Відновлення макропараметрів сильнорозсіюючих об’єктів за спекл-полем із використанням опорної хвилі

Розробка методів діагностики макроформи та поляризаційної неоднорідності сильнорозсіюючих об’єктів за спекл-полем із використанням опорної хвилі. Оптимальне співвідношення інтенсивностей співвісно накладеної плоскої опорної хвилі та об’єктного поля.

Рубрика Физика и энергетика
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 29.07.2014
Размер файла 56,8 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Юрія Федьковича

Домініков Микола Миколайович

УДК 535.4

ВІДНОВЛЕННЯ МАКРОПАРАМЕТРІВ СИЛЬНОРОЗСІЮЮЧИХ ОБ'ЄКТІВ ЗА СПЕКЛ-ПОЛЕМ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ОПОРНОЇ ХВИЛІ

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі кореляційної оптики інженерно-технічного факультету Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор, Максимяк Петро Петрович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри кореляційної оптики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Ушенко Олександр Григорович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри оптики і спектроскопії.

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Шумелюк Олександр Миколайович, Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Одеський національний університет імені І.І. Мечнікова Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 29 ” квітня 2005р. о 17.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Чернівецького національного університету за адресою 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розісланий ” 25 ” березня 2005р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.В. Курганецький.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

макроформа поляризаційний опорний хвиля

Актуальність теми. Розсіяння когерентного оптичного випромінювання неоднорідними об'єктами, внаслідок інтерференційного складання парціальних хвиль з випадковими амплітудами та фазами, приводить до утворення складного розподілу поля (спекл-поля). Особливістю таких полів є те, що мала область спекл-картини, утвореної у площині реєстрації, містить інформацію про макроформу та поляризаційний розподіл поля (макропараметри) всього об'єкта. Дослідження характеристик спекл-полів актуальне з двох причин: розробки оптичних методів розпізнавання образів та необхідності боротьби з шумами в оптичних каналах зв'язку. Ефективним при дослідженні таких полів є застосування опорних хвиль [1]. З великої кількості теоретичних та експериментальних робіт в даній області можна виділити дві групи методів: голографічні та інтерферометричні методи з опорною хвилею [2-4] та методи, у яких роль опорної хвилі відіграє одна компонента об'єктного поля (безопорні) [1,5].

Піонерами у дослідженнях лазерних спекл-полів були Голдфішер, Дейнті, Гудмен, Франсон та інші [2-5]. У результаті цих досліджень виникли нові напрямки: оптика спеклів, когерентна оптика, спекл-інтерферометрія, сингулярна та фрактальна оптики й інші.

Теоретичні та експериментальні дослідження спекл-полів дозволили розв'язати ряд прикладних задач, серед яких: контроль шорсткості поверхні; визначення топології об'єктів та параметрів руху; ідентифікація образів та ін.

Теоретичний та практичний інтерес має задача встановлення зі спекл-поля макропараметрів об'єкту. Розв'язками обернених задач встановлення зі спекл-поля макропараметрів об'єкту займались Келлер [9] - у наближенні геометричної оптики, з використанням хвильової теорії - Льюес [10] та Просер [11] - для слаборозсіюючих об'єктів. Проте у випадку сильнорозсіюючих об'єктів (СРО), дисперсія фази неоднорідностей яких набагато більша за , коли відсутня регулярна складова поля, є певні труднощі у визначенні макропараметрів об'єктів. Зокрема можна виділити наступні експериментальні ситуації:

Якщо освітити когерентним пучком СРО об'єкт, то контури об'єкту, у полі розсіяного випромінювання, відсутні вже у ближній зоні. Застосування голографічного методу утруднене, оскільки в аналогічних задачах локації, як правило, відсутня опорна хвиля [1,8].

При голографічній реєстрації СРО із співвісно накладеною опорною хвилею [6], важливим є співвідношення інтенсивності опорної та об'єктної хвиль. Тому встановлення оптимальних співвідношень між ними для різних об'єктів та зон реєстрації є актуальною задачею.

Поляризаційна структура поля випромінювання, дифрагованого на СРО, у ближньому полі є досить складною [8]: присутня як поперечна так і поздовжня складові вектора напруженості електричного поля. У цьому випадку виникає так звана поляризаційна модуляція поля. Важливо реєструвати такі поля та хвилі.

Поле випромінювання від СРО у дальній зоні формується малою кількістю спеклів, за якими важко відтворити об'єкт [5]. Тому важливою є розробка методів та процедур обробки таких полів для покращення розпізнавання далеких об'єктів.

Вирішенню цих актуальних задач оптики спеклів присвячено дисертаційну роботу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження, результати якого представлені у дисертації, виконувалось у відповідності з програмою наукової тематики кафедри кореляційної оптики Чернівецького національного університету: “Дослідження нових можливостей розв'язання оберненої діагностичної задачі в оптиці шляхом використання уявлень фрактальної оптики та хаосу” ( № держреєстрації ДР0197U014408).

