Голографическая регистрация и обработка сигналов, переносимых электромагнитным излучением

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 01:33, 18 мая 2017.

В ранний период развития радиолокационных станций (РЛС) с синтезированием апертуры (1951 — 1955 гг.) предлагалось большое количество методов для выполнения обработки запоминаемых первичных данных.

Рассматривались, в частности, системы на основе запоминающих электроннолучевых трубок, рециркуляционных линий задержек или набора фильтров. Поскольку объем информации, поступающей от РЛС с синтезированием апертуры, оказывается весьма большим, то использование даже ограниченной части данных приводит к серьезным проблемам при их запоминании и обработке.

Задача особенно усложняется, когда время интегрирования должно быть большим, как это требуется при обработке сигналов в виде импульсов с линейной частотной модуляцией (ЧМ), в отличие от случая постоянной доплеровской частоты. При этом необходимо учитывать также то, что синтезированная антенна должна фокусироваться на все дальности и, следовательно, сигналы каждого элемента дальности должны обрабатываться в отдельном канале, так как крутизна изменения частоты при ЧМ зависит от расстояния до цели.

Было, однако, обнаружено, что фотографическая пленка представляет собой наиболее эффективный элемент памяти, так как обладает большой емкостью хранения информации, В свою очередь оптический коррелятор оказался лучшим устройством обработки из-за своей многоканальности — следствия его способности формировать двумерное изображение. Эти два элемента весьма хорошо сочетаются, поскольку фотографическая форма записи данных пока является идеальной для дальнейшей обработки в оптическом устройстве. Достаточно отметить, что размер зерна («пикселя») на фотопленке составляет доли мкм, а пикселя прибора с зарядовой связью (ПЗС) – в лучшем случае – единицы мкм. Тем не менее, оперативность и точность обработки сигнала в цифровой форме делает цифровую обработку наиболее привлекательной.


Формирование диаграмм направленности в фазированных антенных решетках

Другой важный псевдоголографический метод — формирование диаграмм направленности в фазированных антенных решетках (ФАР) — в отличие от описанных выше методов не относится к категории дальномерно-доплеровских. ФАР применяются не только в радиолокационных устройствах. Они могут входить в состав и пассивных радиометрических систем, и систем с активным излучением.

Рис. 1. Метод формирования лучей и электронного управления в фазированных антенных решетках.Луч отклонен в направлении .

Фазированная антенная решетка представляет собой набор приемных (либо передающих) антенных элементов, с выхода которых сигналы непосредственно не суммируются, а подаются раздельно на систему обработки или в аналоговой, или в дискретной форме. Обработка может выполняться различными способами. В частности, сигналы предварительно могут быть сдвинуты по фазе в линейных фазовращателях на величину, прогрессивно увеличивающуюся, скажем, на 10°, начиная с левого крайнего элемента. При суммировании сигналов с выхода фазовращателей образуется приемная диаграмма направленности, отклоненная на некоторый угол относительно оси системы (Рис.1). Если фазовый сдвиг не вводится, то максимум диаграммы направленности оказывается направленным точно по оси системы (перпендикулярно плоскости решетки элементов).

Такой способ формирования диаграмм направленности называется формированием лучей ФАР. Путем управления фазовращателями лучи ФАР устанавливаются в любое заданное направление, т.е. осуществляется так называемый процесс наведения лучей.

Модель сканирующего устройства (СУ) в ОЭС приемлема, также, для СУ в РЭС с ФАР.

Сигналы с выхода антенных элементов могут быть одновременно поданы на несколько систем формирования лучей. Каждая система формирования отклоняет луч на свой определенный угол. В результате одновременно образуется (в отличие от обычных антенных решеток) несколько приемных лучей, установленных в различных направлениях.

Процесс формирования лучей можно описать формулой:

,

где комплексная весовая функция, фазовая составляющая которой характеризует закономерность изменения фазы в фазовращателях, а модуль определяет неравномерность коэффициентов передачи сигналов от элементов решетки.

Если число элементов решетки большое, то суммирование можно заменить:

При равномерной весовой функции и линейном изменении фазы по решетке:

Для плоской приходящей волны:

,

где угол прихода волны.

Подставив формулы для и в выражение для , получим:

Таким образом, решетка имеет диаграмму направлености с максимум под углом , когда:

Очевидно, что можно ввести квадратичный фазовый множитель для того, чтобы сфокусировать решетку на точки, расположенные и не на бесконечности.

Процесс формирования лучей в ФАР, определяемый формулой для в соответствии с весовой функцией , эквивалентен преобразованию Фурье. Этот результат можно было ожидать, так как хорошо известно соотношение преобразования Фурье, связывающее функцию облучения апертуры и диаграмму направленности антенны в дальней зоне при приеме. Каждая точка при преобразовании Фурье характеризует один из лучей. Следовательно, устройство, аналоговое или дискретное, которое осуществляет преобразование Фурье приходящего сигнала , формирует одновременно все лучи ФАР.

