Статистические характеристики спеклованных изображений рассеянного лазерного пучка в фокальной плоскости приемного объектива
УДК 681.7.069.32: 519.246
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКЛОВАННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАССЕЯННОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ПРИЕМНОГО ОБЪЕКТИВА
© 2012 г. С. В. Асанов*, канд. техн. наук; М. С. Егоров**; А. Б. Игнатьев*, доктор техн. наук; В. В. Морозов*, доктор техн. наук; Ю. А. Резунков**, доктор техн. наук; В. П. Савельева**; В. В. Степанов**, канд. физ.-мат. наук
** ОАО ГСКБ “АЛМАЗ-АНТЕЙ”, Москва
** ОАО Научно-исследовательский институт оптико-электронного ** приборостроения (НИИ ОЭП), г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
** E-mail: yuri@sbor.net
Проведено исследование экспериментально зарегистрированных матричным фотоприемным устройством спеклованных изображений рассеянного лазерного пучка в фокальной плоскости приемного объектива в зависимости от энергии лазерного импульса, угла засветки объектива и спектрального состава излучения. Выявлены закономерности, связывающие статистические параметры изображений при различных условиях облучения. Показано, что только при малых углах засветки приемного объектива статистика спеклов является гауссовой.
Ключевые слова: оптико-электронные приборы, лазерное излучение, спеклованные изображения, цифровая обработка изображений.
Коды OCIS: 230.2090, 120.6150, 100.2000.
Поступила в редакцию: 27.10.2011.
1. Введение
Для высокоточной ориентации космических аппаратов и определения их положения относительно астрономических объектов используются оптико-электронные приборы (ОЭП) ориентации и навигации по звездам [1]. Поскольку космические ОЭП работают при очень низких уровнях засветки, важной характеристикой прибора является его помехозащищенность от воздействия различного вида световых помех как природного, так и искусственного происхождения от объектов, находящихся за пределами полей зрения данных приборов (внеполевая засветка) [2].
Защиту прибора от внеполевой засветки обеспечивают бленды. Оценка помехозащищенности ОЭП с установленной на нем блендой обычно выполняется расчетным путем на стадии проектирования прибора [1, 3]. Экспериментальные исследования единичны, в них в основном используют имитаторы природных источников засветки в видимом спектральном диапазоне [4].
Для ОЭП с матричными фотоприемниками, когда невозможно оценить эффективность работы бленды одним параметром (коэффициентом внеосевого ослабления), более предпочтительным представляется проведение экспериментальных исследований, в которых рассматривается изменение статистических свойств распределенной фоновой помехи в фокальной плоскости ОЭП при различных условиях его внеполевой засветки, включая различные спектральные диапазоны – от видимого до ближнего и среднего ИК диапазонов.
Использование лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения в качестве источника засветки позволяет провести исследование статистических свойств внеполевой засветки в широком диапазоне пространственно-энергетических и спектральных характеристик из лучения.
Лазерная помеха, регистрируемая матричным фотоприемным устройством (МФПУ) в фокальной плоскости приемного объектива при внеполевой засветке, имеет характерную спеклованную структуру. Размеры спеклов и их
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
23
интенсивность зависят как от характеристик лазерного излучения (длины волны, пространственной и временной когерентности), так и от пространственно-энергетических характеристик фотоприемного устройства [5]. Эти особенности внеполевой лазерной помехи влияют на статистические свойства светового поля в области регистрации сигналов МФПУ, а следовательно, и на теоретические модели формирования внеполевой засветки в фокальной о бласти ОЭП.
2. Экспериментальная установка, постановка исследований
Работа была выполнена на экспериментальной базе [6] с использованием гибридного СО2-лазера и макета ОЭП. Оптическая схема эксперимента показана на рис. 1. В состав макета прибора входят: цилиндрическая бленда с входной апертурной диафрагмой и боковым вырезом для регистрации излучения, внеосевое параболическое зеркало для фокусировки излучения на МФПУ, а также МФПУ типа К-128 на основе антимонида индия (InSb), изготовленное в НПО “ОРИОН” (г. Москва) [7].
Режимы засветки МФПУ менялись за счет изменения энергии импульса излучения, угла засветки приемной бленды и спектрального с остава излучения.
Спектральный состав излучения определялся схемой резонатора гибридного лазера. При этом генерация излучения осуществлялась либо на одной (Р20), либо одновременно на двух (Р20 и Р18) линиях молекулы СО2. С выхода гибридного лазера излучение направлялось на нелинейный кристалл, изготовленный из AgGaSe2 (селеногаллат серебра), в котором происходило преобразование длины волны излучения во вторую гармонику, т. е. из диапазона 9,55–10,6 мкм в диапазон 4,78–5,3 мкм, соответствующий спектральному диапазону чувствительности InSb-матрицы. После преобразования излучение направлялось в бленду под заданным углом засветки.