Дисертантом проведено експериментальні дослідження та комп'ютерне моделювання оптичного поля розсіяного випадковими розсіюючими об'єктами і запропоновано ряд голографічних та інтерферометричних методів діагностики їх макропараметрів.

Метою дисертаційної роботи є розробка та реалізація методів діагностики макроформи та поляризаційної неоднорідності сильнорозсіюючих об'єктів за спекл-полем із використанням опорної хвилі.

Задачі дослідження:

Обґрунтування і реалізація методу відновлення макроформи сильнорозсіюючих об'єктів шляхом співвісного накладання опорної хвилі на спекл-поле. Збільшення співвідношення сигнал/шум.

Оцінка впливу інтенсивності співвісно накладеної опорної хвилі на співвідношення сигнал/шум відновленого поля при голографічній реєстрації сильнорозсіюючих об'єктів.

Дослідження ефективності реєстрації та відновлення поля сильнорозсіюючих поляризаційно-неоднорідних об'єктів.

Розробка та реалізація алгоритму оптичного відтворення макроформи об'єкту, шляхом обробки спеклограм з обмеженою кількістю спеклів.

Об'єктом дослідження є спекл-структура розсіяного випромінювання.

Предметом дослідження є спекл-поля, утворені СРО, відновлені оптичні поля, поля, що дифрагували на оброблених, з метою підвищення їх інформативності, спеклограмах.

Застосовані такі методи дослідження, як:

просторове та часове гетеродинування - для виявлення макроформи об'єкту;

кореляційні, голографічні та поляриметричні для реєстрації, відновлення та контролю енергетичного та поляризаційного розподілів оптичного поля;

просторова фільтрація та дискретизація - для збільшення співвідношення сигнал/шум та відновлення макроформи віддаленого розсіюючого об'єкту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

Концепція Лейта-Роу (просторового гетеродинування) ідентифікації макроформи розсіюючих об'єктів та виявлення відмінностей у просторовому розподілі, застосована для відновлення зображення СРО.

Встановлено оптимальне співвідношення інтенсивностей співвісно накладеної плоскої опорної хвилі та об'єктного поля, при якому вдається відновити форму досліджуваного об'єкта.

Зареєстровані хвилі поляризаційної модуляції поля, які зумовлені впливом повздовжньої складової вектора напруженості електричного поля.

Показано можливість покращення розпізнавання СРО шляхом представлення спеклограм ізофотами інтенсивності.

Відтворено макроформу віддаленого об'єкту у 1-му порядку дифракції шляхом амплітудної модуляції спеклів із фазовим зсувом.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що розроблені та апробовані у дисертації методи відновлення макропараметрів СРО можуть бути безпосередньо застосовані:

В системах розпізнавання макроформи СРО.

В астрофізиці для локації віддалених об'єктів та розпізнавання.

В оптичних лініях зв'язку для збільшення співвідношення сигнал/шум.

Особистий внесок здобувача

Автору належить визначення напрямку досліджень, обґрунтування методів просторово-частотного гетеродинування, розробки методики досліджень, проведення основних експериментів, обробка та інтерпретація результатів. Основні результати по відновленню макропараметрів сильнорозсіюючих об'єктів, узагальнені у дисертаційній роботі, отримано автором самостійно й опубліковано у роботах [1*,2*,3*,4*,5*,6*,7*,10*]. У роботах [12*,13*,14*] дисертантом проведено теоретичне обґрунтування експериментальних методик, здійснено планування та виконання основних експериментів. Робота [9*] виконана повністю самостійно. В роботах [8*,9*,11*] дисертант брав участь у підготовці та проведенні експериментальних досліджень, обробці та інтерпретації результатів, виконав комп'ютерне моделювання експерименту.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на:

Республіканській конференції “ Голографический анализ объектов и сред”, 1988, Чернівці;

Міжнародній конференції “LAMILADIS' 91”, 1991 Чернівці;

Міжнародній конференції “Laser Application in Life Science ”, Slovak Republic, Bratislava, 1998.

Міжнародній конференції “Correlation optics 2001”, 2001 Чернівці.

Міжнародній конференції “Correlation optics 2003”, 2003 Чернівці.

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 14 наукових праць перелік яких наведено у кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 129 сторінок. В дисертацію включено 37 ілюстрацій. Список використаних джерел складається з 109 найменувань і займає 8 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі, що є оглядом літератури за темою дисертації, проведено аналіз публікацій, які присвячені експериментальним вирішенням задач оптики спеклів та пошуку підходів у вивченні інформативності оптичних полів, викладено основні уявлення про структуру спекл-поля, розглянуто модель формування оптичного поля, розсіяного об'єктом. Визначені напрямки пошуку нових можливостей визначення макропараметрів СРО.

У другому розділі приведено результати дослідження впливу інтенсивності опорної хвилі на якість відновлення з спекл-поля зображення СРО.

