Экспериментальные исследования переноса оптического изображения в дисперсных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Государственный комитет Й> по высшему образованию

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГ6 од

- 7 '"ПИ

) «¡¡ин

На правах рукописи УДК 551.521.3:535.36

Борисов Борис Дмитриевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕНОСА ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СРЕДАХ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-ыатеыатических наук

Тонек - 1993.

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН.

Научные руководители: член-корреспондент РАН, профессор Кабанов М.В. доктор физико-ыатеыатических наук 'Белов В.В.

Официальные оппоненты-- доктор физико-математических наук.

профессор Задде Г.О.

кандидат физико-ыатеыатических наук

Калошин Г.А.

Ведущая организация- Сибирский физико-технический институт «

Защита диссертации состоится "24 " УнОиРу 1993 г. в /V часов на заседании специализированного Совета К.063.53.03 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Томской государственном университзте ш. В.В.Куйбышева (634010. Тонек, пр. Ленина. 36. главный корпус, ауд. 2./)

С диссертацией иожно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного университета.

Автореферат разослан " ^МлЯ 19эз г.

Ученый секретарь специализированного Совета к.ф.-м.н.. доцент

• ^¿¿'це^ Дейкова Г.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Практическая деятельность человека охватывает обширные регионы с различными природно-климатическими условиями и часто протекает в слоеных оптико-метеорологических ситуациях в атмосфере на различных высотах или лод водой. Общую проблему, объединяющую и характеризующею многочисленные вопросы наблюдения через рассеивающие среды, принято называть проблемой видения.

В практике наблюдений, например, в атмосфере в негоризонтальнон направлении. нередко реализуются случаи визирования через рассеивавшие образования локализованные в пространстве. Несмотря на большое число работ по проблеме видения), в научной литературе отсутствовали систематические экспериментальные исследования основных (для оценки качества изображения систем видения) характеристик при наблюдении объектов через слоисто-неоднородную дисперсную среду.

Актуальность темы обусловлена важностью исследования, как качественных закономерностей, так и необходимостью получения количественных результатов. связывающих оптико-геометрические параметры схемы наблюдения (расстояние тонкого дисперсного слоя до объекта. геометрическую толщину этого слоя и др. ) и оптико-микрофизические характеристики (оптическую толщину, размер частиц), с качеством оптического изображения.

Состояние вопроса. Проблема видения охватывает широкий круг задач, продиктованных насущными потребностями практики наблюдения в. рассеивающих средах, интересами фундаментальных исследований общей теории переноса излучения в мутных средах. Интерес к дачной проблеме подтверждают интенсивные исследования последних десятилетий в различных научных центрах страны и за ее пределами.

Современный подход к проблеме видения удаленных объектов через слой мутной среды заключается в сочетании теории переноса излучения и теории линейных систем. Формирование такого подхода уходит корнями в широко используемое в общей теории связи,' теории информации и связанных с ними разделов науки, теории передачи сигналов линейными система.™. Использование аппарата теории линейных систем для описания прохождения оптического излучения в мутной среде дает возможность выделить, например, Атмосферу как отдельный элемент системы объект-атмосфера-анализатор изображения.

Обоснование линейности рассеивающей среды, как элемента системы видения, при многократном рассеянии ССыирнов В.А.) и

однократном (Кабаноз M.B. ), получило уточнение на основе ракураюй инвариантности (Долин Л.С.. Савельев В.А) и дальнейшее развитие в работах Зеге Э.П.. КацеЕа И.Л., Валентюка А.Н.

Теоретические исследования по проблеме видения, использующие приближенные и численные методы решения уравнения переноса излучения, достаточно обширны. Наибольшее число результатов по переносу изобразения через однородные и слоисто-неоднородные детерыенированные и стохастические рассеивающие среды в активных и пассивных системах видения получено в малоугловоы приближении и его модификациях, позволяющих создавать простые инженерные методики оценки таких систем (Браво-Животовский Д.М.. Долин Л.С.. Дучинин А.Г.. Савельев В.А.. Левин Ü.M.. Зеге Э.П.. Кацев И.Л.. Дрофа A.C.. Валентюк А.Н.. Савенков В.И. и др. ).

