автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.12, диссертация на тему:Метод восстановления волнового фронта для оценки качества оптико-электронного тракта систем наблюдения

/

' > : I / I

Г / л

Московский Физико-Технический Институт

на правах рукописи

ПЕРСЕВ ИГОРЬ ВИКТОРОВИЧ.

"Метод восстановления волнового фронта для оценки качества оптико-электронного тракта систем наблюдения."

Специальность: 05.07.12. «Дистанционные аэрокосмические

исследования».

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Кондранин Тимофей

Владимирович.

Москва - 1998г.

Введение...............................................................................................3

Глава 1.................................................................................................10

Обзор методов измерения функции рассеяния точки и

оценки разрешения объективов...........................................................10

§1.1. Критерии качества изображения......................................10

§1.2. Методы измерения ФРТ....................................................14

§1.3. Методы измерения ОПФ..................................................15

§1.4. Измерение искажений волнового фронта.......................16

§1.5. Выводы к главе 1................................................................19

Глава II...............................................................................................21

Измерение ФРТ восстановлением искажений волнового фронта........................................................................................................21

§2.1 Теоретические основы метода. Принимаемые допущения.

.................................................................................................................21

§2.2 Постановка задачи. Вычисление искажений волнового фронта по набору расфокусированных изображений точки.............29

A.- Решение двумерной задачи- базовый алгоритм............32

Б. .Центрально-симметричный (одномерный) случай........41

B. Томмографический алгоритм...........................................42

§2.3 Выводы к главе II...............................................................45

Глава III..............................................................................................46

Практическая реализация метода измерения ФРТ восстановлением искажений волнового фронта...............................46

§3.1. Описание измерительного стенда....................................46

§3.2. Методика проведения измерений....................................49

§3.3. Проверка соответствия заложенной техники счета реальному поведению систем. Анализ экспериментальных ФРТ

различных объективов..........................................................................55

§3.4. Моделирование изменений ФРТ при различном

спектральном составе излучения.........................................................61

§3.5 Выводы к главе III..............................................................62

Глава IV...............................................................................................64

Аттестация оптических систем в условиях штатной работы. Выработка требований на параметры оптических систем в составе

звездных датчиков...................................................................................64

§4.1 Аттестация и фокусировка оптических систем по

звездам....................................................................................................64

§4.2 Согласование параметров оптики применительно к

особенностям работы звездных датчиков...........................................75

§4.3 Выводы к главе IV..............................................................83

Заключение....................................................................................84

Введение

Актуальность темы.

Опыт получения изображений различных объектов и дальнейшей обработки полученной информации имеет более чем вековую историю. Фотографирование земли и объектов космического пространства началось почти сто лет назад, получение фотографических снимков из космоса имеет почти полувековую историю. Современные тенденции научно-технического прогресса позволяют утверждать, что увеличение объемов и скорости обработки информации будут важнейшими показателями темпов прогресса.

Любая информационная система держится на четырех своих основных сегментах, «четырех китах»:

1) Носители средств получения информации;

2) Средства получения информации;

3) Средства обмена информацией- «информационные магистрали»;

4) Средства хранения, обработки и доведения информации до потребителя.

Степень развития второго сегмента информационной системы-средств получения информации- определяет количество данных, которые возможно получить об окружающем мире. Постоянно растущие требования к количеству информации, необходимой для дальнейшего прогресса, «подталкивают» развитие средств получения информации, в том числе и систем наблюдения.

Более 90% всех данных об окружающем мире человек получает, регистрируя электромагнитные излучения. В силу множества причин наиболее дешевым и доступным для регистрации диапазоном спектра электромагнитных излучений является видимый и примыкающий к нему ближний инфракрасный, то есть диапазон длин волн 0.4-1.3 мкм,

называемый оптическим. Именно в этом диапазоне наиболее развиты фотоприемники, искусственные источники света и средства сбора падающего излучения, то есть оптика.

Огромное количество задач наблюдения требуют получения изображений наблюдаемых объектов. Оптический сегмент системы наблюдения определяет качество изображения, попадающего на фотоприемник, и в конечном итоге от качества изображения зависит информативность всей системы наблюдения. Понятие качества изображения, создаваемого оптической системой, включает в себя несколько параметров: геометрические искажения, неравномерность освещенности по полю и разрешение. Применительно к получаемому изображению, под разрешением можно понимать максимальное количество различаемых точек, которое укладывается в рабочем поле оптической системы или на фотоприемнике. Также правильно разрешение описывать формой изображения удаленной светящейся точки- функцией рассеяния точки (ФРТ) ([1-10]). Чем меньше диаметр изображения такой точки- тем выше разрешение оптической системы.

Создание систем наблюдения с высокими эксплуатационными характеристиками требует тестирования всех компонент в процессе их изготовления, в том числе и измерения разрешающей способности оптического сегмента.