Для відновлення макроформи досліджуваного об'єкту застосовувався метод просторово оптичного гетеродинування -розвиток концепції Лейта-Роу.

Як фазовий об'єкт в дослідженні було використане матове скло, шліфоване абразивом М20. На поверхню матового скла, з боку падаючого пучка, накладались трафарети невеликих геометричних фігур вирізані у непрозорому чорному папері. На поле, розсіяне СРО, співвісно накладалась плоска когерентна опорна хвиля [1*,6*]. Голограма реєструвалась у зоні Френеля, де у формуванні спекл-поля, приймала участь значна частина просторово-частотних компонент.

Показано, що результуюче поле, яке сформоване при накладанні опорної хвилі, можна розглядати як суперпозицію двох когерентних полів: першого - сформованого внаслідок взаємної інтерференції оптичних ретрансляторів, що представляють об'єкт; другого - сформованого внаслідок інтерференції когерентного ретранслятора із опорною хвилею зокрема.

Оцінку зміни структури поля у площині реєстрації було проведено за характерною зміною величини граничної максимальної просторової частоти Щ.

Встановлено, що найбільша просторова частота гармонічної складової формується найбільш віддаленими один від одного ретрансляторами, тобто

де: Dеф - ефективний розмір об'єкту, z0 - відстань від розсіювального об'єкту до площини спостереження, - довжина хвилі когерентного випромінювання. Якщо розглядати просторове гетеродинування як амплітудну модуляцію низькочастотним коливанням високочастотного, то при умові х0<<Dеф/2 максимальна просторова частота гармонічної складової визначається співвідношенням

а при умові х0>Dеф/2 - наступним співвідношенням

де х0 - координата точки спостереження.

Разом з тим, якщо не враховувати зміни максимальної просторової частоти гармонічної складової структури спекл-картини, пов'язаної із зміною ефективного розміру об'єкту, то у межах області геометричної тіні, значення її залишається постійним.

За межами області геометричної тіні значення максимальної просторової частоти збільшується пропорційно х0 і на відстані х0=D збігається із максимальною просторовою частотою гармонічної складової у структурі спекл-поля, яка формується за відсутності опорної хвилі. Експериментальні дослідження проводились в оптичній схемі на базі інтерферометра Маха-Цандера (Рис.1).

Різний період модуляції спекл-поля на проміжку (0 - Dеф), приводить до проявлення в спекл-полі макроформи СРО. Дана схема еквівалентна схемі запису голограм Габора.

Дослідження проводились при зміні кутових розмірів об'єкта від 0,5 до 0,04 рад. Макроформа відновлювалась до 0,05 рад. Хвильовий параметр умов експерименту змінювався в межах від 0,04 до 0,12.

Проведене комп'ютерне моделювання та обробка фрагменту зареєстрованої спекл-структури із застосуванням wavelet аналізу, дозволили незалежно перевірити концепцію Лейта-Роу просторово-частотного гетеродинування, показати можливості метода для відновлення макроформи СРО.

Моделювався випадковий фазовий об'єкт з дисперсією фази неоднорідностей у вигляді квадрата розміром 1мм Ч1мм. Для аналізу та обробки отриманого просторово-частотного розподілу було застосовано wavelet перетворення.

Використане wavelet перетворення дозволило збільшити співвідношення сигнал/шум, покращити розпізнавання образу.

Дослідження впливу інтенсивності співвісно накладеної опорної хвилі на якість відновленого зображення СРО показало, що опорна хвиля такого типу виступає у якості когерентної основи, на якій відбувається інтерференційна візуалізація фазової картини поля у вигляді складного розподілу інтенсивностей - спекл-поля. Наявність нулів амплітуди у спекл-полі на етапі реєстрації голограми, приводить до нелінійних спотворень при відновлені зображень із безопорної голограми, що відбивається на деформації просторово-частотного спектру поля і призводить до зниження контрасту відновленого зображення [4*,13*].

Причиною спотворень відновленого зображення є зменшення періоду розподілу інтенсивності за відношенням до періоду розподілу амплітуди поля об'єктного пучка. Це проявлялося у випадку коли інтенсивність нульової складової у спектрі була меншою за інтенсивність об'єктної хвилі.

Відмінністю є введення нормуючого пучка, інтенсивність якого вибрана меншою за інтенсивність об'єктного поля. Доцільність цього кроку обумовлена необхідністю врахування впливу зміни вхідної модуляції інтерференційного поля, що реєструється, на структуру поля випромінювання, відновленого амплітудною голограмою. Справа у тому, що навіть якщо експозиція у кожному із експериментів витримувалася незмінною, ПЧ спектр поля відновленого зображення видозмінювався за рахунок зміни співвідношення інтенсивностей опорного та об'єктного пучків.