За счет использования дискретного набора светофильтров, устанавливаемых на пути лазерного пучка, энергия лазерного импульса подбиралась таким образом, что все уровни засветки соответствовали линейному диапазону чувствительности пикселов матрицы.
Исследования проводились при дискретном изменении угла засветки приемной бленды: 2°, 6° и 10°. Угол 2° соответствовал полному уходу керна лазерного пучка с МФПУ, угол 6° – рассеянию пучка на внутренней бленде МФПУ. При угле 10° лазерный пучок полностью уходил с параболического зеркала и источником засветки матрицы являлось только излучение, рассеянное на внутренней поверхности блен-
Парабола F = 300 мм
Бленда МФПУ
ПЗ
ПЗ 0° 2° 6°
10°
От гибридного СО2-лазера
ПЭВМ
2° 6°
10°
Рис. 1. Оптическая схема макета ОЭП. Показаны особенности засветки матриц при использованных углах ввода излучения (2°, 6°, 10°).
24 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
ды объектива. Интегральный коэффициент диффузного отражения лазерного излучения эмалью, которой была покрыта внутренняя поверхность бленды, в диапазоне длин волн 3–5,5 мкм составлял 0,007–0,01.
3. Методика обработки регистрируемых изображений
Обработка регистрируемых изображений рассеянного лазерного поля в области фокусировки проводилась с использованием традиционных статистических методов [8]. При обработке вычислялись следующие статистические характеристики спекл-структур:
–– среднее значение напряжения, зарегистрированного пикселами,
å åU
=
N-2
N-1 N-1
Uij ,
i=0 j=0
где Ui, j – напряжение отдельного пиксела, N2 – общее количество пикселов;
–– среднеквадратическое отклонение (СКО)
напряжения
å å ( )s = (N2 -1)-1 N-1N-1 Ui, j - U 2 ; i=0 j=0
–– коэффициент вариации Kvar = s/〈U〉, который характеризует степень выравненности изображения и в спекл-структурах называется контрастом;
–– плотность распределения напряжения на пикселах p(U);
–– “энергия изображения” Ер. Математически Ер есть усредненный по матрице квадрат напряжения на пикселе, умноженный на общее количество пикселов, т. е.
å åN
Ep =
N Ui2, j .
i=0 j=0
Он имеет смысл энергии, зарегистрированной матрицей, а величина Ep1/2/N = (s2 + 〈U〉2)1/2 имеет смысл эффективного значения среднего напряжения. Величина “энергии изображения” определяется как энергией излучения в лазерном импульсе, так и коэффициентом внеосевого ослабления излучения приемной оптической системой прибора. В дальнейшем будет показано, что “энергия изображения” является независимой мерой, характеризующей статистические свойства регистрируемой спекл-структуры рассеянного лазерного поля.
Предварительный анализ зарегистрированных в экспериментах изображений рассеянного лазерного поля (рис. 2) показал, что их отличительной особенностью является частично развитая структура спеклов, которая характеризуется наличием зеркального компонента в дифракционной картине, а также контрастом изображения, меньшим 1. Такие спекл-структуры обычно реализуются в случае рассеяния широких лазерных пучков на слабошероховатых поверхностях [9].
(а)
100
(б)
100
(в)
100
50 50 50
00 50 100
(г)
00 50 100
(д)
00
100 100 100
50 50 50
00 50 100
00 50
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
100
00
50
(е)
100
50 100
Рис. 2. Типичные спеклструктуры, зарегистрированные МФПУ в различных экспериментальных условиях. а, б, в – генерация на одной линии; г, д, е – генерация на двух линиях; а, г – угол ввода излучения 2°; б, д – 6°; в, е – 10°.
25
В общем случае структура оптического поля в плоскости матрицы определяется суперпозицией зеркального когерентного компонента и нескольких спеклованных полей, обусловленных рассеянием излучения на различных внутренних элементах оптической системы и матрицы. Конкретный вид поля зависит от соотношения интенсивностей соответствующих компонентов, начального спектрального состава излучения, а также от законов сложения полей. Необходимо учитывать также деполяризующее воздействие рассеивающей поверхности на прошедшую (или отраженную) волну, причем степень деполяризации зависит от угла засветки.