Среди численных методов, дающих возможность исследовать передаточные свойства атмосферы, можно выделить метод итераций ССушкевич Т.А.. Мишин И.В.) и метод разлоаения по сферическим функциям ССыоктий О.И. ). Асимптотически точным методом решения уравнения переноса излучения, позволяющим проводить моделирование с произвольными оптическими параметрами среды и схемами наблюдения, является метод Монте-Карло (Михайлов Г.А.. Карпш Б.А.. Креков Г.М.. Белов В.В.. Золотухин В.Г. и др.X

Лабораторные и натурные эксперименты (Иванов А.П.. Соколов O.k., Ганич П.Я., Николаев В.П: и др.) для пространственно ограниченных источников во многом позволили .выяснить общую картину световых полей и искаженния изображений в однородных мутных средах. Экспериментальное моделирование переноса изображения через неоднородную по .трассе рассеивающую среду (Генин В.Н., Кабанов М.В.) и более поздние исследования (Бабак Э.В. и др.. Будак В.П. и др. 3 показали, что контраст самосветящегося объекта с перемещением мутного слоя меняется немонотонно.

Общий анализ состояния проблемы выявил необходимость в проведении дальнейших исследований для уточнения и дополнения некоторых положений теоретических выводов.

Цепью диссертационной работы является экспериментальное исследование фундаментальных характеристик и закономерностей формирования оптического изображения при наблюдении самосветящихся 'объектов через- слоисто-неоднородную контролируемую дисперсную среду на основе лабораторного моделирования. Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Впервые выполнены в лабораторных условиях детальные

исследования фундаментальных характеристик систем видения и их производных в зависимости от оптико-геометрических параметров схем наблюдения и оптических характеристик рассеивающего слоя; проведен сравнительный анализ этих закономерностей, найденных методами лабораторного моделирования и расчета?,® методом Монте-Карло.

2. На основе сравнительного анализа экспериментальных исследований и расчетов методом Монте-Карло оценены границы применимости приближенной методики измерения ФРГ.

3. Вперзь'о экспериментально установлен эффект экстремального искааения тонкой пространственной структуры самосветящихся объектов при наблюдении через локальный дисперсный слой.

А. Найдены аппроксимирующие формулы ФРГ для широкого диапазона оптических тслвдш и размеров частиц.

5. Впервые экспериментально исследованы закономерности изменения ФРГ дымового аэрозоля с изменением оптической толщины последнего.

5. Оценена возможность синтеза изображения с помощью экспериментальных ФРГ и аппаратурной коррекции качества изобрааения самосветящегося объекта при наблюдении через оптически толстые рассеивающие слои.

Научное и практическое значение результатов работы состоит в том. что на основе экспериментальных исследований в контролируемых условиях изучены качественные и количественные закономерности формирования и динамической изменчивости фундаментальных характеристик систем видения в слоисто-неоднородных рассеивающих средах, составляющих основу для разработки методов и средств оперативного анализа и синтеза изображений в реальной рассеивающей среде, как точечных так и протяженных объектов.

Достоверность результатов работы обеспечивалась: многократностью, повторения измерений с. применением различных методик и аппаратурных средств; контролем случайных погрешностей в процессе' проведения экспериментов; измерением переменных параметров• передаточных характеристик фотометрической системы непосредственно в эксперимененте; общей погрешностью измерений, с учетом большинства дестабилизирующих факторов и в зависимости .от условий проведения экспериментов, колебавшейся в максимальных пределах от № до 27*; качественным и количественным сравнением результатов экспериментов с математическим моделированием методом Монте-Карло.

Предметом защиты являются•следующие основные положения:

1. Установлено. что использование методики углового сканирования в экспериментальных исследованиях ФРТ систем видения, наиболее приемлемо при локализации дисперсного слоя вблизи объекта наблюдения, причем нарушение данного условия приводит к резкому увеличению погрешности измерения ФРТ Сдо 100« и более). Предложен новый метод определения ФРГ. позволяющий расширить область применимости данной методики.