Із аналізу результатів випливає, що спектр просторових частот відновленого поля з голограми без опорного поля характеризується найбільшою шириною. При збільшенні інтенсивності опорного пучка ширина ПЧ спектра зменшується. Співвідношення інтенсивностей опорного і об'єктного пучків збільшується від значень 1:5 до 1:1. Відновлені зображення квадратів меншого розміру, розташовані симетрично відносно основного зображення, відповідають нормувальному пучку на етапі запису голограм.

Вибір інтенсивності опорної хвилі, більшої в порівнянні з інтенсивністю об'єктної (Iоп/Iоб5:1), дозволив позбавитись впливу неоднозначностей, пов'язаних із нулями амплітуди та змінами знака поля, які проявляються в подвоєнні частоти відповідних розподілів та зашумлюють відновлене зображення.

У третьому розділі дисертації досліджувалися можливості застосування опорних хвиль для голографічного відновлення поляризаційного розподілу поля СРО.

Дослідження проводяться із застосуванням двох когерентних із об'єктною хвилею опорних хвиль, азимути поляризацій яких ортогональні між собою, а самі хвилі зводилися у зоні реєстрації під кутом . Поляризаційно-неоднорідний об'єкт розташовувався симетрично між опорними хвилями. Реєстрували та відновлювали голограму, одночасно освітлюючи її двома лінійно поляризованими опорними хвилями із ортогональними азимутами поляризації [10*].

Оскільки модуляція інтерференційної картини, внаслідок інтерференційного складання різних за азимутом поляризації пучків, буде неоднаковою, то на стадії відновлення відповідних решіток буде мати місце різна дифракційна ефективність. Кожна із решіток буде відновлювати зображення об'єкта із поляризацією, що співпадає із станом поляризації опорної хвилі та амплітудою, яка відповідає дифракційній ефективності відповідної решітки, на якій відбувається дифракція. Внаслідок когерентності опорних хвиль та завдяки просторовій синхронізації хвиль, що відновлювалися двома зареєстрованими решітками, ми мали векторне складання, та, врешті, отримали поляризацію, що відповідала поляризації вихідній об'єктній хвилі.

Роль поляризаційно-неоднорідного об'єкта відігравало матове скло, шліфоване абразивом М20, із накладеними поляроїдними плівками у вигляді кільця та внутрішнього диску, площина пропускання яких змінювалася у межах .

Зчитування голограми відбувалося у цій же схемі за умов перекритої об'єктної хвилі. Голограма Г освітлювалася двома опорними хвилями із ортогональними азимутами лінійної поляризації, що ідентичні опорним хвилям які використовувались при запису голограми. У області перекриття відновлених хвиль формувалася хвиля із станом поляризації, ідентичним стану поляризації об'єктної хвилі. Аналіз відтвореного зображення проводився за допомогою аналізатора.

Експериментально показано, що однозначно відтворюються поляризації за умов, коли відхилення азимуту поляризації об'єктного поля було в межах азимуту поляризації опорних хвиль. Оцінка роздільної здатності показала, що розділяються поляризаційні хвилі, різниця азимутів поляризацій яких більше .

У випадку, коли площини поляризації інтерферуючих променів збігаються, а кут їх накладання близький , результуюче поле стає поляризаційно модульованим, хоча розподіл інтенсивності буде однорідним.

Період модуляції d стану оптичної поляризації (СОП) визначався залежністю

де: - кут накладання плоских хвиль.

Внаслідок СОП який залежить від різниці фаз, буде змінюватись від лінійно поляризованого через еліптично та циркулярно поляризованого до лінійно, але ортогонально початковому поляризаційному стану. Після накладання плоскої лінійно-поляризованої опорної хвилі (ОХ), результуюче поле стає модульованим по інтенсивності з періодом: , приблизно вдвічі більшим за період поляризаційної модуляції поля без опорної хвилі.

Мета експерименту полягала у тому, щоб перевірити поляризаційну модуляцію у площині реєстрації і таким чином отримати прямий доказ наявності поперечної та повздовжньої складових поля.

Уявлення про структуру інтерференційного розподілу та контраст можуть бути отримані з рис.9, де представлена залежність нормалізованої інтенсивності відновленого сигналу від кута між електричними векторами опорної та об'єктної хвиль, ( отримується коли = ).

Точки на вказаній залежності відповідають експериментальним даним; суцільна лінія є теоретична крива.

Відновлення сигналу із максимальною інтенсивністю відповідало випадку, коли електричний вектор опорної хвилі був орієнтований під кутом до площини формування СОП та мінімальною інтенсивністю, коли електричний вектор опорної хвилі був ортогональний до площини формування СОП. Якщо електричний вектор опорної хвилі ортогональний площині формування СОП - інтерференційна картина не спостерігалася.

