موقع الليزر ، تصوير دوبلر ، تركيب الفتحة

الدقة الزاوية هي أهم خاصية في أي نظام تلسكوبي. تدعي البصريات أن هذا القرار يرتبط بشكل لا لبس فيه بطول الموجة التي تتم فيها المراقبة وقطر فتحة إدخال التلسكوب. بأقطار كبيرة ، كما تعلمون ، مشكلة كبيرة. من غير المحتمل أن يتم بناء التلسكوب أكثر من هذا .
إحدى الطرق لزيادة الدقة بشكل كبير هي الطريقة المستخدمة في علم الفلك الراديوي والرادار لتجميع الفتحات الكبيرة والكبيرة جدًا. في نطاق المليمتر ، تعد أكبر فتحة - 14 كم - بتشكيلها بواسطة الهوائيات رقم 66 من مشروع ALMA في تشيلي.

يرتبط نقل طرق تركيب الفتحة إلى المنطقة البصرية ، حيث تكون الأطوال الموجية عدة مرات أقصر من حجم الرادارات ، بتطوير تقنيات التباين بالليزر .

1. الأساسيات الفيزيائية لتكوين الصورة.

لن يكون من الخطأ أن نقول أن الصورة في أي جهاز بصري تتكون من حيود الضوء عند فتحة الإدخال ، وليس أكثر. دعونا نلقي نظرة على صورة الكائن من مركز الفتحة. سيكون التوزيع الزاوي لسطوع الصورة لمصدر ضوء نقطة بعيدة للغاية (كما هو الحال في أي مصدر آخر) هو نفسه بالنسبة للعدسة وكاميرا ذات ثقب ذات قطر متساوي. الفرق بين العدسة والثقب هو أن العدسة تنقل الصورة التي تتكون من فتحة العدسة من اللانهاية إلى المستوى البؤري. أو ، بعبارة أخرى ، ينتج تحويل طوري لموجة موجة الإدخال إلى موجة متقاربة كرويًا. بالنسبة لمصدر نقطة بعيدة وفتحة دائرية ، الصورة هي صورة جيدة التهوية معروفة مع حلقات .

يمكن تقليل الحجم الزاوي للقرص Airy من حيث المبدأ ، وكما هو الحال ، زيادة الدقة ( وفقًا لمعيار Rayleigh ) إذا تم إصلاح الفتحة بطريقة خاصة. هناك مثل هذا التوزيع للإرسال عبر نصف القطر حيث يمكن أن يكون القرص المركزي نظريًا صغيرًا بشكل تعسفي. ومع ذلك ، في هذه الحالة ، يتم إعادة توزيع طاقة الضوء على طول الحلقات وينخفض ​​تباين الصورة المعقدة إلى الصفر.

من وجهة نظر رياضية ، يقلل إجراء توليد صورة حيود إلى تحويل فورييه ثنائي الأبعاد من مجال ضوء الإدخال (في تقريب العددية ، يتم وصف الحقل بواسطة وظيفة معقدة من الإحداثيات والوقت). أي صورة مسجلة بالعين أو الشاشة أو المصفوفة أو أي جهاز استقبال تربيعي بكثافة ليس أكثر من طيف اتساع ثنائي الأبعاد للمجال المحدد بفتحة ضوء المنبعثة من الجسم. من السهل الحصول على نفس صورة Airy إذا كنت تأخذ مصفوفة مربعة من نفس الأرقام المعقدة (محاكاة واجهة موجة مستوية من نقطة بعيدة) ، "قطع" فتحة "مستديرة" منها ، وإبعاد الحواف ، وإجراء تحويل فورييه للمصفوفة بأكملها.

باختصار ، إذا قمت بطريقة ما بتسجيل الحقل (توليف الفتحة) على مساحة كبيرة بما فيه الكفاية دون فقدان السعة ومعلومات المرحلة ، فعندئذٍ للحصول على صورة يمكنك القيام بها بدون مرايا عملاقة للتلسكوبات الحديثة ومصفوفات ميجابيكسل ، ببساطة حساب تحويل فورييه لمجموعة البيانات الناتجة.

2. موقع القمر الصناعي ودقة فائقة.