2. На основе моделирования в лабораторных условиях и измерений с помощью разработанного автоматизированного комплекса аппаратуры, исследованы основные закономерности пространственных распределений освещенности в плоскости изображения системы видения, .создаваемой точечным или линейным диффузно светящимися объектами, в зависимости от локализации и оптических параметров дисперсной среды. Установлено, что ФРТ систем видения при наблюдении через слои оптическими толщинами г<т<а. с погрешностью

для широкого интервала размеров частиц можно аппроксимировать формулами ЬСх; т5=ЬСО;т5 С АехрС -ак4>0 +ВехрС-ак2хЗ 3 . Радиус переходного участка ФРТ при наблюдении через' протяженный слой дымового аэрозоля в области о. 1б<г<г.94 аппроксимируется зависимостью я=89.1ехрС-о.23т:>, а яркость рассеянного света на крыле, как .функция пространственной координаты; спадает по экспоненте.

3. Эффект экстремального искажения изображения самосветящегося объекта (*•-эффект) или эффект подавления контраста высокочастотных пространственных составляющих протяженного самосветящегося объекта при наблюдении через локальный рассеивающий слой..

4. Экспериментально показано, что интегральная характеристика

кС0;тЭ=)7С<ю;тЭ-^Сх.у;тЭахау ИЛИ ПОЛНЫЙ бОКОВОЙ ПОДСВвТ. К ЭК

—ш

функция т, с ростом последнего изменяется немонотонно и имеет максимум при тав для сред типа облачных (раствор молока), а для -.'['ел моделирующих дьыку (раствор канифоли, диспергированный в воде) в области гм.5.

Использование результатов работы. Полученные в работе результаты исследований могут быть использованы: для оценок и прогнозирования условий работы оптико-электронных систем навигации. пеленгации и наведения в слоисто-неоднородной рассеивающей атмосфере: для интерпретации данных дистанционного зондирования подстилающей поверхности и разработки оптических

методов экологического контроля атмосферы и других рассеивающих сред; для моделирования условий видения в атмосфере и водных средах. Результаты исследований использовались при выполнении региональных и госбюджетных программ СО РАН. Большая часть исследований диссертационной работы была использована Институтом оптики атмосферы при моделировании условий наблюдения, зондирования в атмосфере и выполнении различных работ по хоздоговорной тематике.

Апробация результатов. Материалы исследований докладывались на 1 Всес. совещании по атмосферной оптике (Томск. 1976), на А.5,G.6,9.10,11 Всес. симпозиумах по распостранению лазерного излучения в атмосфере (Томск. 1977. 1979, 1981, 1986. 1989. 1991": Красноярск. 1987). на 5 Всес. симпозиуме по лазерному зондированию атмосферы (Томск, 1978), на 11 Всес. школе по автоматизации научных исследований (Минск. 1978). на 3 Всес. научно-технической конференции "Фотометрия и ее иетрологическое обеспечение" (Москва. 1979). на 3 Всес. совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск. 1983). на 14 Всес. конференции по распостранению радиоволн (Москва. 1984).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 153 страницы машинописного текста. Она иллюстрирована 71 рисунком, представленными на Б4 страницах. В работе имеется 3 таблицы. Список цитируемой литературы содержит 158 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы работы, обсуждается состояние вопроса, формируются цель. задачи исследований и основные положения выносимые на защиту, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы, определен личный вклад автора, кратко изложено содержание диссертации и использование результатов.

В первой главе даны определения характеристик линейных 'систем видения, рассмотрены особенности формирования изображения в светорассеивающей среде и проведен краткий обзор экспериментальных методик определения системных характеристик и основных методов расчета последних.

В 1.1 рассмотрено применение аппарата линейных систем к оптическим приборам, даны определения функции размытия (рассеяния) точки (ФРТ). оптической передаточной функции (ОПФ) и изопланарности оптических систем. Введено понятие линейной системы

- ь -

видения под которой подразумевается линейная система образованная линейным оптическим приемником, оптической системой, мутной средой и предметной плоскостью или плоскостью объектов.

Рассмотрены основные факторы. оказывающие влияние на передаточную характеристику системы видения, к которым можно отнести световую дымку, переотргженное от объекта и рассеянное в среде излучение, влияние периферийных участков объекта по каналам рассеяния или фона бокового подсвета.