В условиях эксперимента изменение спектрального состава излучения соответствовало условию Dl/l = Dn/n
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКЛОВАННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАССЕЯННОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В ФОКАЛЬНОЙ ПЛОСКОСТИ ПРИЕМНОГО ОБЪЕКТИВА
© 2012 г. С. В. Асанов*, канд. техн. наук; М. С. Егоров**; А. Б. Игнатьев*, доктор техн. наук; В. В. Морозов*, доктор техн. наук; Ю. А. Резунков**, доктор техн. наук; В. П. Савельева**; В. В. Степанов**, канд. физ.-мат. наук
** ОАО ГСКБ “АЛМАЗ-АНТЕЙ”, Москва
** ОАО Научно-исследовательский институт оптико-электронного ** приборостроения (НИИ ОЭП), г. Сосновый Бор, Ленинградская обл.
** E-mail: yuri@sbor.net
Проведено исследование экспериментально зарегистрированных матричным фотоприемным устройством спеклованных изображений рассеянного лазерного пучка в фокальной плоскости приемного объектива в зависимости от энергии лазерного импульса, угла засветки объектива и спектрального состава излучения. Выявлены закономерности, связывающие статистические параметры изображений при различных условиях облучения. Показано, что только при малых углах засветки приемного объектива статистика спеклов является гауссовой.
Ключевые слова: оптико-электронные приборы, лазерное излучение, спеклованные изображения, цифровая обработка изображений.
Коды OCIS: 230.2090, 120.6150, 100.2000.
Поступила в редакцию: 27.10.2011.
1. Введение
Для высокоточной ориентации космических аппаратов и определения их положения относительно астрономических объектов используются оптико-электронные приборы (ОЭП) ориентации и навигации по звездам [1]. Поскольку космические ОЭП работают при очень низких уровнях засветки, важной характеристикой прибора является его помехозащищенность от воздействия различного вида световых помех как природного, так и искусственного происхождения от объектов, находящихся за пределами полей зрения данных приборов (внеполевая засветка) [2].
Защиту прибора от внеполевой засветки обеспечивают бленды. Оценка помехозащищенности ОЭП с установленной на нем блендой обычно выполняется расчетным путем на стадии проектирования прибора [1, 3]. Экспериментальные исследования единичны, в них в основном используют имитаторы природных источников засветки в видимом спектральном диапазоне [4].
Для ОЭП с матричными фотоприемниками, когда невозможно оценить эффективность работы бленды одним параметром (коэффициентом внеосевого ослабления), более предпочтительным представляется проведение экспериментальных исследований, в которых рассматривается изменение статистических свойств распределенной фоновой помехи в фокальной плоскости ОЭП при различных условиях его внеполевой засветки, включая различные спектральные диапазоны – от видимого до ближнего и среднего ИК диапазонов.
Использование лазеров с перестраиваемой длиной волны излучения в качестве источника засветки позволяет провести исследование статистических свойств внеполевой засветки в широком диапазоне пространственно-энергетических и спектральных характеристик из лучения.
Лазерная помеха, регистрируемая матричным фотоприемным устройством (МФПУ) в фокальной плоскости приемного объектива при внеполевой засветке, имеет характерную спеклованную структуру. Размеры спеклов и их
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
23
интенсивность зависят как от характеристик лазерного излучения (длины волны, пространственной и временной когерентности), так и от пространственно-энергетических характеристик фотоприемного устройства [5]. Эти особенности внеполевой лазерной помехи влияют на статистические свойства светового поля в области регистрации сигналов МФПУ, а следовательно, и на теоретические модели формирования внеполевой засветки в фокальной о бласти ОЭП.
2. Экспериментальная установка, постановка исследований
Работа была выполнена на экспериментальной базе [6] с использованием гибридного СО2-лазера и макета ОЭП. Оптическая схема эксперимента показана на рис. 1. В состав макета прибора входят: цилиндрическая бленда с входной апертурной диафрагмой и боковым вырезом для регистрации излучения, внеосевое параболическое зеркало для фокусировки излучения на МФПУ, а также МФПУ типа К-128 на основе антимонида индия (InSb), изготовленное в НПО “ОРИОН” (г. Москва) [7].
Режимы засветки МФПУ менялись за счет изменения энергии импульса излучения, угла засветки приемной бленды и спектрального с остава излучения.
Спектральный состав излучения определялся схемой резонатора гибридного лазера. При этом генерация излучения осуществлялась либо на одной (Р20), либо одновременно на двух (Р20 и Р18) линиях молекулы СО2. С выхода гибридного лазера излучение направлялось на нелинейный кристалл, изготовленный из AgGaSe2 (селеногаллат серебра), в котором происходило преобразование длины волны излучения во вторую гармонику, т. е. из диапазона 9,55–10,6 мкм в диапазон 4,78–5,3 мкм, соответствующий спектральному диапазону чувствительности InSb-матрицы. После преобразования излучение направлялось в бленду под заданным углом засветки.
