачи модуля- ции, часто называемые также частотно- коитрастными характеристиками для реальной среды и моделирующего элемента. Функция передачи модуляции определяет зависимость глубины модуляции Т (контраста) в изображении штрихового тест-объекта единичного контраста с синусоидальным профилем пропускания от пространственной частоты тест-объекта. Она характеризует умень шение контраста изображения за счет действия турбулентной среды за время экспонированиям

При использовании объектива фотографической системы с фокусным расстоянием F и плоского зеркала, установленного с возможностью управления его отклонением в двух взаимно перпендикулярных направлениях, фуикция; передачи модуляции (ФПМ) за счет колебаний зеркала равна

Л1. .r«(r)4jexpj i2nF y V(t) + (t)dt CD

Если закон управления отклонением зеркала по координатам х и у задать синусоидальным,

V,(t)V;SihcJt, V,(t)coSaJt,

T«(r) IIC.J(l,FVj),

t-1

сз;

где

T|7

3.C) |-rcos(is;)cff,

предельная пространственная частота, которая учитывается при передаче

через турбулентную среду, Q; - нули функции Бесселя Л„ (Z), при которых она обращается в нуль (а 1,4; a,j 5,52; а5- 8,65; а 11,8; а 14,9 и т.д.), а коэффициенты С; находятся по формуле

Т,

С;:-аjT(ir)l,(ll PV;)ydj1

.,)

где (у) - ФПМ за счет действия реальной турбулентной среды )

ТГ/2

Ji(2l) jS n4 Sib(1:.-,n4 )d4 .

о

V 2ir

условие ij х обеспечивает повьппе1

нне точности моделирования.

Таким образом, ФПМ за счет деист-, ВИЯ турбулентности - Т() и за счет действия моделирующего турбулентность зеркала Т C-Jf) одинаковые и, следовательно, моделирование действия турбу- |Лентности отклонением зеркала по заданному закону совпадает с действнем самой турбулентной среды, если по- |верхность зеркала сохраняется неизменной, а отклонение его по двум взаимно перпендикулярным направлениям происходит по гармоническому закону (2). Хотя в каждый данный момент времени закон моделироваиия не,совпадает с законом изменения реальной турбулентности, усредненная за время экспонирования ФПМ Т„(V) совпадает с усредненной ФПМ Т„() за счет действия реальной турбулентной среды. Точность моделирования возрастает при увеличении k числа последовательных во времени значений амплитуд угла отклонения V зеркала.

Пусть ФПМ для реальной трубулент- ной атмосферы имеет вид

T{f) is)

который хорошо согласуется с экспериментом. Выберем число последовательных во времени значений амплитуд угла отклонения зеркала k 2.

Возьмем У J, тогда V, 1,39 ,

Y,( 3,2 --. По формуле (3) с помощью (4) найдем ФПМ за счет действия зеркала, моделирующего турбулентность

(2,4

1)

Y;

+ 0,25 J, (6)

Результаты сравнения полученной таким образом ФПМ с ФПМ для моделируемой турбулентной атмосферы приведены в таблице.

f/Л 0,1 0,3 I 0,5 I 0,71о,9 |l 10

Т 1 0,97 0,76 0,47 0,23 0,088 0,050 Т„ 1 0,97 0,76 0,46 0,21 0,053 О

Из таблицы видно, что погрешности моделирования проявляются только на высоких пространственных частотах причем при разбиении диапазона изменения амплитуд угла качания всего на два значения отличия Т„ от Т проявляются лишь во втором знаке после запятой.

На фиг. I приведено устройство, реализующее предлагаемый способ, общий вид; на фиг. 2 - возможный вариант построения блока управления.

Устройство состоит из источника света 1 с набооом светофильтров, конденсора 2, матового стекла 3, тест- объекта 4, затвора 5, блока управления 6, коллиматорного объектива 7, плоского зеркала 8 с приводом, приемной фотографической системы 9, регисрирующего материала 10.

Устройство работает следующим образом.

Тест-объект 4, равномерно освещамый источником света 1 через матовое стекло 3 с помощью конденсора 2, изображается посредством коллиматорного объектива 7, зеркала 8 и приемной фотографической системы 9 на регистрирующем материале 10. Исходя из конкретного вида ФПМ турбулентной среды, действие которой необходимо моделировать, рассчитьюается закон .. управления колебаниями зеркала 8. Блок управления 6 .подает необходимые сигналы управления, соответствующие рассчитанному закону управления на привод зеркала 8, которое отрабатывает требуемый закон управления за время экспозиции 1- , определяемое затвором 5.

Начало и конец управления качанием зеркала определяется заданным временем фотографирования тест-объекта 4 через моделируемую турбулентность (временем экспонирования Т ). Зная величинуt и найденные по формуле (4) значения С, , т.е. напри- мер, Ci, С, Сз, определяется момент перехода от одного угла отклонения зеркала к другому, следующему за ним.