"В 1.2 на примере наблюдения протяженного диффузного некогерентно излучающего объекта рассмотрен механизм формирования изображения системой видения через локализованный слой рассеивающей среды показано, что для построения ФРГ в центре плоскости изобракения с заданным угловым разрешением, необходимо определить реакцию системы в направлении визирования как функцию координат точечного источника на предметной плоскости. Из рассмотренного механизма. формирования изображения вытекает методика экспериментального определения ФРТ с любой точностью, которая названа пряным методом измерения, в отличии от приближенного метода. основанного на измерении углового распределения яркости от точечного диффузного объекта.

В 1.3 рассмотрены и проанализированы экспериментальные методики определения частотно-контрастных характеристик (ЧК1) и ФРТ рассеивающих сред. Анализ ' показывает, что большинство исследователей для оценки этих характеристик используют традиционные для оптических систем способы измерения Стест-объекты в виде мир Фуко, полуплоскости, точки, линии), в некоторых случаях определяется распределение освещенности создаваемое узкими пучками. Здесь же рассмотрены основные результаты расчетов- ОПФ среды, полученные из решения уравнения переноса излучения в малоугловом приближении. численными методами и методом Монте-Карло.

Во второй главе методами экспериментального и математического моделирования проанализированы границы применимости приближенной методики определения ФРГ систем видения, рассмотрены особенности лабораторного моделирования при переносе изображения через рассеивающий слой, проанализированы ' методики измерений и их основные недостатки, описан автоматизированный комплекс аппаратуры, применявшийся при проведении измерений, а также проанализированы и оценены погрешности измерений системных характеристик.

В 2.1 приведены результаты совместных экспериментальных и теоретических исследований, посвященных сравнению методик пространственного и углового сканирования. Описана схема 'и методика проведения измерений, заключающаяся в построении узкоугольным фотометром (2а=в. 7x1 о"*рад) распределения яркости

путем углового сканирования через плоскую, кювету с рабочей поверхностью 1200x500 ым. точечного диффузного источника. Для имитации протяженного рассеивающего слоя при повороте фотометра на угол у кювета с рассеивающей средой перемещалась таким образом, что оптическая ось приемника проходила через центр кюветы. Функция ьс*о определялась при фиксировании оси приемной систему перпендикулярно рассеивающему слою и последовательном смещении источника в плоскости объектов. Сравнение ьсуО и ьсуо производилось в точках с одинаковыми пространственными размерами объекта. Расчеты методе» Монте-Карло проводились по аналогичной схеме, но для функций глгьсгэ и гт-ьегз, где г-координата в предметной плоскости. В расчетах геометрические параметры схемы наблюдения выбирались близкими к их значениям в лабораторных экспериментах. Общий вывод этих исследовании заключается в том. что при малых удалениях дисперсного слоя с ко. ок> относительная ошибка определения составляет 15-20« и растет с »--»1 о=г/ь, где 1-расстояние от тест-объекта до рассеивающего слоя, ь-бэза экспериментальной установки).

В 2.2 проанализированы процессы распространения излучения в слоистых структурах, моделирующих плоские стеклянные кюветы. Определены основные факторы, искажающие процессы рассеяния за счет отражения, преломления, полного внутреннего отражения на траншах раздела сред. Найдены формулы, позволяющие учесть изменение углов рассеяния в методике углового сканирования и смещение источника в методике пространственного сканирования, Найдена связь пятна рассеяния, возникающего в результате дефокусировки изображения участков•пространства объект-дисперсный слой приемной оптикой, с параметрами экспериментальной установки. Обращено внимание на возможные нарушения принципа подобия по параметру <-.

В 2.3 оценена возможность расширения применения методики углового сканирования, используя модификацию соотношения подобия относительно положения рассеивающей неоднородности в прямой методике определения ФРГ. Показано, что не применяя специальных нер, нет принципиальных затруднений для восстановления ФРГ со вредней погрешностью 20« для ь<р.ог. В параграфе также рассмотрены

способы оптимизации сканирующих апертур анализатора изображенния при изиерезаии ФРГ в. системах видения и обоснована законность применения фотометрических понятий и критериев в измерениях.

