Geekly articles weekly

مرفق بصري - محول التقريب 4x

المقدمة


لأسباب التطور السريع لكل من الوسائل التقنية والأساليب الرياضية والخوارزميات لمعالجة الصور الرقمية ، يتزايد الاهتمام المستمر بقضايا الرؤية من خلال جو مضطرب. من أجل تحسين صورة كائن ، هناك طرق عديدة. بناءً على الدراسات النظرية ، تم تطوير وتنفيذ كل من الأجهزة المتخصصة والبرامج ذات الصلة.

في السنوات العشر الماضية ، سواء في روسيا أو في الخارج ، تم تطوير المزيد والمزيد من الطرق لتحسين رؤية الأشياء البعيدة. كقاعدة ، فإن استخدام البصريات بفتحة أكثر من 100 مم لا يعطي أي مزايا في الغلاف الجوي السطحي فيما يتعلق بالدقة ، لأن نصف القطر المقلي، الذي يحدد الدقة في الغلاف الجوي ، عادة ما يكون له قيمة أقل بكثير.

من ناحية أخرى ، بحيث يمكن فحص التشوهات التي أدخلها الغلاف الجوي في صورة مصدر نقطي بالتفصيل على مصفوفة نموذجية بحجم بكسل من 5 إلى 10 ميكرون ، مطلوب طول بؤري كبير للنظام. لمثل هذه الملاحظات ، يجب أن تحتوي العدسة على فتحة نسبية من 1:40 - 1:60 عند فتحة 100 مم. لتنفيذ مثل هذه الفتحات النسبية ، من الضروري استخدام الفوهات الضوئية مع العدسات المقربة ، والتي تزيد من الطول البؤري عدة مرات (المحولات عن بعد).

كانت مهمتنا هي حساب التصميم البصري وتصميم المحول 4x. تم اختيار MTO 1000A (العدسة المقربة هلالة مينسوتوف) كعدسة تجريبية. تُستخدم هذه العدسة المقربة كجزء من نظام الفيديو لمراقبة الأجسام الصغيرة البعيدة من خلال وسيط مضطرب على مسافات تصل إلى 4 كم. أدناه في الشكل. يظهر 1 منظرًا للعدسة المقربة MTO 1000A.



تدمير المعلومات تحت تأثير تشويه المرحلة



من أجل فهم كيفية حل المشكلة ، تحتاج أولاً إلى الرجوع إلى الأدبيات وفهم آلية تدمير المعلومات في الصور.

لذلك ، عندما يفحصون جسمًا بعيدًا باستخدام أداة ذات دقة زاوية عالية ، يميلون عادةً إلى الحصول على صورتها ، أي السطوع كدالة للإحداثيات. دقة قياس السطوع في هذه الحالة محدودة بعوامل عشوائية مختلفة ، والتي يتم دمجها مع مفهوم الضوضاء. يقلل هذا الضجيج محتوى المعلومات في الصورة. ويشار إلى ذلك بتدمير المعلومات عن طريق الضوضاء. الأنواع المعتادة للضوضاء التي تتداخل مع مراقبة الأجسام الجوية هي ضجيج التسجيل وضجيج الغلاف الجوي. تقوم بإدخال تشوهات عشوائية غير معروفة للمراقب في قيم الكميات التي تميز صورة الكائن ، وبالتالي تقلل من دقة قياسها ، أي تدمر المعلومات حول هذه القيم.

إذا

كتبنا العلاقة (3) في تمثيل الإحداثيات ، فعندئذٍ: J (x، y) = ∫G (x'-x، y'-y) J (x '، y') dx 'دى ، (3)

حيث G (x'-x، y'-y) هو الغلاف الجوي - قلب الفتحة (وظيفة الأجهزة ، وظيفة التشتت النقطي) ، فورييه - التي يتم تضمين صورتها في (3) استجابة التردد لنظام العدسة المتوسطة.
وبالتالي ، فإن الصورة المسجلة عند ملاحظة شيء ما من خلال وسيط به مخالفات عشوائية ، عبارة عن تلاقي صورة حقيقية للجسم مع الغلاف الجوي العشوائي - فتحة العدسة نواة G.

في الشكل. يوضح الشكل 2 أمثلة على تحقيق مثل هذه النوى في الحالة النموذجية عندما يكون مجال تشويه الطور δ (ξ ، η) عبارة عن تنفيذ لعملية غوسية ثابتة مع وظيفة ارتباط غوسية وقيم مختلفة من تشويه متوسط ​​مربع q (تم الحصول على النتائج باستخدام المحاكاة العددية).


