लेजर स्थान, डॉपलर इमेजिंग और एपर्चर संश्लेषण

कोणीय संकल्प किसी भी दूरबीन प्रणाली की सबसे महत्वपूर्ण विशेषता है। प्रकाशिकी का दावा है कि यह संकल्प स्पष्ट रूप से तरंग दैर्ध्य से संबंधित है जिस पर अवलोकन किया जाता है और दूरबीन के इनपुट एपर्चर के व्यास के लिए। बड़े व्यास के साथ, जैसा कि आप जानते हैं, एक बड़ी समस्या। यह संभावना नहीं है कि एक दूरबीन का निर्माण कभी भी इससे अधिक होगा ।
रिज़ॉल्यूशन को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाने का एक तरीका रेडियो एस्ट्रोनॉमी और रडार में बड़े और अतिरिक्त बड़े एपर्चर को संश्लेषित करने के लिए उपयोग किया जाने वाला तरीका है। मिलीमीटर रेंज में, सबसे बड़ा एपर्चर - 14 किमी - चिली में ALMA परियोजना के 66 वें एंटेना द्वारा गठित करने का वादा किया गया है ।

एपर्चर संश्लेषण के तरीकों को ऑप्टिकल क्षेत्र में स्थानांतरित करना, जहां तरंगदैर्ध्य रडार की तुलना में कम परिमाण के कई आदेश हैं, लेजर हेट्रोडाईनिंग तकनीकों के विकास से जुड़ा है ।

1. छवि निर्माण की भौतिक बुनियादी बातें।

यह कहना गलत नहीं होगा कि किसी भी ऑप्टिकल डिवाइस में छवि इनपुट एपर्चर में प्रकाश के विवर्तन द्वारा बनाई जाती है, और इससे अधिक कुछ नहीं। आइए एपर्चर के केंद्र से ऑब्जेक्ट की छवि देखें। प्रकाश के एक असीम दूर बिंदु स्रोत की छवि चमक का कोणीय वितरण (जैसा कि, वास्तव में, किसी अन्य का) एक लेंस और समान व्यास के एक पिनहोल कैमरा के लिए समान होगा। एक लेंस और एक पिनहोल के बीच का अंतर केवल इतना है कि लेंस अपने एपर्चर से अनन्तता से गठित छवि को अपने फोकल विमान में स्थानांतरित करता है। या, इसे दूसरे तरीके से रखने के लिए, इनपुट प्लेन वेव के एक चरण परिवर्तन को एक गोलाकार रूप से परिवर्तित करके सामने लाया जाता है। एक दूरस्थ बिंदु स्रोत और एक गोलाकार एपर्चर के लिए, एक छवि छल्ले के साथ एक प्रसिद्ध हवेली चित्र है ।

हेली डिस्क का कोणीय आकार, सिद्धांत रूप में, कम किया जा सकता है और, जैसा कि था, बढ़ा हुआ रिज़ॉल्यूशन ( रेले मानदंड के अनुसार ), यदि एपर्चर एक विशेष तरीके से तय किया गया है। त्रिज्या के ऊपर संचरण का ऐसा वितरण है, जिसमें केंद्रीय डिस्क को सैद्धांतिक रूप से मनमाने ढंग से छोटा किया जा सकता है। हालांकि, इस मामले में, प्रकाश ऊर्जा को छल्ले के साथ पुनर्वितरित किया जाता है और जटिल छवि के विपरीत शून्य तक गिर जाता है।

