Определение геометрических параметров поверхности удаленного лоцируемого объекта по совокупности характеристик поля рассеяннорго лазерного излучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Косыгин, Андрей Александрович

• Косыгин, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Косыгин, Андрей Александрович

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.,.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЗАДАЧА РЕКОНСТРУКЦИИ КОНТУРА УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА

И СПОСОБЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

2. МЕТОДЫ РЕКОНСТРУКЦИИ КОНТУРА УДАЛЕННОГО ОБЪЕКТА, ОСНОВАННЫЕ НА АНАЛИЗЕ МНОЖЕСТВА ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ ПОЛЯ РАССЕЯННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1.Информативность совокупности оценок параметров КФ 2-го порядка поля лазерного излучения, рассеянного поверхностью объекта.

2.2.Получение оценок геометрических параметров контура поверхности лоцируемого объекта и определение его ориентации в СК наблюдения

2.2.1. Связь параметров КФ 2-го и 4-го порядков поля излучения, рассеянного объектом, с геометрическими характеристиками его поверхности.

2.2.2. Определение габаритных угловых размеров контура поверхности лоцируемого объекта и построение его модели.

2.2.3. Определение ориентации удаленного объекта с известной формой поверхности относительно СК наблюдения.

2.3.Проблема получения оценок фазовой характеристики КФ 2-го порядка и пути ее преодоления

2.3.1. Применение КФ высших порядков поля излучения для оценки фазовой характеристики КФ 2-го порядка.

2.3.2. Получение оценок отсчетов КФ 4-го и 6-го порядков поля излучения методом , пространственной свертки отсчетов интенсивностей.

2.3.3. Получение оценок фазовой характеристики КФ 2-го порядка поля излучения методом пространственной свертки отсчетов интенсивностей.

2.3.4. Применение оценок фазовой характеристики КФ 2-го порядка для визуализации контура поверхности лоцируемого объекта.

2.4.Дальность действия J1J1C, обеспечивающей получение оценок геометрических параметров поверхности лоцируемого объекта.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ 4-ГО И 6-ГО ПОРЯДКОВ ПОЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЛОЦИРУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ 3.1.Погрешности оценок отсчетов КФ 4-го порядка поля излучения, получаемых методами одномерной и двумерной пространственных сверток отсчетов поля интенсивностей.

3.2.Получение оценок отсчетов фазовой характеристики комплексной КФ 2-го порядка поля излучения.

3.3.Визуализация физических моделей лоцируемых объектов по экспериментально полученным реализациям /(г).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение геометрических параметров поверхности удаленного лоцируемого объекта по совокупности характеристик поля рассеяннорго лазерного излучения»

В настоящее время активно развиваются системы автоматической классификации объектов, в которых осуществляется анализ их изображений [1 - 9]. В этой области широко известны работы Бакута П.А., Кухарева Г.А., Мосягина Г.М., Шумилова Ю.П., Bolts G.P., Goodman J. , Lohmann A.W. [10, 11]. Однако, при наблюдении удаленных объектов угловое разрешение оптической системы часто оказывается недостаточным для получения изображения объекта, позволяющего определить его тип с требуемой вероятностью. Кроме того, результирующая разрешающая способность системы регистрации изображения ограничена из-за существенного влияния среды распространения излучения на параметры регистрируемого изображения. Как следствие, расстояние, на котором может быть обеспечена требуемая вероятность правильного определения типа объекта, оказывается невелико.

Известно, что оценки параметров поверхности объектов, не разрешаемых оптическими средствами наблюдения, могут быть получены в результате анализа характеристик поля рассеянного излучения. Так, метод корреляции интенсивностей, предложенный Хэнбери Брауном и Твиссом [12], позволяет получать высокоточные оценки углового размера объекта даже при наличии флуктуаций показателя преломления среды распространения излучения. Основной недостаток этого метода -необходимость регистрации параметров поля излучения в течение длительного интервала времени — можно преодолеть, используя метод пространственной свертки зарегистрированных отсчетов поля! интенсивностей [13]. К сожалению, и в этом случае не удается получить информацию о контуре поверхности объекта.

При облучении' объекта лазерным излучением.контур его поверхности может быть реконструирован, если известна комплексная корреляционная функция (КФ) 2-го порядка поля рассеянного лазерного излучения [6 - 8].