Та ж сама експериментальна установка використовувалась для дослідження біжучих хвиль СОП. Дзеркало М1 було встановлено на п'єзоелектричну кераміку. Різниця частот взаємодіючих променів керувалась пилкоподібною напругою, прикладеною до п'єзоелектричної кераміки. У детектуючому пристрої, блок голографічної реєстрації було замінено блоком фотоелектричного детектування, на вході якого була розміщена діафрагма, розмір якої вибирався меншим за просторовий період інтерферуючих структур, у межах 0,3 мкм. Сигнал фотоелектричного помножувача підсилювався осцилографом.

Сигнал, зареєстрований на екрані осцилографа, має часовий період, який відповідає періоду модуляції сигналу. Це доводить те, що біжучі інтерференційні структури, які присутні в площині реєстрації, відображають біжучі хвилі СОП.

У четвертому розділі досліджено покращення відновлення макроформи розсіювальних об'єктів в умовах обробки зображень, що сформовані обмеженою кількістю спеклів. Ця ситуація характерна при локації віддалених об'єктів, і при її вирішуванні доводиться аналізувати окремо взяті спекли. Обробка та аналіз спеклограм з метою покращання точності визначення макроформи об'єкта проводилася двома запропонованими методами:

ізофот інтенсивності - отриманням із спеклограм ізофот (три способи) та подальшим аналізом спектру відтвореного автокореляційного відгуку фрагменту структури спекл-поля [8*,12*];

автокореляційний із порушеною центральною симетрією - формуванням умов дії створеної опорної хвилі, шляхом накладання на спеклограму шаблона амплітудної решітки та введенням фазового зсуву [9*,11*]. Експериментальні дослідження проводилися на амплітудно детермінованих об`єктах, контури яких задавалися точковими когерентними джерелами.

Так, трикутний об'єкт задавався трьома отворами діаметром 0,1мм. розташованими по кутах рівностороннього трикутника із відстанню між центрами 0,25мм. На етапі запису спеклограми кутові розміри об'єкта вибирались на межі роздільної здатності телескопічних систем і складали, відповідно: 0,002 ч 0,001 рад.

На шляху проходження лазерного променя створювались некеровані конвекційні теплові потоки, які моделювали фазові спотворення. Оптичне зображення об'єкта було складно розпізнати.

Аналіз розташування центрально-симетричних вищих порядків інтенсивності у вигляді шестигранника та формування в кожному порядку характерного для трикутного об'єкту відгуку, покращує розпізнавання.

Перерозподіл інтенсивності у вищі порядки збільшує співвідношення сигнал/шум. Було розроблено метод амплітудної модуляції із фазовим зсувом. Дія когерентної опорної хвилі, накладеної на спеклограму під невеликим кутом в площині реєстрації, створювалась шляхом обробки спеклограм. Метод полягав у накладанні амплітудної гратки на спеклограму; зміні у спеклах через пів-періода світлого проміжку на темний та реєстрації обробленої голограми. З спеклограми, промодульованої лише за амплітудним пропусканням, у ±1 порядку дифракції спостерігаються традиційні автокореляційні відгуки. Зміна чергування максимуму і мінімуму веде до перерозподілу інтенсивності у автокореляційних відгуках з адекватним відтворенням зображення досліджуваного об'єкта. Наведені експериментальні дослідження показали, що амплітудно-фазовою обробкою спеклограм можна в автокореляційних відгуках відновити зображення об'єкта.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У результаті фізичного та комп'ютерного моделювання з використанням кореляційно-оптичних методів показано важливу роль опорних хвиль у задачах діагностики сильнорозсіюючих об'єктів. Запропоновані нові методи відновлення макроформи, поляризаційного розподілу, отримано зображення об'єкту в умовах, коли традиційні методи малоефективні.

Встановлено, що співвісно накладена на об'єктне поле плоска опорна хвиля зумовлює неоднорідний по полю просторово-частотний розподіл інтенсивності. Внаслідок інтерференційного складання різних просторових частот розсіяного поля з опорною хвилею, період модуляції в області геометричної тіні об'єкта вдвічі більший за період на краях й відновлюється оконтурена більш дрібними спеклами макроформа досліджуваного об'єкта. Об'єкт розпізнається до кутового розміру ~0,05рад.

Досліджено вплив рівня інтенсивності співвісно накладеної опорної хвилі на ширину спектра просторових частот відновленого поля. Показано, що уширення спектру просторових частот відбувається за рахунок подвоєння частоти модуляції амплітудного пропускання голограми при її запису без опорної хвилі. Керування інтенсивністю опорного поля дозволяє обмежити нелінійні спотворення при голографічному записі інформації і при відновленні зображення сильнорозсіюючих об'єктів отримати практично неспотворене зображення при співвідношенні Iоп/Iоб5:1 за рахунок переходу у лінійну область.