गणितीय दृष्टिकोण से, विवर्तन छवि उत्पन्न करने की प्रक्रिया इनपुट प्रकाश क्षेत्र (स्केलर सन्निकटन में, क्षेत्र निर्देशांक और समय के एक जटिल कार्य द्वारा वर्णित है) से द्वि-आयामी फूरियर रूपांतरण में घट जाती है। आंख, स्क्रीन, मैट्रिक्स, या तीव्रता में अन्य रिसीवर द्वारा दर्ज की गई कोई भी छवि वस्तु द्वारा उत्सर्जित एपर्चर प्रकाश क्षेत्र द्वारा सीमित दो-आयामी आयाम स्पेक्ट्रम से अधिक कुछ नहीं है। यदि आप समान कॉम्प्लेक्स नंबरों का वर्ग मैट्रिक्स लेते हैं (दूर के बिंदु से एक फ्लैट वेवफ्रंट का अनुकरण करते हुए), तो इसे बाहर से "शून्य" एक "एपर्चर", किनारों को शून्य करना और पूरे मैट्रिक्स का फूरियर रूपांतरण करना आसान है।

संक्षेप में, यदि आप किसी भी तरह से आयाम और चरण जानकारी के नुकसान के बिना पर्याप्त रूप से बड़े क्षेत्र पर एक क्षेत्र (एक एपर्चर का संश्लेषण) रिकॉर्ड करते हैं, तो एक छवि प्राप्त करने के लिए आप आधुनिक दूरबीनों और मेगापिक्सेल मैट्रिसेस के विशाल दर्पणों के बिना कर सकते हैं, बस परिणामी डेटा सरणी के फूरियर रूपांतरण की गणना कर सकते हैं।

2. उपग्रह स्थान और सुपर संकल्प।

हम एक स्थिर सुसंगत लेजर स्रोत द्वारा प्रबुद्ध दृष्टि की रेखा के पार जाने वाली एक स्थिर वस्तु का अवलोकन करेंगे। इससे परावर्तित विकिरण एक हेटेरोडीन फोटोडेटेक्टर द्वारा एक छोटे छिद्र के साथ दर्ज किया जाता है। समय टी पर एक संकेत रिकॉर्ड करना लंबाई वीटी के एक आयामी एपर्चर को साकार करने के बराबर है, जहां v ऑब्जेक्ट का स्पर्शरेखा वेग है। ऐसी विधि के संभावित समाधान का मूल्यांकन करना आसान है। आइए ऊपरी बढ़ाव में निकट-पृथ्वी उपग्रह को देखें, 8 किमी / सेकंड की गति से 500 किमी की ऊंचाई पर उड़ रहा है। सिग्नल रिकॉर्डिंग के 0.1 सेकंड में, हमें 800 मीटर के आकार का एक "एक आयामी टेलीस्कोप" मिलता है, सैद्धांतिक रूप से एक मिलीमीटर के एक अंश के दृश्यमान रेंज उपग्रह भागों में देखने में सक्षम है। ऐसी दूरी के लिए बुरा नहीं है।

बेशक, इस तरह की दूरी पर परिलक्षित संकेत परिमाण के कई आदेशों से घटता है। हालांकि, हेटेरोडीन रिसेप्शन (संदर्भ विकिरण के साथ सुसंगत मिश्रण) काफी हद तक इस क्षीणन की भरपाई करता है। वास्तव में, जैसा कि आप जानते हैं, इस मामले में रिसीवर का आउटपुट फोटोकॉपी संदर्भ विकिरण के एम्पलीट्यूड और आने वाले सिग्नल के उत्पाद के लिए आनुपातिक है। हम संदर्भ विकिरण के अनुपात में वृद्धि करेंगे और इस तरह पूरे संकेत को बढ़ाएँगे।