в течение которого амплиВремя t

туда отклонения зеркала равна v ,

Cj. Поэтому Сз, а t г, + 1

С.,:

I..

+ и

+ Cj + Сз 1. Следовательно, J-

c,t, т.е. г- c,t, t Cj,1;, t c. i.

Итак вначале зеркало колеблется в

течение времени , с амплитудой У , затем в течение 2 с амплитудой V. и, наконец, в течение tj с амплитудой Vj . При зтом реализуется ФПМ, соответствующая ФПМ моделируемой турбулентности.

Управление углом отклонения зеркала технически реализуется с помощью находящихся в известной взаимосвязи известных устройств для заданного закона колебания зеркала (фиг.2) источника гармонического сигнала, например стандартного генератора (ЗГ) для задания изменения угла отклонения зеркала по синусоидальному закону; фазосдвигающего устройства (ФСУ) для сдвига на 90° по фазе синусоидальных сигналов управления углом отклонения зеркала по двум взаимно- перпендикулярным направлениям х и у; электронного делителя напряжения. (ДН) изменяющего амплитуду идущего из источника гармонического сигнала в соответствии с требуемыми значениями угла отклонения V; ; электронного реле времени, которое вырабатывает сигналы включения и вьаслючения через заданное время и привода затвора 5, а также сигналы перехода через заданные промежутки времени к другим значениям амплитуды V угла отклонения зеркала. Технически они могут быть выполнены в одном электронном блоке управления 6.

Пример. Собрана экспериментальная установка по схеме, приведенной на фиг. 1. В качестве источника излучения 1 взята лампа накаливания типа КИМ 9-72 с набором нейтральных по спектру ослабляющих излучение фильтров и светофильтром,

имеющим максимальное пропускание для 558 нм. Двухлинзовый конденсор 2 через матовое стекло 3 создавал равномерное освещение тест-объекта 4,

спектроскопической щели с шириной 5 мкм. Коллиматорный объектив 7 от оптической скамьи ОСК-2 с фокусным расстоянием 1605 мм образовьшал параллельный пучок, падающий на зеркало 8, изготовленное из плоскопараллельной пластинки с напьшенным алюминиевым зеркальным слоем. Для отклонения его в двух взаимно перпендикулярных направлениях взяты 2 пьезоэлектрических керамических стержня из титаната бария типа ТБ-1, Система управления 6 состояла из звукового генератора типа 13-102 и отдельного электронного блока, позволяющего создавать фазовый сдвиг на 90° и подавать на отклоняемое в двух направлениях зеркало 8 два синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе на 90 . Этот же блок позволял скачкообразно изменять в заданное время амплитуду сигнала отклонения и подавать синхронизированный сигнал включения и выключения через определенное время t на привод затвора 5. Изображение тест-объекта регистрировалось на фотопленке 10 объективом 9 типа Юпитер-11 с фокусным расстоянием F 134 мм. Объектив 9 и фотопленка 10 входили в состав фотоаппарата типа Зенит Е. Па- раметры режима работы: cJ 60 кГц,

0,1 с, 0,0012 раз.

л.

i

После проявления снимка с помощью микрофотометра типа МФ-4 и при учете характеристической кривой фотопленки находилось распределение интенсивности в размытом изображении линии. Зная это распределение, опр еделялась с помощью преобразования Фурье ФПМ фотографической системы пргя выключенНОЙ Т CY) и включенной Т, ()) системе управления отклонением зеркала. Окончательная ФПМ за счет действия одного только зеркала, моделирующего заданную турбулентность, находилась

как T(Y) .t)T IYl Результаты показали, что в пределах экспериментальных погрешностей ) соответст- воваг(а моделируемой ФШ (5).

Формула изобр.етения

Способ моделирования действия турбулентности, в котором искажают оптическое изображение тест-объекта путем управления характеристиками отраженного от зеркала потока излучения, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа, искажение изображения тест-объекта осу- ществляют последовательными циклами угловых колебаний плоского зеркала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проводимыми по гармоническому

Изобретение относится к области изображающих оптических приборов. Целью изобретения является упрощение способа моделирования. Тест-объект 4, освещаемый источником света 1 через матовое стекло 3 с помощью конденсора 2, изображается посредством кол- лиматорного объектива 7, зеркала 8 и приемной фотографической системы 9 на регистрирующем материале 10, Исходя из конкретного вида функции передачи модуляции турбулентной среды, действие которой необходимо моделировать, рассчитьшается закон управления колебаниями зеркала 8. Блок управления 6 подает на отклоняемое: в двух направлениях зеркало 8 два синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе на 90 . Этот блок позволяет скачкообразно изменять в заданное время амплитуду сигнала отклонения и подавать синхронизированный сигнал включения и выключения через время L на привод затвора. 2 ил. (Л Фи./ ю ts5 СП to ел

V

J

Фи9. Z

Составитель В.Карягин Редактор А.Гулько Техред О.Сопко Корректор С.Шекмар

Заказ 1604/48 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ill 111 Патент, г.Ужгород, ул.Проектная,4