СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТНОГО ПРОФИЛЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОЗДУХА ОБЪЕМНОЙ ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА СВЕТОВОГО ПОЛЯ
METHOD FOR DETERMINING THE ALTITUDE PROFILE OF THE REFRACTIVE INDEX OF AIR OF A VOLUMETRIC SPATIAL AREA BASED ON THE ANALYSIS OF THE LIGHT FIELD

Изобретение относится к способам и методам видеонаблюдения и лазерного зондирования, а более конкретно, к способам обработки оптической информации в адаптивной оптике и может быть использовано для решения задачи регистрации и измерения нестационарных искажений лазерного пучка при распространении его в турбулентной атмосфере. Изобретение применимо, например, в системах адаптивной коррекции, и, в частности, в оптических средствах.
Вызываемые турбулентностью случайные изменения показателя преломления могут существенно ограничивать технические характеристики оптических систем, так что в ряде случаев сама целесообразность их применения должна определяться на основе оперативного прогнозирования флуктуаций светового поля с учетом сложившейся в атмосфере оптико-метеорологической ситуации. Турбулентные неоднородности воздуха, определяющие оптические свойства атмосферы создают случайную высотно-неоднородную структуру поля показателя преломления атмосферного воздуха. В широком интервале пространственных частот флуктуаций единственной характеристикой этого процесса является профиль структурной постоянной показателя преломления [12]. В отличие от хорошо изученного приземного слоя (h≤10 м), сведения о турбулентности в свободной атмосфере (до высот h≈20 км) требуют оперативного определения. Рассмотрим известные способы определения высотного профиля показателя преломления воздуха объемной области пространства.
1. Известен способ анализа волнового фронта с помощью датчика гартмановского типа [1, 2]. Он основан на измерении степени отклонения центра изображения пучка с помощью квадрантного фотоприемника.
Недостатками этого способа являются низкая точность и необходимость дальнейшей обработки результатов измерений, так как гартмановский датчик позволяет измерять только локальные наклоны фазового фронта.
2. Известен способ анализа волнового фронта светового поля [3], заключающийся в том, что интенсивность исходного светового поля регистрируют по координатным направлениям, осуществляют Фурье-преобразование исходного светового поля, производят амплитудное преобразование светового поля по координатным направлениям и определяют фазовое распределение светового поля.
Недостатком такого способа является низкая точность определения фазы, так как в силу некорректности задачи восстановления происходит неизбежное усиление шумов
3. Известен способ анализа волнового фронта светового поля [4, 5], заключающийся в том, что регистрируют интенсивность исходного светового поля по координатным направлениям, осуществляют Фурье-преобразование исходного светового поля, амплитудное преобразование светового поля по координатным направлениям. Регистрируют интенсивность светового поля после его Фурье-преобразования I(U, V) в Фурье-плоскости, осуществляют амплитудное преобразование исходного светового поля N раз путем экранирования непрозрачным экраном участков исходного светового поля с размерами  с координатами центров этих участков  где  производят N раз регистрацию интенсивности Фурье-спектров этих преобразований  на участке приемной апертуры с координатами центра участка  в Фурье-плоскости, при этом интенсивность исходного излучения  регистрируют на участке приемной апертуры с координатами  а фазовое распределение светового поля определяют путем расчета фазы  в каждой l, k-й точке участка приемной апертуры с координатами центра участка
Недостатком такого способа является низкая чувствительность датчика при относительно малых размерах элементарных участков исходного поля. Повышение точности аппроксимации фазового фронта можно получить, уменьшая размеры этих участков. Однако это приводит к падению реакции Фурье-образа на амплитудные преобразования в исходном поле (уменьшается величина числителя в подынтегральном выражении расчетного соотношения), что в итоге ведет к ухудшению чувствительности датчика при измерении фазы фронта в пределах каждого элементарного участка исходного поля.