Решение задачи определения фазовой характеристики КФ 2-го порядка затруднено, так как проведение прямых измерений фазы комплексной амплитуды поля в оптическом диапазоне длин волн невозможно, а известные методы оценки фазовой характеристики КФ 2-го порядка поля излучения, рассеянного удаленным объектом, не могут быть использованы ввиду присущих им ограничений [7, 8]. Решение данной задачи позволит не только» увеличить точность получаемых оценок геометрических параметров поверхностей лоцируемых объектов, но и сделает возможным визуализацию этих поверхностей, резуль-таты которой' могут быть использованы в системе для формирования век-торов признаков и последующей автоматической классификации объектов.

Таким образом, в настоящее время актуальной является задача получения оценок геометрических параметров поверхностей удаленных объектов, не разрешаемых оптическими средствами наблюдения (или, по крайней мере, параметров контуров этих поверхностей). Получаемая информация может быть использована для определения типа объекта и его ориентации относительно системы наблюдения.

Цель работы и задачи исследований

Цель работы - разработка методов определения геометрических параметров поверхности удаленного объекта, не разрешаемого оптическими средствами наблюдения.

Объектом исследования в диссертации являются параметры поля лазерного излучения, рассеянного поверхностью объекта.

Предмет исследования - методы, обеспечивающие получение оценок геометрических параметров контура поверхности лоцируемого объекта.

Задачи исследования:

1. Оценка возможности применения различных методов получения информации о геометрических параметрах контура поверхности удаленного лоцируемого объекта в импульсной лазерной локации;

2. Определение возможности получения оценок геометрических параметров контура поверхности лоцируемого объекта в результате анализа характеристик КФ 4-го порядка поля рассеянного лазерного излучения;

3. Разработка методики оценки фазовой характеристики КФ 2-го порядка поля рассеянного лазерного излучения, необходимой для визуализации поверхности удаленного лоцируемого объекта;

4. Исследование возможности получения оценок угловых размеров лоцируемого объекта в условиях малой интенсивности регистрируемого излучения.

Методы исследований

При решении поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования, аппарат корреляционных функций и методы математической статистики.

Научная новизна исследований

1. Показано, что в случае, когда условия наблюдения не позволяют получить оценку фазовой характеристики КФ 2-го порядка поля рассеянного лазерного излучения, может быть построена модель контура поверхности удаленного объекта и определены его габаритные размеры;

2. Показано, что фазовая характеристика КФ 2-го порядка поля излучения может быть оценена в результате совместного анализа КФ 4-го и 6-го порядков этого поля, рассчитанных методом-пространственной свертки отсчетов поля интенсивностей;

3. Предложены и апробированы методы обработки совокупности оценок параметров КФ 4-го порядка поля рассеянного лазерного излучения, полученных в условиях малой интенсивности регистрируемого излучения.

Практическая ценность работы

1. Создан алгоритм определения параметров модели контура поверхности удаленного объекта, не разрешаемого оптическими, средствами наблюдения, по совокупности оценок КФ 4-го порядка поля рассеянного излучения;

2. Создан алгоритм, обеспечивающий получение параметров ориентации относительно локационной системы удаленного объекта с известной формой поверхности на основании анализа параметров КФ 4-го порядка поля излучения, рассеянного этим объектом;

3. Показано, что состоятельная оценка углового размера удаленного лоцируемого объекта может быть получена в условиях регистрации излучения малой интенсивности, причем дальность действия такой локационной системы может составлять более 106м.

Реализация и внедрение результатов

Результаты работы использованы в НИР ГР №01200701614 и ГР №01200501461, выполненных НИИ Радиоэлектроники и лазерной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2004 - 2006 гг., и в учебном процессе кафедры «Радиоэлектронные системы и устройства» МГТУ им. Н.Э. Баумана в курсе «Распознавание образов в информационных системах», что подтверждено соответствующими актами.

Публикации

Результаты работы опубликованы в двух статьях в журналах, входящих в Перечень ВАК, а также изложены в двух отчетах о НИР.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены на международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение» (ИПУ РАН, Москва, 2008 г.) и двух всероссийских научных конференциях (МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2002, 2004 гг.).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка литературы, содержащего 99 библиографических описаний цитируемых источников. Она изложена на 113 страницах, включает 36 рисунков.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Косыгин, Андрей Александрович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Габаритные угловые размеры удаленного объекта и параметры модели контура его поверхности могут быть определены при отсутствии-информации о фазовой характеристике КФ 2-го порядка поля рассеянного лазерного излучения. В этом случае также может быть оценена ориентация объекта с известной формой поверхности относительно системы координат наблюдения.

2. Фазовая характеристика КФ 2-го порядка поля рассеянного лазерного излучения может быть оценена в результате совместного анализа КФ 4-го и 6-го порядков этого поля.