За счет использования дискретного набора светофильтров, устанавливаемых на пути лазерного пучка, энергия лазерного импульса подбиралась таким образом, что все уровни засветки соответствовали линейному диапазону чувствительности пикселов матрицы.
Исследования проводились при дискретном изменении угла засветки приемной бленды: 2°, 6° и 10°. Угол 2° соответствовал полному уходу керна лазерного пучка с МФПУ, угол 6° – рассеянию пучка на внутренней бленде МФПУ. При угле 10° лазерный пучок полностью уходил с параболического зеркала и источником засветки матрицы являлось только излучение, рассеянное на внутренней поверхности блен-
Парабола F = 300 мм
Бленда МФПУ
ПЗ
ПЗ 0° 2° 6°
10°
От гибридного СО2-лазера
ПЭВМ
2° 6°
10°
Рис. 1. Оптическая схема макета ОЭП. Показаны особенности засветки матриц при использованных углах ввода излучения (2°, 6°, 10°).
24 “Оптический журнал”, 79, 9, 2012
ды объектива. Интегральный коэффициент диффузного отражения лазерного излучения эмалью, которой была покрыта внутренняя поверхность бленды, в диапазоне длин волн 3–5,5 мкм составлял 0,007–0,01.
3. Методика обработки регистрируемых изображений
Обработка регистрируемых изображений рассеянного лазерного поля в области фокусировки проводилась с использованием традиционных статистических методов [8]. При обработке вычислялись следующие статистические характеристики спекл-структур:
–– среднее значение напряжения, зарегистрированного пикселами,
å åU
=
N-2
N-1 N-1
Uij ,
i=0 j=0
где Ui, j – напряжение отдельного пиксела, N2 – общее количество пикселов;
–– среднеквадратическое отклонение (СКО)
напряжения
å å ( )s = (N2 -1)-1 N-1N-1 Ui, j - U 2 ; i=0 j=0
–– коэффициент вариации Kvar = s/〈U〉, который характеризует степень выравненности изображения и в спекл-структурах называется контрастом;
–– плотность распределения напряжения на пикселах p(U);
–– “энергия изображения” Ер. Математически Ер есть усредненный по матрице квадрат напряжения на пикселе, умноженный на общее количество пикселов, т. е.
å åN
Ep =
N Ui2, j .
i=0 j=0
Он имеет смысл энергии, зарегистрированной матрицей, а величина Ep1/2/N = (s2 + 〈U〉2)1/2 имеет смысл эффективного значения среднего напряжения. Величина “энергии изображения” определяется как энергией излучения в лазерном импульсе, так и коэффициентом внеосевого ослабления излучения приемной оптической системой прибора. В дальнейшем будет показано, что “энергия изображения” является независимой мерой, характеризующей статистические свойства регистрируемой спекл-структуры рассеянного лазерного поля.
Предварительный анализ зарегистрированных в экспериментах изображений рассеянного лазерного поля (рис. 2) показал, что их отличительной особенностью является частично развитая структура спеклов, которая характеризуется наличием зеркального компонента в дифракционной картине, а также контрастом изображения, меньшим 1. Такие спекл-структуры обычно реализуются в случае рассеяния широких лазерных пучков на слабошероховатых поверхностях [9].
(а)
100
(б)
100
(в)
100
50 50 50
00 50 100
(г)
00 50 100
(д)
00
100 100 100
50 50 50
00 50 100
00 50
“Оптический журнал”, 79, 9, 2012
100
00
50
(е)
100
50 100
Рис. 2. Типичные спеклструктуры, зарегистрированные МФПУ в различных экспериментальных условиях. а, б, в – генерация на одной линии; г, д, е – генерация на двух линиях; а, г – угол ввода излучения 2°; б, д – 6°; в, е – 10°.
25
В общем случае структура оптического поля в плоскости матрицы определяется суперпозицией зеркального когерентного компонента и нескольких спеклованных полей, обусловленных рассеянием излучения на различных внутренних элементах оптической системы и матрицы. Конкретный вид поля зависит от соотношения интенсивностей соответствующих компонентов, начального спектрального состава излучения, а также от законов сложения полей. Необходимо учитывать также деполяризующее воздействие рассеивающей поверхности на прошедшую (или отраженную) волну, причем степень деполяризации зависит от угла засветки.
В условиях эксперимента изменение спектрального состава излучения соответствовало условию Dl/l = Dn/n