رسم بياني 1. أمثلة على صور نجم غير قابل للذوبان في الحالة عندما يكون حجم عدم التجانس أصغر بكثير من حجم الفتحة ، أ) q = 1 ، ب) q = π ، ج) q = 2π يؤدي

تشويه صورة الكائن الموصوف بواسطة الصيغة (3) إلى فقدان كبير للمعلومات عن الكائن المرصود . يتم التعبير عن ذلك في زيادة في الأخطاء التي يمكن من خلالها قياس مراحل مكون فوريير للصورة ، والانخفاض المقابل في عناصر مصفوفة فيشر ، وبالتالي ، محتوى المعلومات العددية للصورة. كما هو الحال في حالة الضوضاء من أي طبيعة أخرى ، يمكن أن يأتي تراكم الإشارة إلى الإنقاذ ، أي تقدير للصورة الحقيقية من إجمالي الصور التي تم الحصول عليها أثناء المراقبة.

عادة ، يعتمد حقل تشويه الطور δ (ξ ، η) أيضًا على الوقت. بتكرار تسجيل الصورة في نقاط زمنية مختلفة ، يمكنك تجميع المزيد من المعلومات حول الكائن والحصول على صورة ذات جودة أفضل. هذا هو معروف في تراكم إشارة الهندسة اللاسلكية المؤقتة. عند العمل مع الصور ، من الممكن أيضًا تراكم الإشارة المكانية. إنه يقوم على حقيقة أنه عند ملاحظته من نقاط مختلفة في الفضاء ، ستكون تشوهات الطور مختلفة. لا تزال نظرية تراكم الإشارة عند العمل مع الصور ضعيفة.

أبسط نوع من التراكم المؤقت هو طريقة جمع الصور ، ربما مع اختيار أفضلها. يقلل هذا التراكم الضوضاء المكانية ، ولكنه يقمع الترددات المكانية العالية ، مما يؤدي إلى فقدان الاستبانة الزاوية. توجد طرق تراكم أكثر تعقيدًا ، ولكن معظمها معقد تقنيًا ويتطلب دراسات نظرية وتجريبية إضافية.

نتائج التصميم


في الواقع ، تم تعيين المهمة على تطوير محول 4 أضعاف لوني في النطاق المرئي من 0.38 ميكرون إلى 0.7 ميكرون. كان أحد أهم المتطلبات هو تقليل الانحرافات الكروية ، واللون الموضعي ، والغيبوبة. كبيئة برمجية لتصميم المحولات ، تم اختيار الحزمة الأجنبية لبرنامج تطبيق ZEMAX من إصدار "يونيو 2009".

كانت مرحلة التصميم المهمة هي تحديد معلمات التصميم للمحولات واختيار درجات الزجاج للمكونات البصرية للنظام. من أجل القضاء على الانحراف اللوني للموضع والطيف الثانوي ، تم اختيار أزواج من النظارات ذات تشتت نسبي للتردد النسبي في القيمة. للعثور على الحل الأمثل ، من وجهة نظر اللونية ، تم اختيار النظارات من الكتالوج المحلي LZOS (مصنع الزجاج البصري Lytkarinsky).

خلال عملية التصميم ، تم الحصول على المعلمات البصرية لكلا النظامين مع انحراف طفيف عن الأولي. هذا يرجع إلى حقيقة أن المهمة الرئيسية في إنشاء هذا النوع من المحولات كانت لتقليل انحرافات النظام الموجودة. وبالتالي ، وصل البُعد البؤري لمحول 4x إلى 4025.7 ملم ، بينما ينخفض ​​المجال الزاوي من 2.5 إلى 0.625 درجة. تجدر الإشارة إلى أن الطول البؤري الناتج لمحول 4x يختلف قليلاً عن القيم المحسوبة أصلاً بنسبة 3.69٪ أقل ، ولكن هذا الانحراف عن المعلمات المعينة لا يؤثر بشكل كبير على النظام.

تم تقدير جودة الصورة التي تم الحصول عليها باستخدام الدائرة الضوئية للمحولات باستخدام معايير مثل نصف قطر جذر متوسط ​​التربيع (RMS Radius) وقيمة وظيفة تعديل التشكيل متعدد الألوان (MPF) للتوجيه الزجري والسهمي للخطوط عند الترددات المكانية. كترددات ، تم اختيار القيم المقابلة لترددات دقة كاميرا الفيديو RT-1000 بأبعاد خلية حساسة للضوء (بكسل) 12.8 × 12.8 ميكرومتر.