В 2.4 и 2.5 описана аппаратура для измерений ФРТ и ФРЛ по методике углового сканирования и проанализированы погрешности измерений. В измерениях использовался специально разработанный автоматизированный фотометрический комплекс, позволявший проводить регистрацию в широком динамическом диапазоне изменения оптического сигнала (1СГ*1СГ). Функционально комплекс состоял из источника излучения (самосветящегося модулированного по световому потоку-тест-объекта) с блоками питания и контроля светового потока, направляющей с отсчетным устройством, для перемещения и фиксации положения кюветы с модельными средами, прецизионного сканирующего, оптико-механического узла анализатора изображения с шаговым двигателем типа ПЩ-4, блока приемно-передающей аппаратуры (фотоэлектронного умножителя ФЭУ-38. нейтральных а интерференционных фильтров, селективного усилительного прибора), системы сбора, накопления и предварительной обработки (вычисление коэффициента передачи оптико-электронного канала; вычисление дисперсии и среднего значения сигнала в заллнньпг точках кривой) данных в процессе эксперимента на базе" ЭВМ "Электроника-100" и аппаратуры в стандарте КАМАК, пульта управления. При необходимости дальнейшая обрботка (расчеты пространственных спектров по ФРТ) проводилась на ЭВМ М-4030. В состав фотометрического комплекса входила аппаратура измерения оптической толщины, модельного слоя ш базисному методу.

■Общин аыалид погрешностей измерений ФРТ (ФРЛ) показал, что случайные тагреюости уменьшаются к центру распределения и зависят от размера и концентрат® частиц модельной среды. При этой дня наихудвего случая иэнереыий верхняя оценка коэффициента вариации с надежность!) 0.95 заключена в диапазоне сбзд£15эх. а с учете» систематических погрешностей максимальная суммарная погрешюсть

измерений ногет составлять аз<г<2!пя.

Третья глава посвящена исследованию влияния расположения слоя среды, ее дисперсного состава и оптической толщины на ФРТ.

В 3.1 приведены результаты экспериментальных исследивший .«яс'исимостей *РТ от ¡юлои^нии слоя, дисперсной среды на измеригельной трассе для тест-объектов в вше диффузной лиши и фотометрической то1жи. а также расчетов ФРТ для аналогичных условий эксперимента методой Ионте-Карло, дающих юрошее

качественное согласие с экспериментом. ФР1 и ФРГ существенно зависят от расстояния i Сипи относительного расстояния t-)'. При i-»o характерна концентрация рассеянной • энергии около центра изображения источника. В общем случае, при положении дисперсного слоя вблизи источника. ьсх;и имеет минимальный пространственный размер и полностью описывает ФРТ системы видения. Динамическая картина изменения ьсх;15 определяется положением слоя на трассе наблюдения osts. costsis и размером рассеивателей. так для квазимонодисперсного слоя со средним р*£0 увеличение i приводит к монотонному росту относительной величины рассеянного света до ia£70+300 ым ct*o.o8+o.oe> с последующим уменьшением на крыльях hex; is. Перемещение дисперсного слоя с е&гоо к приемной системе приводит к росту относительной величины рассеянного света на

Крыльях ЬСх; ID до рвССТОЯНИЙ laSSO НМ CtftO. 1вЭ , а ДЛЯ I>S50 ИИ

относительная яркость рассеянного света на крыльях стабилизируется и остается практически неизменной для

Причиной такого поведения ФРТ является изменение регистрируемого диапазона углов рассеянного излучения с перемещением слоя, что можно трактовать как пространственную фильтрацию пряиопрошедшего излучения, вызванную рассеивающей средой при ее перемещении.