3. Отсчеты КФ 4-го и 6-го порядка поля рассеянного лазерного излучения могут быть получены методом двумерной пространственной свертки зарегистрированных отсчетов интенсивностей этого поля.

4. Анализ совокупности оценок отсчетов комплексной КФ 2-го порядка позволяет визуализировать поверхность удаленного лоцируемого объекта, не разрешаемого оптическими средствами наблюдения, и определить ее геометрические параметры с погрешностью не более 5%.

5. Оценка угловых размеров объекта может быть получена в условиях, когда среднее число фотоотсчетов, регистрируемых одним фотодетектором в пределах интервала наблюдения, составляет 0,1.0,5.

6. Результаты экспериментальных исследований по получению оценок фазовой характеристики КФ 2-го порядка и последующей визуализации поверхности физической модели лоцируемого объекта подтверждают, работоспособность предложенного алгоритма построения оценки /п(гп).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Косыгин, Андрей Александрович, 2008 год

1. Liu D.L., Waag R.C. About the application of the Van Cittert-Zernike theorem in ultrasonic imaging // IEEE transactions on ultrasonic, ferroelectronics and frequency control. 1995. - V. 42, № 4. - P. 590 - 601.

2. Johnson R.B., Driggers R.G. Encyclopedia of Optical Engineering.- New York: Marcel Dekker Inc., 2004. 2300 p.

3. Image reconstruction using the bispectrum and tapering pre-distortions of image rows / A.V. Totsky, J.T. Astola, K.O. Egiazarian, oth. // Зарубежная радиоэлектроника. 2004. - V. 2, № 7. - P. 5.1 — 57.

4. Holmes R.B., Belen'kii M.S. Investigation of the Cauchy-Riemann equations for one-dimensional image recovery in intensity interferometry // J. Opt. Soc. Am. 2004. - V. 21, № 5. - P. 697 - 706.

5. Вильданов P.P., Исматов M.C., Кадыров Н.З. Восстановление изображений методом тройной корреляции фотоотсчетов // Оптика и спектроскопия. 1995. - Т. 79, № 5. - С. 864 - 867.

6. Бейтс Р., Мак-Доннелл М. Восстановление и реконструкция изображений. М.: Мир, 1989. - 336 с.

7. Обратные задачи в оптике / Г.П. Болте, Дж. Гейст, А. Уолтер и др.- М.: Машиностроение, 1984. 200 с.

8. Гудман Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988. - 528 с.

9. Бессонов А.А., Загашвили Ю.В., Маркелов А.С. Методы и средства идентификации динамических объектов. Л.: Энергоатомиздат, 1989. -384 с.

10. Теория когерентных изображений / П.А. Бакут, В.И. Мандросов, И.Н. Матвеев и др.; Под ред. Н.Д. Устинова. М.: Радио и связь, 1987.- 264 с.

11. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. М.: Машиностроение, 1990. - 432 с.

12. Goodman J. Laser Specie and Related Phenomena / Ed. J.C. Dainty. -Berlin: Shpringer- Verlag, 1985.-286 p.

13. Бурый E.B., Митрофанов A.JI. Оценка функции когерентности 4-го порядка методом пространственной свертки и перспективы ее применения в лазерных информационных системах // Квантовая электроника. 1996. - Т. 23, № 5. - С. 460 - 464.

14. Лебедько Е.Г., Порфирьев JI.P., Хайтун Ф.И. Теория и расчет импульсных и цифровых оптико-электронных систем.

15. Ли Машиностроение, 1984. 191 с.

16. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981.-416с.

17. Сигналы и помехи в лазерной локации / В.М. Орлов, И.В. Самохвалов, Г.М. Креков и др.; Под ред. В.Е. Зуева. — М.: Радио и связь', 1985.- 264 с.

18. Анализ качества изображения диффузных объектов / Н.Д. Устинов, П.А. Бакут, В.И. Мандросов и др. // Квантовая электроника. 1978. -Т. 5, №6.-С. 1257-1262.

19. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. - Т. 2. Многократное рассеяние, турбулентность, шероховатые поверхности и дистанционное зондирование. - 317 с.

20. Лазерное излучение в турбулентной атмосфере / А.С. Гурвич, А.И. Кон, В.Л. Миронов и др. М.: Наука, 1976. - 277 с.

21. Миронов В.Л. Распространение лазерного излучения в турбулентной! атмосфере. Новосибирск: Наука, 1981. - 246 с.

22. Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. -М.: Наука, 1967.-548 с.

23. Распространение лазерного пучка в атмосфере: Сб. статей / Под ред. Д. Стробена. — М.: Мир, 1981.-414 с.23