УСТРОЙСТВО ОПТИЧЕСКОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель относится к оптическим аналоговым устройствам для спектральной обработки изображений, например поверхности моря, с использованием некогерентного света и может быть применена для решения ряда научно-технических задач, в частности для измерения спектров изображения шероховатой поверхности, в том числе пространственного спектра волнения водной поверхности в реальном времени.
Известны оптические аналоговые анализаторы в некогерентном свете, например оптический анализатор спектра записей сигналов ОСА-2 (см. Зверев В.А., Орлов Е.Ф. «Оптические анализаторы», М., Советское радио, 1971, стр. 96-99). Данный оптический анализатор спектра записей сигналов содержит последовательно расположенные на оптической оси прибора: объектив, блок оптических решеток с механизмом их смещения относительно друг друга, оправу для крепления носителя записи анализируемых сигналов (фотопленку), диафрагму и интегрирующий фотоприемник в виде системы линз с фотоумножителем. Недостатком этого анализатора является необходимость записи изображения водной поверхности на носитель (фотопленку) с целью последующего анализа. Использование носителя уменьшает динамический диапазон анализируемых изображений из-за нелинейности амплитудной характеристики носителя. Кроме того, появляются дополнительные шумы, вносимые носителем изображения, а также теряется возможность оперативной обработки изображений и получения спектров в реальном времени.
3
Дальним аналогом разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности является устройство, известное по авторскому свидетельству SU №1018132, МПК G06G 9/00, G01R 23/16, публ. 15.05.1983 г., которое проводит спектральную обработку оптического изображения шероховатой поверхности, например морского волнения, одновременно для пяти пространственных частот в реальном времени. Устройство содержит размещенные последовательно объектив для формирования изображения шероховатой поверхности, неподвижно установленный в фокальной плоскости объектива модулятор, оптическую схему и фотоприемник, который электрически соединен с анализатором спектра временных частот. Модулятор представляет собой набор фильтров пространственных частот и выполнен в виде набора оптических решеток, периодических вдоль оси X и имеющих дискретно отличающиеся периоды вдоль оси Y. Оптическая схема выполнена в виде линзы.
Недостатком дальнего аналога является то, что устройство регистрирует одновременно только пять пространственных частот спектра волнения водной поверхности и лишь в одном направлении волнового вектора, определяемом осью X, что не позволяет регистрировать реальные физические процессы, происходящие, например, на поверхности океана, поскольку для этого требуется регистрация двумерного спектра волнения в реальном времени при гораздо большем числе одновременно измеренных пространственных частот спектра в различных направлениях волн.
Наиболее близким аналогом к разработанному устройству оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности является устройство, известное по патенту РФ на изобретение №2400705 (Устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности: патент на изобретение №2400705 RU: МПК G01B 11/30, G06K 9/58, G01R 23/16 / Э.М. Зуйкова, В.И. Титов, Ю.И. Троицкая; Учреждение Российской академии наук институт прикладной физики РАН. - 2009103024/28; 30.01.2009; публ. 27.09.2010, бюл. №27), которое проводит спектральную обработку оптического изображения шероховатой поверхности, например морского волнения, в реальном времени и регистрирует его двумерный спектр. Устройство-прототип содержит размещенные последовательно объектив для формирования изображения шероховатой поверхности, вращающуюся призму для поворота изображения, установленный в фокальной плоскости объектива вращающийся диск-модулятор, оптическую схему и фотоприемник, который электрически соединен с компьютером. В данном устройстве диск-модулятор осуществляет сканирование спектра изображения по пространственной частоте за счет нанесенной на него эталонной структуры в виде многозаходных спиралей с изменяющейся по окружности диска-модулятора частотой, а призма обеспечивает сканирование спектра изображения по направлению волнового вектора за счет поворота изображения при ее возвратно-поступательном вращении. Недостатком прототипа является большое время регистрации двумерного спектра волнения - около 1 с, так как «связка» диска-модулятора и призмы не позволяет увеличить скорости их движения из-за механических ограничений.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является уменьшение времени регистрации двумерного спектра шероховатой поверхности.
Технический результат достигается тем, что разработанное устройство содержит расположенные последовательно объектив, вращающийся диск-модулятор с записанной на него эталонной структурой, установленный в фокальной плоскости объектива, по крайней мере один интегрирующий фотоприемник, а также блок формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности, функции которого выполняет компьютер, снабженный многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП)
Новым в разработанном устройстве является то, что эталонная структура на диске-модуляторе представляет собой записанные на трех расположенных по радиусу дорожках в пяти секторах диска-модулятора периодические прямые решетки с разными пространственными частотами и с непрерывно меняющимися направлениями штрихов в каждом секторе по радиусу в диапазоне углов ±30° относительно середины сектора, где штрихи решетки направлены по радиусу диска-модулятора, при этом диск-модулятор снабжен метками начала секторов диска для выработки синхроимпульсов начала секторов с помощью оптопары, а каждой из трех дорожек на диске-модуляторе соответствует свой интегрирующий фотоприемник.
Устройство поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности: 1 - объектив, 2 - диск-модулятор, 3 - интегрирующий фотоприемник (три штуки), 4 - оптопара, 5 - блок формирования и регистрации спектра.