В 3.2 рассмотрено влияние оптической толщины и размера частиц на вид ФРТ системы видения. Проведен анализ графического материала из которого следует, что для широкого диапазона размеров частиц (диаметр частиц а»з*зо мкыл существуют области оптических толщин для которых нормированные ФРТ располагаются компактными семействами. Для данных условий эксперимента установлено, что существуют области оптических толщин рассеивающего слоя, создающих примерно равные возможности в своем диапазоне т для переноса пространственны? частот. Условно эти диапазоны можно разбить следующим образом. Для т«о. 45+1.49; т»з. 02+7. о. Для

т-о. 25+1.72; т«2. os+4.0; т=4.81+5.5. Рассмотрена деформация ФРТ с перемещением слоя- в малых i с увеличением оптической толщины. Обращает на себя внимание распределение освещенности для крупных частиц саэзонюр при оптической толщине т-о. sa. В этом случае надежно регистрируется хороша известное в атмосферной оптике явление-венцы. Приведен графический пример вариации венца в плоскости наблюдения с перемещением неоднородности к приемной сжя«Й7В других диапазонах т это явление не проявляется в силу недостаточного контраста. В параграфе приведены такяе результаты

исследования зависимости нормированной ФРТ от размеров частиц . Установлено, что для - дисперсных сред срэо.ве; го: гсю>, вариации размеров частиц не оказывает существенного влияния на ФРТ в углах рассеяния , что вызвано слабой зависимостью относительного коэффициента направленного светорассеяния от г. Такая закономерность' совпадает с независимыми расчетами методе»! Монте-Карло. В этом ке параграфе приведен анализ пространственного распределения яркости рассеянного света от оптической толщины и показано. что для рассеянного вперед излучения (вблизи прямопрошедшего) существует максимум яркости в области тал..з; а в более удаленных от центра ФРТ участках яркость рассеянного света возрастает по экспоненциальному закону. В конце параграфа приведена краткая справка по литературным источникам, связанная с исследованием пространственной картины рассеянного вперед излучения для бесконечно широких и ограниченных параллельных пучков, точечных., источников в модельных средах, искусственных туманах и дымах.

В .3.3 на основе анализа экспериментальных данных найдены аппроксимирующие выражения для ФРТ. Наиболее простая аппроксимация ФРТ для оптических толщин з<т<7 с погрешностью 6+15% за исключением небольшого переходного участка, осуществляется суммой двух экспоненциальных функций. Приведена иллюстрация аппроксимации формулой и сравнение с экспериментально' найденным значением для т=г.еа. Отмечено, что такая аппроксимация-используется для ФРЯ фотографических слоев. Приведены примеры более точной аппроксимации с относительной погрешностью 0.035четырьмя функциями и эмпирическая • формула. связывающая ФРТ с параметрами экспериментальной установки. В заключение параграфа с целью оценки сопоставимости результатов приведен пример выборочного сравнения ФРТ. найденных для двух различных схем измерений в разное время и для наименее устойчивой среды (взвеси ликоподия). Проведенный ' рпвните.пьный анализ по достаточно представительному объему данных позволяет утверждать, что наблюдается хорошее абсолютное и качественное согласие.

''Мвертая глава посвящена исследованию закономерностей искааенич изображения п;<истранственно 'ограниченных и протяженных объектов через Дисперсные слои.

В 4.1 приведены рассчитанные из измеренных ФРТ при малых изменениях и рассчитанные методом Монте-Карло пространственные спектры, из которых видно, что для определенных положений

рассеивающей неоднородности; резко сужается полоса пропускаемых пространственных частот.

На рисунке приведена фотография сшосветящегося тест-объекта, -i иллюстрирующая данное явление -эффект). В верхнем ряду тест-объект фотографировался через кювету с рассеивающей средой срэго;т«з. 13 для t,«o;o. оов-.о. г Сслева направо). В нижнем ряду приведены фотографии полученные через молочное стекло с оптической толщиной для зеленой области спектра равной 12. Для данного случая фотографирование проводилось с расстояния L-ieoo цы ct=o;o.oas; о.зз5. Из рисунка хорошо видно полное разрушение пространственной структуры объекта в его изображении при располовении слоя в ' области возникновения t-эффекта.