4. Известен способ определения параметров турбулентной атмосферы [6], заключающийся в том, что определение параметров проводят посредством оптической системы, которая содержит телескоп, сопряженной с ним видеокамеры и компьютера. Обрабатывают получаемые с видеокамеры изображения точечного (для данной апертуры) объекта, в каждый момент времени измеряют дрожание изображения относительно его среднего положения, обусловленные крупномасштабными турбулентными неоднородностями плотности воздуха. Далее вычисляют из этих измерений структурную характеристику показателя преломления, радиус Фрида и оптическую передаточную функцию атмосферы, а затем на основании полученных данных восстанавливают неискаженное изображение и вычисляют параметр Штреля как отношение соответствующих интенсивностей в центрах искаженного и неискаженного изображений точечного объекта.
Недостатками этого способа являются: ограниченные размеры контролируемых областей атмосферы вследствие использования видеокамеры без возможности регистрации параметров светового поля, что существенно ограничивает возможности оперативного изменения как направления, в котором проводятся измерения, так и протяженности исследуемой атмосферы.
5. Известен способ измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений [7, 8], где измерение характеристик показателя преломления воздуха осуществляется по пространственно-временной кросс-корреляционной функции локальных наклонов волновых фронтов от одного объекта солнечного изображения, сдвигающегося за счет суточного вращения Земли на определенные углы в каждый из последующих моментов времени. При этом производится измерение локальных наклонов волновых фронтов на солнечном изображении в скрещенных оптических пучках.
Измерения локальных наклонов волновых фронтов на каждой субапертуре выполняют с помощью одного датчика волнового фронта, работающего по одному источнику света произвольной формы и размера, позиция которого изменяется за счет суточного вращения Земли. Пересечения световых пучков формируют между положением пучка в начальный момент времени и последующим положением пучка вследствие суточного движения объекта по небосводу. На втором шаге расчетов положение опорного пучка смещено на угол (на один шаг по времени). Далее, по данным измерений локальных наклонов волнового фронта рассчитывают усредненные по отдельным временным интервалам пространственно-временные кросс-корреляционные функции локальных наклонов, формируемых в скрещенных оптических пучках, в начальный момент и последующие моменты времени. Из зарегистрированного набора оптических пучков выбирают все скрещенные пучки, «точки пересечения» которых располагаются на разных высотных уровнях по лучу зрения. Длину временного интервала определяют исходя из минимальной высоты измерений профиля структурной функции показателя преломления воздуха. Количество пересечений пучков выбирают в соответствии с заданным пространственным разрешением положения расчетных уровней по вертикали. Пространственное разрешение способа возрастает за счет высокой дискретизации углов во времени и ограничивается скоростью регистрации датчика волнового фронта и угловым смещением наблюдаемого объекта во времени.
Недостатками этого способа является ориентированность на получение участков солнечной поверхности, а также слабая применимость при получении изображений участков звездного неба.
В качестве прототипа выбран способ и лидарная система для измерения турбулентности атмосферы в активном режиме, осуществляемый на борту летательных аппаратов, а также в аэропортах и на ветряных электростанциях [9]. Прототип использует рассеяние лазерного луча при прохождении через зоны турбулентности и ветры, что позволяет получить смешанную мелко- и крупнозернистую картину интенсивности, так называемые спеклы. В рассматриваемом варианте обнаружение спеклов производиться путем измерения распределения интенсивности, возникающего при обратном рассеянии лазерного импульса на молекулах воздуха, с определением турбулентности атмосферы на основании сравнения спекл-картин. Это означает, что по мгновенному изображению спеклов можно обнаружить и измерить турбулентность атмосферы.
1
2
В прототипе распределения интенсивности в оба момента времени t и t регистрируют с помощью камеры при заданном времени экспозиции и на основании полученных снимков формируют графическое представление вариации показателя преломления в поле измерений. Это означает, что по двойным снимкам, сделанным друг за другом с коротким временным интервалом, можно определить движение воздуха перпендикулярно к оси измерения или оптической оси. Поскольку эти снимки одновременно охватывают широкую область, определяемую углом съемки, отпадает необходимость сканирования пространства, сопряженного со значительными затратами времени, и поперечное разрешение в пространстве и по скорости остается равномерно хорошим во всем угловом диапазоне.