Задаче измерения разрешающей способности объективов посвящено большое количество работ ([14-18]). Разработанные методы и созданное для их реализации оборудование позволяют измерить разрешение оптической системы любой сложности. Вопрос состоит лишь в том, насколько сложно технически реализовать необходимое для создания аттестационного стенда оборудование ([2, 4, 5, 20-29]).

Бурное развитие полупроводниковых фотоприемников в последние годы открывает широкие возможности для создания нового поколения оптико-электронной аппаратуры. Одновременно

накладываются более жесткие требования на оптические системы, используемые с новыми фотоприемниками. Широкий спектральный диапазон регистрируемого излучения требует сложной ахроматизации оптики. Уменьшение размеров фотоприемников и одновременная необходимость повышения чувствительности требует увеличения светосилы объективов вместе с разрешающей способностью. С точки зрения синтеза новой оптической системы, реализовать оба требования одновременно, соблюдая при этом технологические ограничения, весьма непросто.

Также непросто аттестовать светосильный объектив. Дело в том, что способы проверки качества изображения, получаемого от объектива, наиболее развиты и дешевы для фотографических объективов-объективов, работающих с пленкой. Для пленок мы имеем почти полное физическое соответствие заложенных критериев качества и полученных результатов измерения разрешающей способности. В случае же использования фотоприемников с другими спектральными характеристиками (например, ПЗС), для получения результатов, соответствующих реальному поведению объектива с заданным фотоприемником, требуется использовать весьма дорогостоящее оборудование (обзор его приводится в следующей главе).

В связи с этим представляет немалый интерес исследование возможности получить более дешевый способ оценки качества изображения объективов с учетом особенностей спектральных характеристик различных фотоприемников.

Глубокая проработанность задачи оценки качества изображения оптических систем, тем не менее, оставляет широкое поле деятельности. Проблемы, возникающие при постановке измерения разрешающей способности оптических систем, оставляют данную тему незакрытой. До настоящего времени новые методы оценки качества изображения являются темой для получения патентов ([20-29]).

Более того, бурное развитие вычислительной техники и цифровых методов обработки изображений позволяют надеяться, что методы измерения разрешающей способности оптических систем получат дальнейшее развитие и в будущем. Открывающаяся возможность перенести сложности измерительной задачи из технологической области на вычисления представляет самостоятельный интерес.

Одной из областей науки, определяющей спрос на системы наблюдения нового поколения, является дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ). Космические системы ДЗЗ предоставляют возможность решать широкий круг задач- от глобальных до локальных, одновременно обеспечивая оперативность и большой объем получаемых данных ([37]). Современный уровень развития техники позволяет удовлетворять спрос на растущие запросы потребителей информации, получаемой средствами ДЗЗ. Проектирование и эксплуатация все более сложных оптико-электронных комплексов сталкивается с новыми техническими проблемами.

Измерение параметров оптико-электронной аппаратуры дистанционного зондирования в лабораторных условиях не всегда позволяет предсказать поведение системы в условиях штатной работы. Многочисленные вопросы, возникающие в начале эксплуатации системы, требуют постановки методики тестирования параметров аппаратуры как до сдачи ее в эксплуатацию, так и после вплоть до окончания гарантийного срока работы. Организация стендовых испытаний требует затрат, при этом наибольшую трудность вызывает необходимость корректно воспроизвести весь спектр входных воздействий (спектральный состав излучения, тепловой режим и т.д.), возникающих при штатной эксплуатации системы наблюдения. Для оценки главных параметров системы наблюдения: разрешения и чувствительности- требуется точно воспроизвести спектральный состав излучения, что представляет сложную метрологическую задачу. Но постановка точных спектральных измерений на земле не гарантирует

сохранение заявленных параметров в течение всего срока эксплуатации системы. Таким образом, желательно, чтобы методика оценки разрешения и чувствительности была реализуема как на земле, до начала эксплуатации, так и в условиях штатной работы, в том числе и в космосе.

Разработка оптико-электронной аппаратуры для решения конкретной задачи подразумевает согласование параметров всех составляющих системы применительно к требованиям, накладываемым спецификой задачи. Это в равной мере относится и к объективам, работающим в составе систем специального и служебного назначения. Весьма важно выработать требования на оптическую систему в процессе проектирования оптико-электронной аппаратуры, исходя при этом из необходимости достичь минимального соотношения "цена/качество".

Активное использование космического пространства для решения различных прикладных и научных задач зачастую выдвигает очень специфические требования к служебным системам КА. В последнее время обозначился устойчивый спрос на системы ориентации КА с высоким угловым разрешением ([44]). Одним из основных способов остается ориентация по звездам. Достижение же высокой угловой точности возможно при ориентации по звездной карте с использованием множества звезд. Зачастую звездный датчик включают в контур стабилизации углового положения КА. Если же в полете КА производит активные маневры, объем звездного каталога становится большим, и требуются заметные вычислительные мощности для опознания участков неба. При проектировании такого «интеллектуального» датчика требования, накладываемые на оптику, весьма специфичны, поскольку приходится искать компромисс между идентификацией блеска звезд и угловой точностью.