Анализируются результаты некоторых теоретических исследований ЧКХ слоисто неоднородной среды, полученных на основе решения уравнения переноса в малоугловом приближении, из которых вытекает, что качество изображения монотонно ухудшается по мере приближения слоя к наблюдателю. В тоже время оказывается,что для малоразмерных объектов контраст изображения растет. Обсуждается, обосновывается и 'анализируется отличие "эффекта кальки" от условий наблюдения самосветящегося объекта. Рассматривается интерпретация -эффекта с помощью ЧКХ. Приводится пример расчета ЧКХ методом Монте-Карло,, где подтверждается немонотонность изменения контраста изображения на высоких пространственных частотах с ростом ь. рассматривается концепция возникновения ь-эффекта. как результата ухудшения пространственного разрешения системы видения. Анализируются

найденные из эксперимента отношения рассеянного света в точке х=о ФРТ к нерассеяансму от положения слоя и его оптической толщины, и изменение контраста в рядом стоящих точках. Б первой приближении комбинация оптико-геометрического и оптического фактора объясняет наличие -эффекта. Обсуждаются методы и приемы оценки качества ( видения через рассваавающую среду по ограниченным тест-объектам и усеченны! ФРТ, что может приводить к смешению. оценки пространственвого спектре. Приводится пример ЧКХ, рассчитанный по экспериментально шйденниш ФРГ. с учетом эффекта усечения. На примере изображений протяженных самосветящихся сложных объектов, используя фотографический метод. метод пространственного фотон етрирования узкоугольнш фотометром и телевизионную регистрацию, применяя телевизионную систему с шфровш вводом и обработкой сигнала на ШС-кшере. обладающей высокой контрастной чувствительностью и пространственны! разрешением, экспериментально обосновывает с я тёзке о тон, что ^--эффект связан не только с размерами объекта, а и с его пространственны! спектральньы составам. Для описания качества изображения при наблюдениии через слоисто-неоднородную среду недостаточно знания только ЧЮГ системы видения, а необходимо . вводить допешштелъные критерии оценки качества изображения, например, пограничный контраст. Приводятся фотографические изображения, фотометрические разрезы и результаты обработки телевизионного сигнала, подтверждающие немонотонность" изменения контраста тонкое структуры изображения протяженного объекта, с. яеремешешен дисперсного слоя к наблюдателю. Рассматривается . пример . изменения . пограничного контраста в природных условиях и приводится краткий обзор близких по смыслу исследований в атмосферной оптике и оптике дисперсных сред.

Б 4.2 рассмотрены закономерности формирования фона бокового подсвета, возникающего в результате воздействия. на изображение периферийных участков ' объекта. через каналы рассеяния

«О -

кСоэ-чСво-/л»Сх;уз«1»ау. .Кратко .описана схема расчета данной

характеристики методом Ыонте-Керло и приведено выражение для расчета ФРТ в приближении однократного рассеяния. Расчеты иллюстрируются рисунками из которых следует, что радиус бокового подсвета (у^к^уц/Свй**), является немонотонной функцией т и увеличивается с ростом ь. Для функций ГСг:> определяющими являются взаимное расположение рассеивающей среды, наблюдателя и плоскости предаете». Описана экспериментальная установка для регистрации

яркости только рассеянного света bct,<d от . протяженных самосветящихся диффузных тест-объектов в вше кругов разного диаметра. Приведены результаты экспериментальных исследований г>встэ и вст.аэ с уменьшением для двух сред (раствор молока и взвесь канифоли). В эксперименте с молочной средой показано, что полный боковой подсвет . не зависит от шяомввя слоя и также является немонтонной фукцией г. Сравнение абсолютных значений »к «о дает хорошее согласие в численных и лабораторных экспериментах. Изменение пространственных размеров объекта приводит к смещению ВтохСтэ в сторону меньших т- и более заметно для слабо вытянутых индикатрис в среде' с поглощением (кавифольвая взвесь). Сравнительный анализ относительного хода п-т>вс т3

лабораторных экспериментов автора, из работ Иванова к.П., расчетов в малоугловом приближении (Дрофа А.С.) я расчетов методом Монте-Кароло (Белов В.В.) показал. что для сред с погловевиеы icxmoKi. смещено в сторону малых-т, а качествееиое, согласие с малоугловын приближением до тав. в параграфе рассмотрев тетю вопрос об юопланарности в системах видения. Исоо/ьзуя критерий асгэ-|ьсгэ-ьсгэ |-^hCrD проведен анализ завиааостн размеров центральной зоны изопланарности от параметров среды для

заданных уровней Найдена общая тенденция уневьаения зоны юопланарности системы видения с увеличением t. В обвей случае размеры зон изопланарности являются сложной eeotffloasawft функцией оптико-геометрических параметров системы видения.