Очевидно, что процесс формирования лучей подобен голографическому процессу. Волновое поле приходящего на решетку сигнала преобразуется в электрические сигналы.

Таким образом, модель визуализации сигнала РЛС совпадает с моделью восстанавливающего устройства (см. раздел 1.4.2.1 ).

На втором этапе процесса преобразования происходит обратное: электрические сигналы трансформируются в изображение поля распределения источников излучения.

Эта аналогия позволяет предложить на втором этапе преобразований запись волнового поля в виде голограммы с последующим восстановлением изображений в оптическом диапазоне частот. С другой стороны, соотношение преобразования Фурье также допускает применение оптических методов обработки, так как оптические линзы достаточно просто выполняют такое преобразование Фурье.

Принимаемые каждым антенным элементом сигналы записываются на фотопленке или на регистрируются в цифровом устройстве, который может использоваться в качестве входного транспаранта оптической системы (или его математической модели при цифровой обработке). В процессе записи в общем случае должны сохраняться все геометрические соотношения в пространстве распространения сигналов, так что процесс восстановления дублирует все особенности поля наблюдаемых источников излучения. Записанный таким способом сигнал в случае аналоговой обработки облучается когерентным светом, и при помощи оптической линзы выполняется преобразование Фурье. В плоскости преобразованных сигналов каждая точка характеризует свой луч антенной решетки, или, что эквивалентно, плоскость преобразованных сигналов является плоскостью изображения распределения источников излучения в дальней зоне, наблюдаемых антенной. При цифровой обработке применяется алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Таким образом, все пространство зоны действия антенной решетки отображается в эквивалентное оптическое пространство. Закономерности отображения аналогичны тем, которые имеются в РЛС с синтезированием апертуры или, в общем случае, в голографических системах, как аналоговых, так и цифровых.

Процесс преобразования принимаемых сигналов в запись на фотопленку может осуществляться различными способами. Например, берутся отсчеты сигналов с выхода каждого из элементов и функция отсчетов в виде развертки с яркостной модуляцией подается на экран ЭЛТ. Дальнейшая запись на фотопленку выполняется так же, как в РЛС с синтезированием апертуры. В некоторых системах применяются методы и средства акустической голографии (раздел 2.4.6.5).

Ультразвуковые камеры представляют собой воспроизводящие устройства, где ультразвуковое изображение, получаемое при помощи линз или методом теневой проекции на пространственном детекторе, преобразуется этим детектором в видимое изображение. Рабочие частоты обычно лежат в области нескольких мегагерц. Устройства подобного типа часто используются для испытаний без разрушения образца, а также в медицинской диагностике.

Действие звуковых локаторов основано на определении времени и направления прихода отраженного импульсного сигнала, для чего служат отдельные элементы либо решетки с механическим или электрическим сканированием, которые могут выполнять функции приемника, передатчика или же того и другого одновременно. Эти системы построены на принципах радиолокационной техники и предназначены для решения сложных задач поиска и наблюдения под водой. В литературе описаны стационарные и передвижные системы воспроизведения изображения на частотах от 10 герц до нескольких мегагерц. Область их применения не ограничивается морскими исследованиями. Звуковые локаторы, в особенности высокочастотные, используются для диагностики и испытаний без разрушения образца.

Голография внесла в область создания акустических изображений новые плодотворные идеи и стимулировала развитие ультразвуковых камер и локаторов. Кратко остановимся на основных принципах голографии с тем, чтобы иметь базу для понимания ее роли в разработке методов формирования акустических изображений, а также для дальнейшего обсуждения.

В оптике хорошо известно, что свет, прошедший через какую-либо апертуру, полностью характеризуется распределением амплитуды и фазы на этой апертуре. Согласно принципу Гюйгенса, описания такого распределения оказывается вполне достаточно для того, чтобы восстановить световую волну в любой точке, находящейся за апертурой. Если предположить, что амплитуда и фаза в плоскости апертуры описываются комплексной функцией в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля, для волны , распространяющейся за апертурой, будем иметь:

Здесь «» обозначает операцию свертки, а — сферическую волну, возникающую в плоскости апертуры.

Таким образом, фаза и амплитуда волны за апертурой будут полностью определены, если известно распределение этих величин для падающей волны в плоскости апертуры.