Недостатками прототипа является низкая чувствительность датчика при относительно малых размерах элементарных участков спеклов исходного поля. При этом отсутствует возможность просмотра спеклов в глубину кадра. Также данный способ позволяет получить набор кадров волнового фронта в конкретном месте только в активном режиме (регистрируются измерения распределения интенсивности при импульсном режиме работы лазерного излучателя, которые возникают при обратном рассеянии лазерного импульса на молекулах воздуха). Кроме того, в прототипе селекция объекта производится методом анализа бинарных кластеров, сформированных из их изображений, без осуществления дополнительных операций по улучшению качества изображения, что приводит к снижению выделения спеклов в условиях неоднородного фона.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в определении высотного профиля показателя преломления воздуха наблюдаемой объемной области пространства и дальнейшая реконструкция высотного профиля структурной функции показателя преломления воздуха из N выделенных высотных слоев вдоль линии визирования на наблюдаемый объект в объемной области пространства, находящегося в зоне контроля оптической системы, путем формирования упорядоченной группы из N последовательных изображений наблюдаемой объемной области пространства, регистрации и измерения смещений и степени размытия наблюдаемого объекта с привязкой к N выделенным высотным интервалам. Решение задачи позволит улучшить качество формирования изображения оптико-электронным средством, получаемого его оптической системой при сохранении высокой обзорности.
2
Сущность изобретения заключается в том, что интересуемый участок окружающего пространства наблюдают составной оптической системой, включающей проецирующий объектив и дополнительную матричную оптическую систему (массив микролинз), состоящую из массива микролинз расположенного после проецирующего объектива перед матричным фотоприемником, что позволяет сформировать массив малоразмерных субапертурных изображений в плоскости фотоприемника и осуществить формирование изображений N выделенных высотных слоев турбулентной атмосферы вдоль линии визирования на наблюдаемый объект. В процессе формирования массива субапертурных изображений в плоскости фотоприемника регистрируются совокупности хода лучей, именуемые световым полем, по направлениям их распространения в оптико-электронной системе (фиг. 1), позволяющих в пределах каждого оптического изображения, входящего в упорядоченную подгруппу, регистрировать параметры наблюдаемых спеклов и измерять их пространственные координаты (смещение в плоскости и степень размытия), что обеспечивает получение данных для расчета интервальных значений структурной постоянной показателя преломления для каждого высотного слоя атмосферного воздуха. Указанное действие достигается проецирующим объективом и массивом мифолинз, расположенных перед матричным фотоприемником. Регистрация и измерение смещений отдельных световых лучей (углов визирования каждого светового луча) относительно наблюдаемого объекта, производится на основе, упорядоченной в пределах входной апертуры, группы малоразмерных субапертурных изображений объемной области наблюдаемого пространства с алгоритмически вычисляемыми разными углами визирования и направлением распространения отдельных световых лучей [13, 14, 15]. Это позволяет формировать упорядоченную группу последовательных изображений одновременно по N выделенным высотным интервалам (слоям профиля турбулентности) на основе оптически связанных подгрупп микролинз и матричного фотоприемного устройства с N независимыми субдетекторами, путем регистрации отклонений по пространственному расположению и степени размытия наблюдаемого объекта.
Регистрация совокупности хода лучей по пространственному расположению и направлениям их распространения после прохождения оптико-электронной системы позволяет регистрировать и измерять в пределах каждого оптического изображения, входящего в упорядоченную подгруппу плоских (двухмерных) оптических изображений объема наблюдаемой области, параметры наклона волнового фронта на основе измерений смещений и степень размытия наблюдаемого объекта в N-м слое атмосферной турбулентности для получения высотного профиля атмосферной турбулентности (высотного профиля структурной функции показателя преломления воздуха) вдоль направления оси визирования на наблюдаемый объект (фиг. 2). При этом регистрация пространственного профиля атмосферной турбулентности производится на основе правила обобщенной обработки полученных значений углов визирования и пространственного расположения отдельных световых пучков (лучей) для всей совокупности оптических изображений области наблюдаемого пространства, полученных на каждом субдетекторе матричного фотоприемника с расположенным перед ним массивом микролинз (датчика волнового фронта). Измерение ориентации луча осуществляют в пределах микрорастра, где лучом является перпендикуляр к локальной области волнового фронта (поверхности равных фаз) в пределах одного светочувствительного элемента фотоприемного устройства.
