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

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