Предметом данной работы является оптимизация параметров оптического сегмента оптико-электронных систем наблюдения под конкретную задачу (на примере звездного датчика), а также измерение разрешающей способности объективов.

Таким образом, были сформулированы

Цели работы: (а) разработать методы измерения разрешения объектива, как в лабораторных условия, так в условиях штатной работы;

(б) сформулировать требования на оптику с учетом специфики конкретной задачи наблюдения.

Конкретные задачи:

1. Разработать алгоритмы восстановления искажений волнового фронта.

2. Обозначить границы применимости предлагаемого метода теоретически.

3. Исследовать поведение ФРТ серийных объективов при различном спектральном составе излучения и провести сравнение результатов с данными, полученными по известным методикам.

4. Рассмотреть возможность оценки разрешения оптики по звездам.

5. Сформулировать требования на оптику в рамках концепции построения звездного датчика.

На защиту выносятся положения:

1) Метод измерения ФРТ восстановлением искажений волнового фронта, позволяющий получить достаточную информацию о качестве оптических систем, разрешение которых определяется геометрическим приближением.

2) Алгоритм восстановления искажений волнового фронта, позволяющий получить достоверную информацию о разрешении объектива даже при периоде фотоприемника, большем диаметра кружка рассеяния объектива.

3) Метод моделирования ФРТ, позволяющий получить достаточное количество информации о полихромных ФРТ без

жестких ограничений на спектральный состав источника излучения.

4) Методические рекомендации по оценке и настройке параметров космических систем наблюдения, реализуемые по естественным источникам света (звездам).

5) Требования на ФРТ объективов, обеспечивающие максимально высокие эксплуатационные характеристики датчика астроориентации. Эти требования формируются исходя из необходимости одновременно обеспечить детектирование звезды, идентификацию её блеска и определение углового положения с максимальной точностью.

Глава I

Обзор методов измерения функции рассеяния точки и оценки

разрешения объективов.

§1.1. Критерии качества изображения.

Рассмотрим оптическую систему, которая удаленному предмету,

имеющему распределение яркости ¿(я), ставит в соответствие изображение, имеющее распределение освещенности Е(г). Освещенность связана с яркостью следующим соотношением:

Е(г)= - г/(д)х (1.1)

где г/ (я ) - функция линейного увеличения системы. Тогда ^ (г - г/ (к )х Я) есть функция распределения интенсивности в изображении светящейся точки предмета с координатами Я = или

функция рассеяния точки системы (ФРТ).

Для некоторой окрестности точки К = (х,У) (диаметр окрестности много больше диаметра ^ (г )) положим увеличение постоянным и равным С. Взяв преобразование Фурье от обеих частей уравнения (1.1), получим:

= х , (1.2)

где: = пространственные частоты в плоскости

изображения, IV = ~ = (и,У)~ пространственные частоты в плоскости предмета.

Функцию ГГ(н>) называют оптической передаточной функцией (ОПФ). Данная комплексная функция является мерой способности системы воспроизводить пространственные частоты. Выделим из

модуль и аргумент: да(и') = А{и>) х ехр(/ х Рк{ й)). А(м>) называют частотно-контрастной характеристикой (ЧКХ), или функцией передачи модуляции (ФПМ), Рк{м>) -функцией передачи фазы (ФПФ). Если ФРТ симметрична, то ФПФ равна нулю.

В дальнейшем ФПФ не будет упоминаться, так как на практике наиболее часто критерием разрешающей способности объектива является ФПМ, снятая для различных участков рабочего поля объектива, или же ФРТ.

Еще одним критерием качества может служить несферичность формы волнового фронта (поверхности постоянной фазы). Как правило, этот критерий используется для оценки разрешения систем, разрешающая способность которых приближается к дифракционному пределу. Напряженность поля в некоторой точке для сходящегося фронта можно записать как интеграл Кирхгофа ([1]):

(1.3)

Интегрирование ведется по поверхности постоянной фазы 8, Ы-модуль радиус-вектора, проведенного от поверхности 8 в точку наблюдения, п- единичный вектор, нормальный к 8. Распределение интенсивности в пространстве, обусловленное падающей волной, зависит от формы поверхности постоянной фазы. Для сферического фронта в точке наилучшей фокусировки известно аналитическое выражение для Е:

/п

интенсивность 1(г}-= Е2(г}. Здесь Б- диаметр диафрагмы, Б-

расстояние от точки фокусировки до диафрагмы, г- расстояние от точки наилучшей фокусировки в плоскости, перпендикулярной к направлению

распространения осевого луча. Интенсивность в точке геометрической фокусировки меняется менее чем на 20%, если отклонение волнового фронта от наилучшей сферы (сферы Гаусса) меньше четверти длины волны- это утверждение известно как правило четверти длины волны Рэлея. Уменьшение интенсивности в максимуме означает, что увеличивается диаметр ФРТ, и как следствие, ухудшается разрешение. Д