Таким образом, предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что получение набора субапертурных малоразмерных изображений объемной области пространства в кадре производится в пассивном режиме (отсутствует импульсный режим работы) вдоль линии визирования на наблюдаемый объект на основе использования составной оптической системы (проецирующий объектив и дополнительной матричной оптической системой (массивом микролинз), позволяющей формировать массив субапертурных малоразмерных изображений в плоскости матричного фотоприемника. При этом параметры поля показателя преломления в явном виде не измеряются, а проводится оценивание высотного профиля показателя преломления воздуха объемной области пространства на основе массива ориентированных ортовекторов лучей субапертур, соответствующих каждому светочувствительному элементу фотоприемного устройства в пределах всей апертуры телескопа.
Принципы и алгоритмы формирования изображений наблюдаемой области пространства на основе светового поля описаны в [13, 14, 15]. Формирование алгоритмически вычисленной, упорядоченной вдоль линии визирования, группы из N оптических изображений объемной области наблюдаемого пространства осуществляют на основе различных световых лучей. Каждая микролинза в массиве микролинз передает свет на относительно небольшую группу пикселей матрицы фотоприемного устройства. Все вместе они формируют мозаику, содержащую больше данных о световом поле (направление хода лучей). Используя исходные данные, полученные от группы пикселей матрицы фотоприемного устройства, путем решения сложных уравнений можно получить представления о сцене в большем разрешении, чем имеется в отдельном фрагменте данных, получаемых с фотоприемного устройства. Алгоритмическое сложение различных лучей светового поля позволяет получить каждое изображение из группы на разной глубине наблюдаемой области пространства относительно точки фокусировки оптической системы [13, 15]. В отличие от обычной камеры, где объем наблюдаемого пространства формируется путем перефокусировки оптической системы, то есть механически, то в данном случае регистратор светового поля позволяет алгоритмически формировать объем наблюдаемого пространства за один кадр и в одной экспозиции.
Алгоритмы измерения смещений и степень размытия наблюдаемого объекта базируются на ранее известных алгоритмах вейвлет-преобразования для обработки двухмерных слоев и межслойной обработки наблюдаемого объемного пространства [16-22]. Принципы и алгоритмы измерения формы, а также оценка формы и рельефа объектов с помощью камеры светового поля описаны в статьях [19, 20]. Алгоритм, с помощью которого вычисляют указанную упорядоченную вдоль линии визирования группу из N оптических изображений объемной области наблюдаемого пространства описан в статьях [21, 22].
Технический результат изобретения заключается в повышении точности определения размеров и положения спеклов (смещений и степень их размытия) при наложении их изображений в плоскости фотоприемника, что позволяет повысить качество реконструкции высотного профиля атмосферной турбулентности вдоль линии визирования на наблюдаемый объект, и повысить качество определения высотного профиля показателя преломления воздуха наблюдаемой объемной области пространства вдоль линии визирования на наблюдаемый объект. Формирование набора стереоскопических изображений для серии углов визирования с большой разрешающей способностью приводит к увеличению точности определения расстояния и размеров между наблюдаемыми спеклами и увеличению достоверности измерения границ спекла за счет выявления селективной локальной неоднородности путем вариации пиксельной структуры при изменении угла визирования.