Запропоновано метод відновлення зображення розсіюючого об'єкта з поляризаційно-неоднорідним пропусканням за участю двох опорних хвиль із ортогональними азимутами лінійної поляризації та кутом збігу . Проведений аналіз показав однозначність у відтворенні поляризації за умов, коли відхилення азимуту поляризації об'єктного поля не перевищує азимуту поляризації опорних хвиль. Оцінка роздільної здатності методу показала, що розділяються хвилі, різниця азимутів поляризацій яких більше .

Зареєстровано хвилі поляризаційної модуляції поля у випадку, коли площини поляризації інтерферуючих променів співпадають, а кут збігу близький . Отримана поляризаційна модуляція проявляє себе як просторова модуляція інтенсивності після накладання опорної плоскої лінійно-поляризованої хвилі, електричний вектор якої змінюється відносно площини формування станів оптичної поляризації в межах . Встановлено, що ці хвилі є хвилями інтенсивності, що розповсюджуються в поперечному напрямку.

Розроблено метод визначення макроформи віддаленого розсіюючого модельного об'єкту шляхом представлення спеклограм ізофотами інтенсивності. Перерозподіл спектру інформативних складових відновленого оптичного поля з нульового порядку у перший порядок дифракції, внаслідок зменшення періоду просторової модуляції, дозволив збільшити співвідношення сигнал/шум та покращити розпізнавання за рахунок дифракції.

Показано, що регулярна амплітудна модуляція спеклів із фазовим зсувом на для сусідніх спеклів є фізичним аналогом опорної хвилі. Експериментально відтворено зображення тест-об'єкту в першому порядку дифракції.

Перелік цитованих джерел

Gabor D. - Light and information, Progress in Optics, Ed. E. Wolf, 1, 1961, P. 109-153.

Goldfischer L.I. Autocorrelation function and power spectral density of laser produced speckle patterns // JOSA. - 1965. - V.55. - N3. - P.247-253.

Goodman J.W. Statistical properties of laser speckle patterns. / In: Laser Speckle and Related Phenomena. / Ed. J.C.Dainty. - Berlin: Springer-Verlag, 1975, - P.9-75.

Dainty J.C. The statistics of speckle patterns. Progress in Optics. - 1976. - V.14. P.1-48.

Франсон М. Оптика спеклов. М., 1980. С. 171.

Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. Пер. с англ. Под ред. Ю.И. Островского, М.: Мир, 1973, 279 с.

Бакут П.А., Мандросов В.И., Матвеев И.Н., Устинов Н.Д. Теория когерентных изображений. -М.: Радио и связь. 1987.- 264 с.

Обратные задачи в оптике / Под ред. Болтса Г.П. Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1984. - 199 с.

Keller J.B. IRE Trans. Ap. 1959, pp.146-149.

Lewis R.M. IEEE Trans. AP-17, 1969, pp. 308-314.

Prosser R.T. J. Math. Phys. 10, 1969, pp. 1819-1822.

Список опублікованих праць по темі дисертаційної роботи

1. Стринадко М.Т., Тимочко Б.М., Домініков М.М. О преобразовании структуры спекл поля при наложении опорной волны // Оптика и спектроскопия.- 1991.- Т. 70, № 2.- С.416-420.

2*. Ангельский О.В., Стринадко М.Т., Тимочко Б.М., Домиников Н.Н. Голографическая регистрация удаленных объектов // Оптика и спектроскопия.- 1993.- Т.74, №5.- С.995-1001.

3*. Angelsky O.V., Strinadko M.T., Timochko B.M., Dominikov N.N., Laboratory experiment concerning holographic recording of distant objects // Pure Appl.Opt. - 1995.-V.4. P.55-60.

4*. Angelsky O.V., Dominikov N.N., Maksimyak P.P. The role of the reference wave in forming an image reconstructed from a hologram without reference beam // Journal of Modern Optics. - 1991. - V.38, № 1. P.5- 9.

5*. Angelsky O.V., Dominikov N.N., Maksimyak P.P., Tudor T. On experimental revealing of polarization waves // Applied Optics. - 1999. - V.38, №5. P.3112-3117.

6*. Angelsky O.V., Dominikov N.N., Maksimyak P.P. The role of the reference wave in forming an image reconstructed from a hologram without reference beam. Ernst Abbe conference Jena, 1989, P.59.

7*. Angelsky O., Dominikov N., Maksimyak P., Tudor T. On experimental revealing of polarization waves, Proc. SPIE. - 1998. - V.3573, P.339-342.

8*. Dominikov M.M., Strinadko M.T., Timochko B.M. Formation of autocorrelation recall of small-sized objects. // Proc. SPIE. - 2001. V.4607, P. 217-219.

9*. Dominikov M.M. Amplitude Object Reconstruction From Correlation Function With Violated Central Symmetry. // Proc. SPIE. - 2003. V.5477, P. 102-104.

10*. Домініков М.М., Стринадко М.Т., Тимочко Б.М. Запис і відновлення поляризаційної структури об'єктного поля голографічним методом. Науковий вісник ЧНУ. Вип.86: Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2000. - C.35-36.