سنلاحظ وجود جسم مستقر يتحرك عبر خط الرؤية مضاء بمصدر ليزر متماسك مستمر. يتم تسجيل الإشعاع المنعكس من قبل كاشف ضوئي مغاير بفتحة صغيرة. إن تسجيل إشارة مع مرور الوقت t يعادل تحقيق فتحة أحادية البعد من الطول vt ، حيث v هي السرعة العرضية للجسم. من السهل تقييم الدقة المحتملة لمثل هذه الطريقة. دعونا نلقي نظرة على القمر الصناعي القريب من الأرض في استطالة علوية ، يحلق على ارتفاع 500 كيلومتر بسرعة 8 كم / ثانية. في 0.1 ثانية من تسجيل الإشارة ، نحصل على "تلسكوب أحادي البعد" بحجم 800 متر ، قادر نظريًا على الرؤية في أجزاء القمر الصناعي المرئية من جزء مليمتر. ليس سيئا لمثل هذه المسافة.

بالطبع ، تنخفض الإشارة المنعكسة عند هذه المسافات بواسطة العديد من الرتب من حيث الحجم. ومع ذلك ، فإن الاستقبال غير المتجانس (المزج المتماسك مع الإشعاع المرجعي) يعوض إلى حد كبير عن هذا التوهين. في الواقع ، كما تعلم ، فإن التيار الضوئي الناتج للمستقبل في هذه الحالة يتناسب مع ناتج اتساع الإشعاع المرجعي والإشارة الواردة. سنقوم بزيادة نسبة الإشعاع المرجعي وبالتالي تضخيم الإشارة بأكملها.

يمكنك أن تنظر من الجانب الآخر. طيف الإشارة المسجلة من الكاشف الضوئي عبارة عن مجموعة من مكونات دوبلر ، كل منها عبارة عن مجموع المساهمات من جميع نقاط الجسم التي لها نفس السرعة الشعاعية. يحدد التوزيع أحادي البعد لنقاط الانعكاس على كائن التوزيع التكراري للخطوط الطيفية. الطيف الناتج هو في الأساس "صورة" أحادية البعد للكائن على طول إحداثيات "إزاحة دوبلر". نقطتان من القمر الصناعي ، تقع على مسافة 1 مم عن بعضها البعض في مستوى عمودي على خط البصر ، لها فرق سرعة شعاعي من 0.01-0.02 ملم / ثانية. (نسبة هذا الاختلاف إلى سرعة القمر الصناعي تساوي نسبة المسافة بين النقاط إلى المسافة إلى القمر الصناعي). سيكون فرق ترددات دوبلر لهذه النقاط في الطول الموجي المرئي 0.5 ميكرون (f = 2V / λ) بترتيب 100 هرتز.سوف يتناسب الطيف (صورة دوبلر) من الساتل الميكروي بأكمله ، على سبيل المثال ، بحجم 10 سم ، مع نطاق 10 كيلوهرتز. إنها كمية قابلة للقياس.

يمكنك رؤيتها من الجانب الثالث. هذه التكنولوجيا ليست أكثر من سجل الهولوغرام ، أي نمط التداخل الذي يحدث عندما يتم خلط الحقول المرجعية والإشارة. يحتوي على معلومات السعة والطور الكافية لاستعادة الصورة الكاملة للكائن.

وبالتالي ، بإضاءة القمر الصناعي بالليزر ، وتسجيل الإشارة المنعكسة وخلطها مع الشعاع المرجعي من نفس الليزر ، نحصل على تيار ضوئي على الكاشف الضوئي ، والذي يعتمد اعتماده على الوقت على بنية مجال الضوء على طول "الفتحة أحادية البعد" ، والتي يمكن صنع طولها ، كما قيل بالفعل ، كبيرة بما يكفي.

إن الفتحة ثنائية الأبعاد ، بالطبع ، أفضل بكثير وأكثر إفادة. دعونا نرتب بالتساوي العديد من أجهزة الكشف الضوئي عبر حركة القمر الصناعي ، وبالتالي نكتب المجال المنعكس على المنطقة vt * L ، حيث L هي المسافة بين أجهزة الكشف الضوئي المتطرفة ، والتي من حيث المبدأ غير محدودة. على سبيل المثال ، نفس 800 متر. وهكذا ، نقوم بتجميع فتحة "التلسكوب ثنائي الأبعاد" 800 * 800 متر في الحجم. يعتمد القرار على طول الإحداثيات المستعرضة (L) على عدد أجهزة الكشف الضوئي والمسافة بينها ، ومن ناحية أخرى ، إحداثيات "الوقت" (vt) - على عرض النطاق الترددي للانبعاث بالليزر وتردد أخذ العينات للإشارة من الكاشف الضوئي.