Для достижения технического результата предлагается способ определения высотного профиля показателя преломления воздуха наблюдаемой объемной области пространства на основе анализа светового поля. Способ включает в себя включающий регистрацию наблюдаемой области пространства с объектом наблюдения, формирование изображений наблюдаемой объемной области пространства и фиксирование локальных наклонов волнового фронта, измерение смещений и степени размытия наблюдаемого объекта, определяющих локальный наклон и радиус Фрида соответственно, с привязкой к выделенным высотным интервалам профиля структурной функции показателя преломления воздуха. Синтез серии малоразмерных субапертурных изображений, соответствующих алгоритмически вычисляемыми разными углами визирования оптической системы, позволяет определить величину смещений и степень размытия спекл-структур в каждом кадре (рис. 3). При этом определение положения спекл-структуры осуществляется по отнесению их к одному из N выделенных высотных слоев объемной области пространства вдоль линии визирования на наблюдаемый объект.
Подтверждение результатов проводилось на экспериментальной установке путем моделирования оптического тракта с изменяющимся пространственным профилем атмосферной турбулентности (рис. 4). Датчик волнового фронта на основе регистратора светового поля Lytro Light Field Sensor с разрешением 11 мегалучей (количество световых лучей, улавливаемых сенсором) и компьютер со специально разработанным программным обеспечением был установлен в параллельном пучке в плоскости, сопряженной с плоскостью апертуры телескопа. Регистратор светового поля имел цифровую камеру CMOS Sensor Aptina MT9F002 14.4 Мрх (размеры матрицы 6.14×4.6 мм) с массивом субапертурных микролинз, состоящим из 130,000 микролинз.
В качестве источника света использовался край солнечного изображения. Использование регистратора светового поля позволило сохранить плотность светового потока на каждой субапертуре и, как следствие, повысить точность измерений локальных наклонов волнового фронта. По данным измерений смещений, степени размытия наблюдаемого объекта и зафиксированных локальных наклонов волнового фронта в узловых точках пересечений световых пучков заявляемым способом были получены вертикальные профили структурной постоянной показателя преломления воздуха.
Верификация результатов измерения предлагаемым способом была выполнена путем сравнения изменений приведенных к зениту значений радиуса Фрида, обозначающего средний линейный размер неоднородности показателя преломления [10], и интегральной величины характеристики показателя преломления воздуха.
L
Похожая работа представлена в работе [11]. В работе показана необходимость получения высотного профиля структурной постоянной показателя преломления в целях эффективной работы многосопряженной адаптивной системы. Предложена методика построения атмосферного профиля структурной постоянной показателя преломления воздуха, которая для реконструкции использует несколько короткоэкспозиционных изображений в фокальной плоскости в качестве опорных точек восстанавливаемого профиля. Количество получаемых изображений равно количеству наблюдаемых естественных (звезды) и искусственных опорных источников (лазерные звезды). При этом каждый опорный источник требует для регистрации изображения отдельного классического датчика волнового фронта. Таким образом, публикуемая методика является частным случаем предлагаемого способа с количеством восстанавливаемых слоев профиля турбулентности равным количеству наблюдаемых опорных источников с задействованием соответствующего количества датчиков волнового фронта. Количество реконструированных слоев N определено как:
im
где N - количество зарегистрированных изображений, т.е. количество задействованных датчиков волнового фронта.
Рассмотренные материалы подтверждают реализуемость предлагаемого способа.
В располагаемых источниках информации не обнаружено технических решений, содержащих в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого способа. Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Наличие новых существенных признаков совместно с известными и общими с прототипом позволило создать новое техническое решение - способ определения высотного профиля показателя преломления воздуха наблюдаемой объемной области пространства на основе анализа светового поля. Способ решает задачу определения высотного профиля показателя преломления воздуха наблюдаемой объемной области пространства и дальнейшей реконструкции высотного профиля структурной функции показателя преломления воздуха, что позволяет увеличить качество формирования изображения оптико-электронным средством при сохранении высокой обзорности.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР № 1443012, G06E 3/00, 1989. Способ анализа волновых фронтов светового поля. Авторы: Гуревич В.З., Крупицкий Э.И., Кудрина Т.А., Морозов С.В., Сергеенко Т.Н.
2. Устинов Н.Д., Матвеев И.Н, Протопопов В.В. Методы обработки оптических полей в лазерной локации. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - с 273.
3. Патент № 2051397, G02B 26/10, 1992. Способ анализа волновых фронтов светового поля.