В акустике, где существуют линейные детекторы типа микрофонов и гидрофонов, не представляет труда определить фазу и амплитуду. В оптике же, где мы располагаем лишь приемниками, чувствительными к интенсивности, приходится прибегать к интерферограммам, т. е. регистрировать картины, возникающие при интерференции исследуемой волны с хорошо известной простой опорной волной (например, с плоской волной). Распределение интенсивности в такой интерференционной картине можно представить:

Если изменить линейный масштаб голограммы в раз, то оба поперечных размера изменятся в то же самое число раз:

,

,

а размер по глубине, в соответствии с хорошо известным соотношением из теории оптического изображения станет равным:

Отсюда вытекает, что для получения неискаженного изображения необходимо выбрать . Для наиболее типичного диапазона ультразвуковых волн по порядку величины составляет несколько порядков. Поэтому размер неискаженной картины оказывается настолько малым, что для создания пригодного изображения приходится прибегать к оптическому увеличению, и тем самым опять сталкиваться с искажением глубины. Отмеченное обстоятельство затрудняет получение сколько-нибудь реального трехмерного оптического восстановления акустических голограмм. Таким образом, следует искать иные причины повышения интереса к технике воспроизведения акустических изображений, обусловленного разработкой методов голографии.

Одна из очевидных причин возрастающей заинтересованности в акустической голографии связана с доступностью когерентных источников. Развитие оптической голографии было задержано более чем на десятилетие из-за отсутствия когерентных источников. В то же время почти все акустические источники, используемые для получения изображений, являются когерентными, и поэтому обычные воспроизводящие устройства нетрудно приспособить для целей голографии. Более того, кроме детекторов, чувствительных к интенсивности, существуют также линейные акустические детекторы, открывающие новые возможности записи голограмм. Они позволяют отделить процессы записи амплитуды и фазы от процесса формирования голограмм, предназначенных для оптического восстановления, и производить их исследование и оптимизацию независимо. Такие идеи, как, например, идея фазовых голограмм, нетрудно реализовать путем разделения информации об амплитуде и фазе на этапе, предшествующем формированию голограммы.

Относительно широкий диапазон доступных длин акустических волн позволяет использовать такие методы выборки информации, как сканирование апертуры, или применять сложные приемные и передающие решетки. Последние разработки, по крайней мере с точки зрения аппаратуры, берут начало из области звуковой локации, где широко практикуется обработка цифровых данных. Следовательно, при развитии этой техники процесс получения голограммы на основе данных о фазе и амплитуде с ее последующим оптическим восстановлением и визуализацией можно рассматривать как аналог процесса оптической обработки данных. Вторичное появление на свет алгоритма БПФ (что по времени соответствовало наибольшей активности в области акустической голографии), наличие быстродействующих вычислительных машин и устройств обработки данных, а также относительно небольшая (по сравнению с оптикой) информация, содержащаяся в акустической голограмме, предоставляют особую и широко обсуждаемую возможность применения цифровых методов для восстановления изображения, открывая тем самым новое направление в технике получения акустических изображений.

Возобновление интереса к технике воспроизведения акустических изображений привлекло множество новых исследователей, усилиями которых были разработаны новые способы преобразования звуковых сигналов. Один из них заслуживает специального упоминания. Он основан на сочетании метода сканирования лазерного луча с методом фазового контраста для сбора информации о фазе и амплитуде звуковой волны на поверхности тела, возбуждаемого звуковым источником. В другом методе воспроизведения изображения для переноса пространственной модуляции с одного волнового поля на другое используется объемное взаимодействие между звуком и светом.

Далее рассмотрены различные голографические устройства воспроизведения изображения, основанные на применении разнообразных методов. В ряде случаев восстановление изображения будет являться неотъемлемой функцией голографической воспроизводящей системы. В других на выходе устройства мы будем иметь акустическую голограмму, которую можно наблюдать на экране телевизора или на каком-либо ином графическом выходном устройстве. В последнем случае восстановление изображения может быть осуществлено в результате получения фотографического транспаранта из голографической системы и воспроизведения с его помощью оптического изображения обычным путем. Подобная операция связана, однако, с большой задержкой во времени, которая может оказаться нежелательной даже в случае стационарных изображений и полностью исключает возможность воспроизведения в реальном масштабе времени. Возможность работы в реальном масштабе времени путем быстрого сканирования обеспечивается электрооптическими устройствами обработки голограмм (они будут обсуждены в одном из следующих разделов), а также путем численного синтеза изображения на основе зафиксированных в электронных запоминающих устройствах голографических данных.

Пространственные детекторы, чувствительные к интенсивности

Первыми в литературе были описаны акустические голограммы, полученные с помощью пространственных детекторов, чувствительных к интенсивности (приемников интенсивности). Эти голограммы по аналогии с оптическими голограммами формируются звуковой волной, проходящей через объект или отраженной от него, и опорной звуковой волной, которые одновременно воздействуют на пространственный детектор интенсивности. Возникающая картина интерференции двух пучков записывается в виде акустической голограммы. В ряде случаев с целью последующего восстановления изображения изготовляются оптические транспаранты. В других случаях модулятором светового пучка служит сама акустическая голограмма. Все пространственные детекторы интенсивности, пригодные для получения обычных акустических изображений, в принципе, годятся и для голографии. Детекторы такого типа приведены в табл. 1, где указаны также их чувствительность и время отклика.