आप दूसरी तरफ से देख सकते हैं। फोटोडेटेक्टर से रिकॉर्ड किए गए सिग्नल का स्पेक्ट्रम डॉपलर घटकों का एक सेट है, जिनमें से प्रत्येक में समान रेडियल वेग वाले ऑब्जेक्ट के सभी बिंदुओं से योगदान का योग है। किसी वस्तु पर प्रतिबिंबित करने वाले बिंदुओं का एक-आयामी वितरण वर्णक्रमीय रेखाओं की आवृत्ति वितरण को निर्धारित करता है। परिणामस्वरूप स्पेक्ट्रम अनिवार्य रूप से "डॉपलर शिफ्ट" समन्वय के साथ वस्तु का एक आयामी "छवि" है। हमारे उपग्रह के दो बिंदु, जो हवाई जहाज की दृष्टि से एक दूसरे से 1 मिमी की दूरी पर स्थित है, में 0.01-0.02 mm / s के क्रम का एक रेडियल वेग अंतर है। (उपग्रह की गति के लिए इस अंतर का अनुपात उपग्रह के लिए बिंदुओं के बीच की दूरी के अनुपात के बराबर है)। 0.5 माइक्रोन के दृश्यमान तरंग दैर्ध्य के लिए इन बिंदुओं के डॉपलर आवृत्तियों का अंतर 100 हर्ट्ज के क्रम का (f = 2V / λ) होगा।10 माइक्रोन आकार के पूरे माइक्रोसेटेलाइट से स्पेक्ट्रम (डॉपलर इमेज), 10 kHz रेंज में फिट होगा। यह एक औसत दर्जे की मात्रा है।

आप इसे तीसरी तरफ से देख सकते हैं। यह तकनीक एक होलोग्राम रिकॉर्ड से ज्यादा कुछ नहीं है, अर्थात हस्तक्षेप पैटर्न जो तब होता है जब संदर्भ और सिग्नल फ़ील्ड मिश्रित होते हैं। इसमें ऑब्जेक्ट की पूरी छवि को पुनर्स्थापित करने के लिए आयाम और चरण की जानकारी पर्याप्त है।

इस प्रकार, एक लेजर के साथ उपग्रह को रोशन करना, परिलक्षित सिग्नल को पंजीकृत करना और उसी लेजर से संदर्भ बीम के साथ मिश्रण करना, हम फोटोडेटेक्टर पर एक फोटोक्रेक्ट प्राप्त करते हैं, जिसकी समय निर्भरता "एक आयामी एपर्चर" के साथ प्रकाश क्षेत्र की संरचना को दर्शाती है, जिसकी लंबाई, जैसा कि पहले ही कहा गया है, बनाया जा सकता है। पर्याप्त बड़ी।

एक द्वि-आयामी एपर्चर, ज़ाहिर है, बहुत बेहतर और अधिक जानकारीपूर्ण है। आइए हम उपग्रह की गति के पार समान रूप से कई फोटोडेटेक्टरों की व्यवस्था करते हैं और इस तरह क्षेत्र vt * L पर परिलक्षित क्षेत्र लिखते हैं, जहाँ L चरम फोटोडेटेक्टर्स के बीच की दूरी है, जो सिद्धांत रूप में असीमित है। उदाहरण के लिए, वही 800 मीटर। इस प्रकार, हम आकार में "दो आयामी दूरबीन" 800 * 800 मीटर के एपर्चर को संश्लेषित करते हैं। अनुप्रस्थ समन्वय (एल) के साथ रिज़ॉल्यूशन फोटोडेटेक्टरों की संख्या और उनके बीच की दूरी पर निर्भर करेगा, दूसरे पर, "समय" समन्वय (वीटी) - लेजर उत्सर्जन बैंडविड्थ और फोटोडेटेक्टर से संकेत की नमूना आवृत्ति पर।

इसलिए, हमारे पास एक बहुत बड़े क्षेत्र में एक हल्का प्रकाश क्षेत्र है और इसके साथ कुछ भी कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, बिना किसी दूरबीन के बहुत बड़ी दूरी पर बहुत छोटी वस्तुओं की द्वि-आयामी छवि प्राप्त करना। या आप किसी वस्तु की त्रि-आयामी संरचना को डिजिटल रूप से श्रेणीबद्ध करके पुन: स्थापित कर सकते हैं।

बेशक, वस्तु पर प्रतिबिंबित बिंदुओं का वास्तविक त्रि-आयामी विन्यास हमेशा रेडियल वेगों पर उनके "डॉपलर" वितरण के साथ मेल नहीं खाता है। संयोग होगा यदि ये बिंदु एक ही विमान में हों। लेकिन सामान्य मामले में, "डॉपलर छवि" से बहुत सारी उपयोगी जानकारी निकाली जा सकती है।