11*. Домініков М.М., Стринадко М.Т., Тимочко Б.М. Відновлення зображення амплітудного об'єкта з допомогою автокореляційної функції з порушеною центральною симетрією. //Науковий вісник ЧНУ. Вип.151: Фізика. Електроніка. - Чернівці: ЧНУ, 2002. - С.33-34.

12*. Стринадко М.Т., Домініков М.М., Роман Н.С. Діагностика неперіодичного сигналу на фоні шуму за допомогою автокореляції / Чернівецький держуніверситет.- Чернівці, 1991. -5с.- Деп. в Укр.НДІНТІ 31.01.91, № 182- Ук 91.

13*. Ангельський О.В., Домініков М.М., Тарновецький В.В. О возможных путях решения фазовой задачи // Тез. докл. Респ. Конф. ”Голографический анализ объектов и сред”, жовтень. 1988.-Чернівці, 1988.- C. 1.

14*. Домініков М.М., Стринадко М.Т. Корреляционный метод диагностики отклонения формы шероховатой поверхности / / Тез. докл. Международной конференции “LAMILADIS' 91”, квітень. 1991.-Чернівці, 1991.- C. 14.

АНОТАЦІЇ

Домініков М.М. Відновлення макропараметрів сильнорозсіюючих об'єктів за спекл-полем із використанням опорної хвилі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2005 р.

Дисертація присвячена розв'язку проблеми відновлення макропараметрів сильнорозсіюючих об'єктів (СРО) за спекл-полем. Обґрунтовано і реалізовано ряд методів із застосуванням опорної хвилі, що покращують співвідношення сигнал/шум при відновленні макроформи та поляризаційного розподілу поля СРО. Досліджено вплив рівня інтенсивності співвісно накладеної опорної хвилі на ширину спектра просторових частот відновленого зображення СРО. Розроблені оптичні схеми пристроїв, які дозволяють відновити зображення поляризаційно-неоднорідних СРО. Відтворено макроформу віддаленого об'єкту, шляхом амплітудної модуляції спеклів із фазовим зсувом на .

Ключові слова: голографія, спекл-поле, макроформа, опорна хвиля, гетеродинування, поляризація, ізофоти.

Домиников Н.Н. Восстановление макропараметров сильнорассеивающих объектов по спекл-полю с использованием опорной волны. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2005 г.

Результаты, представленные в диссертационной работе, направлены на решение проблемы восстановления макропараметров сильнорассеивающих объектов (СРО) по спекл-полю. Исследован механизм воздействия плоской опорной волны на пространственно-частотное распределение объектного поля в плоскости регистрации. Установлено, что соосно наложенная на объектное поле плоская опорная волна обуславливает неоднородное по полю пространственно-частотное распределение интенсивности. Следствием интерференционного сложения разных пространственных частот рассеянного поля с опорной волной (пространственного гетеродинирования) и установлением периода модуляции в области геометрической тени объекта вдвое большим за период на краях, является формирование в центральной части зарегистрированной спеклограмы макроформы исследуемого рассеивающего объекта, который визуально распознается до угловых размеров ~0,05рад. Исследовано влияние уровня интенсивности соосно наложенной опорной волны на ширину спектра пространственных частот восстановленного поля. Показано, что расширение спектра пространственных частот происходит за счет удвоения частоты модуляции амплитудного пропускания голограммы при ее записи без опорной волны. Информативность спеклограмы СРО, зарегистрированной с соосно наложенной опорной волной, показала, что качество восстановленного изображения исследуемого объекта, в нулевом порядке, возрастает с увеличением отношения интенсивностей опорной и объектной волн и становится оптимальным при отношении большем 5:1. Управление интенсивностью опорного поля позволило ограничить влияние нелинейных искажений при голографической записи информации и получить при восстановлении практически неискаженное изображения СРО. Компьютерное моделирование и анализ с использованием вейвлет преобразования подтвердили полученные экспериментальные результаты. Показана возможность восстановления тонкой голограммой изображения поляризационно-неоднородного СРО при использовании двух ортогонально поляризованных опорных волн, которые сходятся в плоскости регистрации под углом . Проведенный анализ показал однозначность восстановления поляризации при условии отклонения азимута поляризации объектного поля в пределах азимута поляризации опорных волн. Оценка разрешающей способности метода показала, что разделяются волны, разница азимутов поляризаций которых больше . Показана возможность регистрации продольной составляющей электрического вектора поля в предложенных оптических схемах. Экспериментально исследованы критические условия получения изображений удаленных объектов в условиях фазовых искажений на пути распространения лазерного сигнала. Показано, что улучшить отношение сигнал/шум при восстановлении информативной части спектра возможно посредством представления зарегистрированного спекл-поля изофотами. Перераспределение спектра информативных составляющих восстановленного оптического поля из нулевого в 1-й порядок дифракции, вследствие уменьшения периода пространственной модуляции, позволило увеличить отношение сигнал/шум и улучшить распознавание. Получить изображение объекта в 1-м порядке дифракции возможно после дополнительной обработки спеклограмы. Амплитудная модуляция спеклов решеткой с фазовым сдвигом на , позволила при считывании спеклограмы восстановить в ±1-м порядке дифракции изображение объекта. Моделирование процесса на ЭВМ подтвердило аналогию предложенного метода с методом, где роль модулятора выполняет опорная волна.