Табл. 1: Типичные пространственные детекторы, чувствительные к интенсивности.

Метод Чувствительность (экспериментальные значения), Вт ⁄ см² Постоянная времени, s Частота (экспериментальная), МГц
Фотопластинка в кювете с проявителем -
Термочувствительный краситель -
Жидкие кристаллы холестерина -
Деформация поверхности жидкости


Среди приведенных детекторов наибольшее распространение получили детекторы в виде поверхности раздела между жидкостью и газом, которые могут быть непосредственно использованы в качестве модулятора света и позволяют избежать процессы промежуточной обработки. Ниже будут подробно рассмотрены три разновидности такой системы, ибо ее эволюция является поучительным примером того, как голография открывает новые возможности в уже сложившихся методах прямого воспроизведения изображений. Эти разновидности включают:

  • безлинзовую голографию,
  • голографию сфокусированного изображения,
  • воспроизведение изображения с помощью независимой от времени пространственной несущей.

Звуковая волна, падающая на отражающую поверхность, создает на ней так называемое давление звукового излучения. Это давление пропорционально интенсивности падающей волны. Под действием давления излучения поверхность деформируется до тех пор, пока силы тяжести и поверхностного натяжения вновь не приведут к установлению равновесия. Величина деформации , измеряемая вдоль нормали к невозмущенной (плоской) поверхности, связана с интенсивностью падающей волны следующим соотношением:

,

где «» - операция свертки,
интенсивность звука,
импульсный отклик поверхности жидкости.

Выполнив БПФ, можно упростить выражение, придав ему вид:

где пространственная частота,
некоторая длина, зависящая от поверхностного натяжения и плотности жидкости.

Преобразование Фурье импульсного отклика представляет модуляционную передаточную функцию (МПФ) поверхности жидкости.

Для границы "воздух — вода" примерно равно 2 мм.

В воспроизводящих и голографических системах с детектором в виде поверхности жидкости при отражении от деформированной поверхности свет подвергается пространственной фазовой модуляции, перенося таким образом информацию об объекте. Для того чтобы получить оптическое изображение, эта фазовая модуляция преобразуется в амплитудную с помощью оптического Шлирен-метода или метода фазового контраста. Их применение в устройствах для непосредственного воспроизведения вызывает трудности, так как большинство оптических Шлирен-методов дает очень плохое воспроизведение грубых деталей, обычно встречающихся в акустических изображениях. Существует, однако, метод, который, в общем, очень хорошо подходит для голографической регистрации, так как с его помощью информация переносится на высокочастотную пространственную несущую.

Рис. 2. Быстрая электронная выборка фазоконтрастного изображения акустической деформации поверхности c помощью диссекторной трубки.

Это позволяет воспроизводить как саму голограмму, так и восстановленное по ней изображение в зависимости от того, в каком месте оптической системы располагpается фотокатод принимающей трубки (ПЗС) в современных устройствах. Схема такой системы приведена на рисунке 2.

Рассмотрим, как происходит процесс получения голограммы в описанной системе. Изображение освещенной поверхности, на которой осуществляется акустооптическое взаимодействие, проектируется на фотокатод диссектора, куда одновременно падает плоская опорная оптическая волна с частотой модуляции (), отличной от частоты звука (). Полная интенсивность света на фотокатоде, таким образом, равна:

Написанное выражение содержит член, осциллирующий с разностной частотой. Эту составляющую можно выделить из сигнала на выходе диссектора при помощи соответствующего фильтра. Она пропорциональна рельефу и может быть воспроизведена обычными способами на экране телевизионного индикатора, как голограмма с несущей частотой.

Для того чтобы осуществить восстановление изображения, система должна быть сфокусирована на плоскость, расположенную на некотором расстоянии от поверхности акустооптического взаимодействия. Изображение этой гипотетической плоскости на фотокатоде смешивается с частотно-модулированной опорной оптической волной. Нетрудно показать, что в этом случае член с разностной частотой будет соответствовать изображению облучаемого объекта. Этот сигнал можно отфильтровать, продетектировать и затем непосредственно воспроизвести на индикаторе. В описанном методе восстановления сопряженное изображение оказывается связанным с суммарной частотой, а компоненты, не входящие в состав изображения, не зависят от частоты. Отсюда следует, какими мощными средствами могут оказаться оптическое гетеродинирование и временная фильтрация в тех случаях, когда возможно линейное детектирование. К тому же требования, предъявляемые к частотной характеристике устройства для обработки информации в высокочастотных системах воспроизведения акустических изображений, определяются лишь разностной частотой, которую можно подобрать должным образом.

См. также