2. Загальна характеристика атмосферних оптичних перешкод

При розповсюдженні світла в атмосфері спотворення відбуваються внаслідок малих флуктуацій показника заломлення повітря. Для хвиль оптичного діапазону головну роль в варіаціях показника заломлення виконують малі варіації температури (0.1... 1С), викликані в свою чергу турбулентним перемішуванням повітря, вітром і конвекцією.

Турбулентність є випадковим процесом, тому описується статистично. Найбільш відомою є модель турбулентності А. Н. Колмогорова.

Структурна функція для атмосферної турбулентності підкоряється закону Колмогорова — Обухова:

D_n (r) = C_n² r^2/3,

де r – радіус-вектор точки в просторі.

Постійна C_n² називається структурною сталою флуктуації показника заломлення і характеризує «силу» турбулентності. Ця стала залежить від метеоумов і визначається експериментально. Для тропосфери (приземного шару) C_n² змінюється від 510^-14 до 10^-17 м ^-2/3.

Таким чином, одним з джерел спотворень є атмосферна турбулентність. Але не тільки.

Розробники сучасних систем зустрілись із новим явищем — впливом світла на показник заломлення повітря. В сильному світловому полі відбувається нагрівання повітряного каналу розповсюдження за рахунок молекулярного поглинання світла повітрям і утворюється немовби розсіювальна повітряна лінза.

Такий самовплив світла призводить, зокрема, до ефекту зменшення потужності сигналу на віддаленому приймачеві при збільшенні потужності джерела. Природно, при цьому потужність джерела повинна бути достатньою, щоб частка поглиненого світла призводила до помітної (0.1... 1С) зміни температури повітряного каналу.

Тепловий самовплив діє на світловий пучок значно сильніше, ніж турбулентність тому, що для турбулентності варіації температури і показника заломлення приймають як позитивні, так і негативні значення - відбувається часткова взаємна компенсація. Тепловий самовплив призводить тільки до нагріву, і зміни показника заломлення дадуть ефект, який накопичується.

На відміну від радіосигналу, оптичний сигнал має просторову структуру А()е^іS(), де А(),S() - відповідно амплітуда і фаза сигналу, що залежать від радіуса-вектора = {х, у} у поперечному перерізі пучка. У загальному випадку амплітуда і фаза залежать від часу, однак явною залежністю сигналу від частоти випромінювання, як правило, можна знехтувати, оскільки оптичні приймачі реагують тільки на інтенсивність (квадрат амплітуди сигналу, що надійшов) і не встигають відстежувати оптичну частоту. В свою чергу, інтенсивність на приймачеві залежить від фази, бо різні промені пучка складаються (інтерферують) один з одним з урахуванням фази. Якщо два однакових променя приходять в точку у протифазі, то інтенсивність в даній точці стає рівною нулеві, якщо ж в фазі, то збільшується. Тому фазою нехтувати не можна.

3. Методи та засоби кореляційної обробки зображень

Для кореляційного аналізу метою є отримання рельєфу кореляційної функції С(х, у, t) та визначення її параметрів. Вхідними даними є поточне зображення (ПЗ) F(х, у, t) та еталонне зображення (ЕЗ) G(х, у). Вони є двовимірними функціями в системі координат х, у.

При відповідних обмеженнях ПЗ F(х, у, t) у кожен момент часу можна подати сукупністю рівновіддалених відліків f_ij на дискретному полі розміром (2N+1)×(2М+1). ЕЗ G(х, у) можна подати сукупністю відліків g_ij на дискретному полі розміром (2n+1)×(2m+1), де n<N, m<М.

Кожному дискретові поля (пікселю) ставиться у відповідність пара чисел (і, j), які інтерпретуються як цілочисельні координати даного дискрету і – х, j – у. Таким чином, для поля ПЗ -N<і<N, -М<j<М, а для поля ЕЗ характерно -n<і<n, -m<j<m.

Центровані стовпець і рядок полів ПЗ і ЕЗ є осьовими і мають нульові номери. Іншими словами, поля ПЗ і ЕЗ є прямокутними матрицями , .

Тоді взаємно-кореляційна функція (ВКФ) ПЗ і ЕЗ буде прямокутною матрицею розміром (2(N+n)+1)×(2(М+m)+1), елементи якої визначаються таким чином:

,

причому неіснуючі елементи матриць , приймають нульові значення.

Отже, кожен відлік (k, l) ВКФ визначається шляхом по елементного множення (кон’юнкції для двоградаційних зображень) матриці ЕЗ на матрицю ПЗ, одна з яких зсунута на вектор , та наступного визначення суми елементів отриманої матриці.

Білет 7

1. Лазеры на красителях.