На фиг. 2 представлен диск-модулятор с нанесенной эталонной структурой.
Устройство осуществляет свою работу следующим образом.
Сначала объектив 1 создает изображение шероховатой поверхности на диске-модуляторе 2, установленном в фокальной плоскости объектива (см. Фиг. 1).
На диске-модуляторе 2 имеются пять секторов по три дорожки шириной 16 мм в каждом (см. фиг. 2), на которых нанесены прямые решетки с различной пространственной частотой. Первая дорожка находится на среднем расстоянии от центра 99 мм, вторая - 83 мм, третья - 67 мм. Будем считать первым сектором сектор с минимальными пространственными частотами решеток на всех трех дорожках: 0,1; 0,6; 2,9 штрихов на миллиметр соответственно. На втором: 0,15; 0,85; 3,7 штрихов на миллиметр соответственно. На третьем: 0,2; 1,2; 4,6 штрихов на миллиметр соответственно. На четвертом: 0,3; 1,65; 5,6 штрихов на миллиметр соответственно. И на пятом: 0,4; 2,2; 6,7 штрихов на миллиметр соответственно. Таким образом, диск-модулятор 2 позволяет получить спектры изображения для 15 дискретных пространственных частот.
При этом в каждом секторе по радиусу непрерывно меняется направление прямых решеток в диапазоне углов ±30° относительно середины сектора, где штрихи решеток направлены по радиусу диска-модулятора 2. На внешнем радиусе, где нет записи прямых решеток, имеется дорожка с пятью метками начала секторов. В результате такой записи решеток на диске-модуляторе 2 анализ по углу при вращении диска-модулятора 2 становится непрерывным. Разрешение спектра по углу определяется размером интегрирующего окна (см. фиг. 2).
Отличием диска-модулятора 2 в предлагаемой полезной модели от диска-модулятора прототипа является то, что за счет нанесенной на него описанной выше эталонной структуры его использования оказывается достаточно, чтобы в предлагаемом устройстве осуществлять сканирование спектра изображения шероховатой поверхности и по пространственной частоте, и по направлению волнового вектора. Тем самым снимаются механические ограничения на скорость движения «связки» диска-модулятора и призмы, которые присутствуют в прототипе, и время получения двумерного спектра шероховатой поверхности определяется только скоростью вращения диска-модулятора 2.
Каждой дорожке диска-модулятора 2 соответствует интегрирующий фотоприемник 3. Для каждого интегрирующего фотоприемника 3 «жирным» эллипсом показано интегрирующее окно на соответствующей дорожке диска-модулятора 2. Метки начала секторов, расположенные по внешнему радиусу диска-модулятора 2 в начале каждого сектора (фиг. 2), считываются при помощи оптопары 4. Метка в начале сектора с минимальными пространственными частотами меньше по размеру вдоль окружности и служит одновременно синхроимпульсом оборота диска. Оптопара 4 - электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно светодиода) и фотоприемника (фотодиода), связанных оптическим каналом. При вращении диска-модулятора 2 метки, представляющие собой непрозрачные участки на диске-модуляторе 2, прерывают световой поток на фотодиоде оптопары 4, формируя на выходе оптопары 4 импульс.
Таким образом, созданное объективом 1 на диске-модуляторе 2 изображение шероховатой поверхности модулируется прямыми решетками в пределах окна интегрирования каждого интегрирующего фотоприемника 3 на каждой дорожке диска-модулятора 2, затем модулированное изображение в пределах окна интегрирования собирается с помощью соответствующего интегрирующего фотоприемника 3 на каждой дорожке. Сигнал с выхода каждого интегрирующего фотоприемника 3 будет пропорционален спектру Фурье изображения шероховатой поверхности. Далее сигналы с выхода каждого интегрирующего фотоприемник 3 и с оптопары 4 подаются на блок формирования и регистрации спектра 5 изображения шероховатой поверхности, функции которого выполняет компьютер, снабженный многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и в котором на основании полученной совокупности сигналов формируется двумерный спектр шероховатой поверхности.
В результате предлагаемое устройство - оптической спектральной обработки изображения - может за один оборот диска-модулятора 2 регистрировать спектр изображения шероховатой поверхности в координатах пространственная частота - направление волнового вектора, причем спектр по пространственным частотам дискретный размером 15 пространственных частот (три дорожки с прямыми решетками с разными пространственными частотами на 5 секторов диска-модулятора 2), а спектр по направлениям непрерывный в угловом диапазоне 60. Время регистрации спектра определяется скоростью вращения диска-модулятора 2, которую можно выбрать. Например, при вращении диска-модулятора 2 со скоростью 25 об/с, как это происходит в прототипе, время регистрации одной реализации двумерного спектра предлагаемым устройством в 25 раз меньше времени регистрации двумерного спектра прототипом.
Преимуществами разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности перед аналогичными устройствами с телекамерами являются большой динамический диапазон и отсутствие «смаза» изображения из-за движения носителя, на котором расположено устройство, так как преобразование Фурье здесь осуществляется мгновенно. Благодаря этому разработанное устройство может, например, регистрировать по ходу корабля спектры сколь угодно коротких волн, как только может позволить геометрия наблюдения.