لذلك ، لدينا مجال ضوء مسجل على مساحة كبيرة جدًا ويمكننا فعل أي شيء به. على سبيل المثال ، للحصول على صورة ثنائية الأبعاد لأشياء صغيرة جدًا على مسافة كبيرة جدًا بدون أي تلسكوبات. أو يمكنك استعادة البنية ثلاثية الأبعاد لكائن ما من خلال إعادة التركيز رقميًا في النطاق.

بالطبع ، لا يتطابق التكوين الحقيقي ثلاثي الأبعاد لنقاط الانعكاس على الجسم دائمًا مع توزيع "دوبلر" على السرعات الشعاعية. ستكون الصدفة إذا كانت هذه النقاط في نفس المستوى. ولكن في الحالة العامة ، يمكن استخلاص الكثير من المعلومات المفيدة من "صورة دوبلر".

3. ما حدث من قبل.

مولت داربا الأمريكية برنامج SALTI منذ بعض الوقت، وكان جوهرها تنفيذ هذه التكنولوجيا. كان من المفترض تحديد موقع الأشياء على الأرض (الدبابات ، على سبيل المثال) بدقة عالية للغاية من طائرة تحلق ، وتم الحصول على بعض البيانات المشجعة. ومع ذلك ، تم إغلاق هذا البرنامج أو تصنيفه في عام 2007 ومنذ ذلك الحين لم يسمع عنه أي شيء. شيء ما تم القيام به في روسيا أيضًا. هنا من الممكن رؤية الصورة التي تم الحصول عليها بطول موجة 10.6 ميكرون.

4. صعوبات في التنفيذ الفني بطول موجي 1.5 ميكرون.

بعد التفكير الناضج ، قررت ألا أكتب أي شيء هنا. الكثير من المشاكل.

5. بعض النتائج الأولية.

حتى الآن ، كان من الصعب "فحص" تفاصيل مسافة 300 ملم 3 ملم على شكل جسم معدني يعكس بشكل مسطح من مسافة 300 متر. كانت قطعة من بعض لوحات الدوائر المطبوعة ، وهنا هي الصورة:

الجسم يدور حول محور عمودي على خط البصر ، حدث تسجيل الإشارة المنعكسة في لحظة الانعكاس الأقصى (الوهج). يبلغ حجم بقعة الليزر التي تضيء الجسم حوالي 2 سم ، ولم يتم استخدام سوى 4 أجهزة كشف ضوئي متباعدة 0.5 متر عن بعضها البعض. يُقدر حجم الفتحة المركبة بـ 0.5 م لكل 10 م. في
الواقع ، فقط في حالة الإشارات المسجلة نفسها (يسار) وأطيافها (يمين) في الوحدات النسبية:

من الصورة السابقة للكائن ، لم يسلط برنامج فوتوشوب الضوء على المناطق المضيئة والمنعكسة التي تهمنا ، وهي مطلوبة نرى:

الصورة التي أعيد بناؤها بتحويل فورييه ثنائي الأبعاد من 4 إشارات وقياسها للمقارنة:

تتكون هذه الصورة في الواقع من 4 خطوط فقط (وحوالي 300 عمود) ، والدقة الرأسية للصورة ، على التوالي ، حوالي 0.5 ملم ، لكن الزاوية المظلمة وكلاهما مستديرة يبدو أن الثقوب مرئية. الدقة الأفقية هي 0.2 مم ، مثل عرض المسارات الموصلة على اللوحة ، جميع القطع الخمس مرئية. (يجب أن يبلغ قطر المنظار العادي مترين لرؤيته في الأشعة تحت الحمراء القريبة).

في الحقيقة ، لا يزال القرار الذي تم الحصول عليه بعيدًا عن الحد النظري ، لذلك سيكون من الجيد وضع هذه التكنولوجيا في الاعتبار. الشيطان ، كما تعلمون ، يكمن في التفاصيل ، لكن هناك الكثير من التفاصيل.

شكرا للانتباه.

Source: https://habr.com/ru/post/ar383969/