4. Патент РФ № 2051397 от 27.12.1995, кл. G02B 26/10. Способ анализа волновых фронтов светового поля, авторы: Безуглов Д.А., Мищенко Е.Н., Мищенко С.Е.
5. Безуглов Д.А. Синтез волнового фронта предметного поля по результатам измерений датчика гартмановского типа методом сплайн-функций // Автометрия, 1990, № 2 - с. 21-25.
6. Патент РФ № 2430389 от 31.10.2011. Способ определения параметров турбулентной атмосферы, авторы: Аверин А.П., Морозов Ю.Б., Пряничников B.C., Тяпин В.В.
7. Патент РФ № 2430389 от 29.03.2010. Способ анализа волнового фронта светового поля, авторы: Махов Д.С., Мищенко Е.Н., Мищенко С.Е., Шацкий В.В.
8. Патент РФ № 2712464 от 08.04.2019. Способ измерения вертикальных профилей показателя преломления воздуха для коррекции солнечных изображений, авторы: Ковадло П.Г., Шиховцев А.Ю.
9. Патент РФ № 2405172 от 19.07.2006. Способ и лидарная система для измерения турбулентностей атмосферы, осуществляемого на борту летательных аппаратов, а также в аэропортах и на ветровых электростанциях, автор: Халльдорссон Т.
10. Hickson Е. "Fundamentals of atmospheric and adaptive optics" / The University of British Columbia, Department of Physics and Astronomy. 2008. E 68.
11. O Beltramo-Martin, N A Bharmal, С M Correia. PEPITO: atmospheric Profiling from short-Exposure focal Plane Images in seeing-limiTed mOde // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 486, Issue 2, June 2019, Pages 2032-2041.
12. Современные проблемы атмосферной оптики. Том 5. Оптика турбулентной атмосферы. Зуев В.Е., Банах В.А., Покасов В.В. – Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 271 с.
13. Принципы работы цифровых камер светового поля с массивом микролинз / Махов В., Потапов А., Закутаев А. // Компоненты и технологии. 2018. № 1 (198). С. 14-20.
14. Методы и средства построения оптико-электронных систем наблюдения за удаленными объектами / Махов В., Петрушенко В., Закутаев А., Емельянов А., Широбоков В. // Компоненты и технологии. 2020. № 5 (226). С. 94-99.
15. Исследование оптико-электронной системы на базе телескопа с цифровой камерой светового поля / Махов В.Е., Широбоков В.В., Емельянов A.В., Потапов А.И. // Контроль. Диагностика. 2020. Т. 23. № 11 (269). С. 4-13.
16. Исследование алгоритмов вейвлет-преобразования для определения координат световых меток / Махов В.Е. // Вопросы радиоэлектроники. 2012. № 2. С. 78.
17. Исследование границ изображения методом выделения контраста с использованием оптико-электронной системы. Часть 1. Научно-методические принципы контроля границ изображения методом выделения контраста / Махов B.Е., Потапов А.И., Шалдаев С.Е. // Контроль. Диагностика. 2017. № 10. С. 44-51.
18. Методика построения алгоритмов для определения параметров малоразмерных объектов / Махов В., Широбоков В., Петрушенко В. // Компоненты и технологии. 2020. № 4 (225). С. 110-114.
19. Shape and relief evaluation using the light field camera / Makhov V.E., Sytko I.I. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. II International Conference on Innovations and Prospects of Development of Mining Machinery and Electrical Engineering, IPDME 2018. 2018. С 022020.
20. Studying parameters and quality of thread by optical light field recorder / Maksarov V.V., Makhov V.E. // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, issue 6. 2018. С. 062017.
21. Выделение информационных полей формы и дефектов поверхности методом регистрации светового поля / Махов В.Е., Потапов А.И. // Контроль. Диагностика. 2018. № 3. С. 28-38.
22. Идентификация и определение положения световых меток при их наложении в системах оптического контроля / Махов В.Е., Широбоков В.В., Потапов А.И. // Контроль. Диагностика. 2019. № 7. С. 4-13.