تقتصر جودة الصورة التي يتم الحصول عليها بواسطة المخطط البصري بشكل أساسي على الانعراج: يبلغ نصف قطر الجذر التربيعي لمنتشر البقعة 1.4 ميكرومتر ، وهو أصغر بكثير من حجم البكسل لمصفوفة كاميرا الفيديو والدائرة الهوائية (انظر الشكل 3). تظهر الوظيفة المقدرة للانحرافات الموجية للنظام (OPD) في الشكل. 4. يظهر الرسم البياني الأيسر لنقطة على المحور ، الرسم البياني الأيمن خارج المحور.

تين. 3. رسم تخطيطي لنقطة التشتت في محول التقريب 4x (RMS Radius - يعني نصف القطر المربع لنقطة التشتت ، ميكرون).


تين. 4. إلغاء التركيز والزيغ الكروي للمحول 4x.


يمكن الحصول على صورة كاملة لتصحيح الانحراف من خلال النظر إلى الرسوم البيانية للانحراف للمحول المصمم الذي تم إنشاؤه في برنامج Zemax والمقدمة في الأشكال التالية:

الشكل. 5. انحناء المجال والتشويه.


تين. 6. دالة حيود متعددة الألوان لتركيز الطاقة في بقعة الانتثار.


تين. 7. محول MPF 4x لنطاق الطول الموجي من 0.4 إلى 0.7 ميكرون.


استنتاج


ونتيجة لذلك ، وفقًا لنتائج التصميم ، تم حل مشكلة الاختيار الأمثل للنظارات مع أفضل نسبة للتشتت الجزئي النسبي في النطاق المرئي. هذا جعل من الممكن الحصول على حجم بقعة SLE للنقاط على المحور وحافة المجال في النطاق من 1.3 إلى 16.9 ، وهو ما يتوافق مع حجم البكسل لكاميرا الفيديو المستقبلة.

مقارنة بالإصدارات التي تم إصدارها بالفعل من المحولات ، تحتوي المحولات الناتجة على ثلاثة مكونات أقل بجودة صورة قابلة للمقارنة.

هذا الإنجاز يجعل من الممكن إنشاء محول 4x ، والذي ربما لم يلق اهتمامًا سابقًا أكثر مما يستحق ، لأسباب غير مرضية النتائج.
في الوقت الحالي ، توجد الآن شركة لجمع التبرعاتلتصنيع عدة نسخ. ربما في المستقبل سنرى محولات ذات تعدد أكبر ، في حين أنها لن تضر بجودة الصورة بشكل كبير.

المؤلفات

1. Zuev V.E. نقل الإشارات الضوئية في الغلاف الجوي للأرض تحت التداخل - M: الراديو السوفيتي ، 1977.
2. Tatarsky V. I. انتشار الموجة في جو مضطرب. - م: ناوكا ، 1967 - 548 ص.
3. Tatarsky V. I. نظرية ظواهر التذبذب في انتشار الموجات في جو مضطرب. - م:
النشر. أكاديمية العلوم السوفياتية ، 1959. - 230 ص.
4 - شوريلوفسكي ، في. نظرية اللوني والانحرافات من الدرجة الثالثة / V.N. تشوريلوفسكي. - إل: هندسة ،
1968. 312 ص.
5. LS Rothman، IE Gordon، A. Barbe، D. Chris Benner، PF Bernath، M. Birk، V. Boudon، LR Brown، A. Campargue،
J.P. Champion، K. Chance، LH Coudert، V. دانا ، VM Devi ، S. Fally ، J.-M. Flaud ، RR Gamache ، A. Goldman ، D.
Jacquemart ، I. Kleiner ، N. Lacome ، WJ Lafferty ، J.-Y. Mandin، ST Massie، S. Mikhailenko، N. Moazzen-Ahmad، OV
Naumenko، A. Nikitin، J. Orphal، A. Predoi-Cross، V. Perevalov، A. Perrin، CP Rinsland، M. Rotger، M. Simeckova ،
MAH Smith، K. Sung، S. Tashkun، J. Tennyson، RA Toth، AC Vandaele، J. Vander Auwera // The HITRAN 2008
spectroscopic الجزيئية قاعدة بيانات // J.Quant. مطيافية. راديات. نقل - 2009. - ص 533-572.

Source: https://habr.com/ru/post/ar383449/

More articles:


All Articles