Ключевые слова: голография, спекл-поле, макроформа, опорная волна, гетеродинирование, поляризация, изофоты.

Dominikov M.M. Reconstruction of macroparameters of strongly diffusing objects on a speckle-field using a reference wave. - Manuscript.

Thesis for the degree of PhD (Candidate of Mathematics and Physics). Specialization 01.04.05 - Optics, Laser Physics. - National Yurii Fed'kovich's Chernivtsy University, Chernivtsy.

The dissertation is devoted to solving the problem of reconstruction of macroparameters of strongly diffusing objects (SDО) on a speckle-field. It is grounded and implemented the set of the advanced techniques with using a reference wave, which improved the signal-to-noise ratio at reconstruction of the macroform and polarizing distribution of SDО field. There has been investigated the influence of intensity of coaxially imposed reference wave on the width of a spectrum of spatial frequencies of SDO reconstructed image. There have been developed optical arrangements of devices which allow reconstruction the image polarization-anisotropic SDО. The macroform of the removed object is reproduced by amplitude modulation of speckles with a phase shift.

Keywords: holography, speckle-field, macroform, reference wave, heterodyning, polarization, isophots.

Размещено на Allbest.ur


Подобные документы

  • Поширення коливань в однорідному пружному середовищі. Рівняння плоскої гармонійної хвилі. Енергія хвилі. Вектор Умова. Інтерференція хвиль. Стоячі хвилі. Хвилі поздовжні і поперечні. Форма фронта хвилі. Процес поширення хвилі в якому-небудь напрямі.

    лекция [256,9 K], добавлен 21.09.2008

  • История и основное энергетическое понятие фотометрии; визуальные и физические методы. Разработка оптико-механической схемы лазерного измерителя скорости на основе спекл-полей; расчет оптических параметров, чувствительности; описание установки в динамике.

    курсовая работа [123,9 K], добавлен 19.05.2013

  • Поняття хвильових процесів, їх сутність і особливості, сфера дії та основні властивості. Різновиди хвиль, їх характеристика та відмінні риси. Методика складання та розв’язання рівняння біжучої хвилі. Сутність і умови виникнення фазової швидкості.

    реферат [269,7 K], добавлен 06.04.2009

  • Природа світла і закони його розповсюдження. Напрямок коливань векторів Е і Н у вільній електромагнітній хвилі. Світлові хвилі, поляризація світла. Поширення світла в ізотропному середовищі. Особливості відображення і заломлення на межі двох середовищ.

    реферат [263,9 K], добавлен 04.12.2010

  • Первинні і вторинні параметри лінії, фазова швидкість і довжина хвилі. Найбільша довжина при допустимому затуханні. Коефіцієнт відбиття від кінця лінії. Коефіцієнт бігучої хвилі. Розподілення напруги і струму вздовж лінії. Значення хвильового опору.

    контрольная работа [213,9 K], добавлен 27.03.2012

  • Основні параметри сонячних перетворювачів. Сучасний стан нормативного забезпечення випробувань сонячних елементів та колекторів. Комбіновані теплофотоелектричні модулі, відображення сигналу на екрані осцилографа. Відображення форм хвилі постійного струму.

    курсовая работа [11,0 M], добавлен 26.06.2019

  • Метод математичного моделювання фізичних властивостей діелектричних періодичних структур та їх електродинамічні характеристики за наявності електромагнітної хвилі великої амплітуди. Фізичні обмеження на управління електромагнітним випромінюванням.

    автореферат [797,6 K], добавлен 11.04.2009

  • Характеристика основних понять з області квантової, ядерної та атомної фізики. Відкриття атомного ядра та перша атомна реакція. Особливості будови ядра, його поділ. Електромагнітні та механічні коливання та хвилі. Геометрична та хвильова оптика.

    презентация [530,6 K], добавлен 07.04.2011

  • Етапи дослідження радіоактивних явищ. Електромагнітне випромінювання та довжина хвилі. Закон збереження спіну. Перехід із збудженого стану ядра в основний. Визначення енергії гамма-квантів. Порівняння енергії електронів з енергією гамма-променів.

    доклад [203,8 K], добавлен 21.04.2011

  • Теоретичний аналіз стійкості системи "полум'я та розряд" стосовно малих збурювань, ефективність електричного посилення, плоскі хвилі збурювання. Вивчення впливу електричного розряду на зону горіння вуглеводних палив, розрахунок показника переломлення.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 21.11.2010

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.