Эти лазеры генерируют электромагнитное излучение в спектральном диапазоне от 0,32 до 1,28 мкм, а для создания инверсной заселенности в активной среде почти исключительно используется оптическая накачка. По продолжительности работы и виду возбуждения различают:

непрерывные лазеры, лазеры на красителях с ламповой накачкой, наносекундные лазеры на красителях. Лазеры на красителях перестраиваются в широких пределах и допускают регулировку параметров излучения (интенсивность, длительность излучения).

Активные среды. В лазерах на красителях вынужденное излучение возникает на флуоресцентном переходе молекул красителя. Эти органические молекулы принадлежат различным химическим классам (например, кумарин, ксантеновые красители, оксазиновые красители, полиметин) или к органическим сцинтилляторам. В качестве активной среды применяются следующие красители:

жидкий в форме раствора красителей, твердый, встроенный в основную кристаллическую решетку, газообразный в виде пара красителя.

Накачка. Создание инверсии заселенностей происходит путем переброса на колебательно-возбужденные уровни электронно-возбужденных состояний с помощью оптической накачки. Заселение колебательных уровней определяется распределением Больцмана. Поэтому испускание вынужденного излучения происходит в форме сильно однородно уширенной линии. Возбуждение посредством оптической накачки происходит с помощью мощных источников света накачки различных типов, и благодаря этому различаются отдельные типы лазеров на красителях. Свойства излучения: в основном определяются большой однородной шириной линии лазера. Это позволяет осуществить: спектральную «конденсацию», т. е. преобразовать всю накопленную энергию излучения лазера на красителе в энергию излучения, сосредоточенную в узком диапазоне частот; перестройку по частоте; спектральное сужение на основе сильных процессов конкуренции между модами.

Лазеры на свободных електронах. У лазеров на свободных электронах активной средой является электронный пучок высокой энергии. Реализация ЛСЭ требует дополнительных полей. В качестве таких полей служат: статические, периодически изменяющиеся в пространстве магнитные поля (ондуляторы, рис. 2.104), которые модулируют траектории действия;

Рис. 2.104. Магнитный ондулятор, в котором поле образуется с помощью последовательности меняющихся магнитных диполей (S — южный полюс; N — северный полюс)

электронов и обусловливают, таким образом, излучение фотонов (магнитное тормозное излучение); большинство реализованных до сих пор ЛСЭ основаны на этом принципе

Увеличение числа периодов ондулятора вызывает уменьшение ширины линии, увеличение усиления, уменьшение достигаемого КПД. (выход: применение накопительных колец, в которых электроны после прохождения через ондулятор снова ускоряются для компенсации потерь на излучение, или применение замедляющих структур).

Большой интерес к ЛСЭ обоснованно связан с потенциальными возможностями, которые открывают лазеры: диапазон перестройки 50 нм <λ_L<1 мм, импульсная мощность свыше 1 МВт, общий КПД более 10%. Недостаток ЛСЭ: высокие экспериментальные затраты (особенно на источник релятивистских электронов). В качестве источников электронов применяются линейные ускорители, накопительные кольца, микротроны (наиболее просто реализуемые) .

Преимущественные диапазоны длин волн: ИК-диапазон, субмиллиметровый, УФ- и рентгеновский диапазоны (в видимом диапазоне существуют лазеры на красителях). Особых затрат требует генерация более коротких длин волн, для которой необходимы большие скорости электронов и (или) короткие периоды ондулятора.

Рекомбинационный лазер или плазменные лазеры имеют значение как: лазеры в видимой и в ближней ИК-областях спектра, которые отличаются относительной простотой, высоким сроком службы и высоким КПД (до 10%);

лазеры, генерирующие в коротковолновой и вплоть до рентгеновской областях.

Активная среда. Активной средой является плазма, образуемая с помощью электрического разряда, плазма искры, образуемой лазерным излучением (преимущественно при генерации коротковолнового излучения). Механизм накачки. Это электронно-ионная рекомбинация в переохлажденной плазме, в связи с чем характеристическое время подвода энергии может быть существенно больше, чем время жизни верхнего лазерного уровня

Принцип действия (рис. 2.106). Требуемые для усиления параметры плазмы получаются в двухступенчатых процессах: образуются атомы элемента Е в ионизированном состоянии Е^(z+1). Плазма расширяется (в вакуум или буферный газ), причем охлаждаются прежде всего горячие электроны. Благодаря этому возрастает скорость электронно-ионной столкновительной рекомбинации. Возникает инверсия заселенностей между такими уровнями, у которых опустошение нижнего уровня, например, за счет спонтанного излучения происходит быстрее по сравнению с уменьшением заселенности верхнего уровня. Основная трудность. Это реализация подобных условий в плазме (плотность, температура), при которых образуется инверсия заселенностей энергетических уровней. Эти условия реализовать тем труднее, чем короче требуемая длина волны.

а — формирование плазмы; б — расширение плазмы (уменьшение Ng); в — распад; 1 — ионизация; 2 — ударная рекомбинация; 3 —излучательная рекомбигация