3. पहले क्या हुआ था।

अमेरिकी DARPA ने कुछ समय पहले SALTI कार्यक्रम को वित्त पोषित कियाजिसका सार ऐसी तकनीक का कार्यान्वयन था। यह एक उड़ान विमान से अल्ट्रा-उच्च रिज़ॉल्यूशन के साथ जमीन (टैंक, उदाहरण के लिए) पर वस्तुओं का पता लगाने वाला था, कुछ उत्साहजनक डेटा प्राप्त किए गए थे। हालाँकि, इस कार्यक्रम को या तो 2007 में बंद कर दिया गया था या इसके बाद से इसके बारे में कुछ भी नहीं सुना गया था। रूस में भी कुछ किया गया था। यहाँ यह है छवि 10.6 माइक्रोन की एक तरंग दैर्ध्य पर प्राप्त देखना संभव।

4. 1.5 माइक्रोन की तरंग दैर्ध्य पर तकनीकी कार्यान्वयन में कठिनाइयाँ।

परिपक्व विचार करने पर, मैंने यहां कुछ भी नहीं लिखने का फैसला किया। बहुत सारी समस्याएं।

5. कुछ प्राथमिक परिणाम।

अब तक, 300 मीटर की दूरी से 3 मिमी के फ्लैट के अलग-अलग धातु ऑब्जेक्ट को दर्शाते हुए विवरण की "जांच" करना मुश्किल हो गया है। यह कुछ मुद्रित सर्किट बोर्ड का एक टुकड़ा था, यहां फोटो है:

दृष्टि की रेखा के लंबवत धुरी के चारों ओर घुमाई गई वस्तु, परावर्तित संकेत का पंजीकरण अधिकतम प्रतिबिंब (चमक) के क्षण के बारे में हुआ। ऑब्जेक्ट को रोशन करने वाला लेज़र स्पॉट लगभग 2 सेमी आकार का था। केवल 4 फोटोडेटेक्टर का उपयोग किया गया था, जो 0.5 मीटर अलग था। संश्लेषित एपर्चर का आकार 0.5 मीटर प्रति 10 मीटर अनुमानित किया गया है।
वास्तव में, बस के मामले में, रिकॉर्ड किए गए संकेत खुद (बाएं) और रिश्तेदार इकाइयों में उनके स्पेक्ट्रा (दाएं):

ऑब्जेक्ट की पिछली तस्वीर से, फोटोशॉप ने केवल हमारे लिए रुचि के प्रबुद्ध और प्रतिबिंबित क्षेत्रों को उजागर किया, जो आवश्यक हैं देख:

छवि 4 संकेतों के दो आयामी फूरियर रूपांतरण द्वारा बनाई गई और तुलना के लिए स्केल की गई:

इस तस्वीर में वास्तव में केवल 4 लाइनें (और लगभग 300 कॉलम) शामिल हैं, छवि का ऊर्ध्वाधर संकल्प, क्रमशः लगभग 0.5 मिमी है, लेकिन अंधेरे कोने और दोनों गोल हैं छेद दिखाई देने लगते हैं। क्षैतिज संकल्प 0.2 मिमी है, इस तरह के बोर्ड पर प्रवाहकीय पटरियों की चौड़ाई है, सभी पांच टुकड़े दिखाई देते हैं। (एक साधारण दूरबीन उन्हें निकट अवरक्त में देखने के लिए दो मीटर व्यास की होनी चाहिए)।

सच में, प्राप्त संकल्प अभी भी सैद्धांतिक सीमा से दूर है, इसलिए इस तकनीक को ध्यान में रखना अच्छा होगा। शैतान, जैसा कि आप जानते हैं, विवरण में है, लेकिन बहुत सारे विवरण हैं।

ध्यान देने के लिए आपको धन्यवाद।

Source: https://habr.com/ru/post/hi383969/