4.3 посвящен исследованию ФРТ аэрозольной среды. Для этих шлей использовался хороню изученный днювой аэрозоль, яиеодай наибольшее сходство по своим оптический пареметран с атмосферной дымкой. Приведена краткая литературная справка по этому вопросу. Ошсава экспериментальная установка, созданная ' в большой аэрозольной кеыере ГОД (объем 1765 м"). В экспериментальной установке использована методика пространственного сканирования с возможностью дистанционного управления источником и определением положения его в пространстве. Дьмовой аэрозоль создавался терническим разложением древесины. Проанализировано изменение ФРГ в диапазоне оптических толщин О2.94. Найдена экспоненциальная аппроксимация изменения радиуса переходного участка кривой от т в область крыла функции, спадающей по экспоненте от координаты в преднетной плоскости. Найдены коэффициенты аппроксимации.

- Проведено сравнение ФРТ дымового аэрозоля с авторскими измерениями. ФРТ зимних дымок. Для зимних ддаок приведены сопутствующие

измерения распределения частиц по размерам. Наблюдается хорошее качественное согласие ФРТ дымового аэрозоля и зимних дымок. Общая тенденция изменения ФРТ аэрозольной среды сходна с ФРТ тонкого дисперсного слоя модельной среды.

В 4.4 рассматриваются некоторые приложения полученных результатов к задачам синтеза, реставрации, и коррекции телевизионных изображений, наблюдаемых через плотные дисперсные слои. Описан модельный эксперимент, где в качестве регистратора использовалась телевизионная камера высокого разрешения. Для ввода в ЭВМ применялся видеопроцессор, позволивший для уменьшения шумовой компоненты производить накопление и усреднение оцифрованных ТВ кадров. Приведены результаты синтеза изображения малоразмерного самосветящегося объекта экспериментальной и расчетными ФРТ. Использование экспериментальной ФРТ позволяет синтезировать изображение с погрешностью 15«. расчетная дает погрешность более 60*. Кратко рассмотрено влияние положения неоднородности на трассе на качество ожидаемого изображения в активной системе видения с использованием метода пространственной селекции. Возможность оперативного улучшения изображения при наблюдении через плотные среды в системах видения прсдемострировано экспериментом с использованием устройства дискретно-аналоговой . обработки телевизионного сигнала При тех положениях слоя, где фильтрующее действие на прянопрошедшее.. излучение наиболее сильно, выделение полезного сигнала при помощи усиления и сдвига уровня фона ниже уровня черного ТВ сигнала, позволяет различить изображение при т»ю. Результаты эксперимента иллюстрируются фотографиям для различных т и положений слоя.

• В заключении приведены основные результаты и выводы работы.

Основные, результаты работы могут быть сформулированы следующим образом-- проведено сравнение методик измерения системных характеристик -систем видения и оценены границы применююсти методики углового сканирования (приближенной методики);

- разработаны методики " и созданы на их основе экспериментальные измерительные комплексы для определения системных характеристик в модельных средах, включая аэрозольные, интегральных характеристик и исследования изображений протяженных объектов сложной структуры;

- исследованы зависимости системных и интегральных характеристик систем видения от основных оптико-геометрических и оптических параметров;

- исследованы экстремальные искажения изображений и условия их возникновения;

рассмотрены зппаратурно-програымные методы коррекции изображений, при наблюдении в плотных средах.

Основные результаты по теме диссертации опубликованы в следующих работах .

1. Борисов Б.Д..Генин В.Н..Кабанов М.В. Оптическая передаточная функция рассеивающего слоя. В кн.: 1 Всес. совещание по атмосферной оптике. Томск.ГОД СО .АН СССР 1976.4.1. с.312-314.

2. Борисов Б.Д..Генин В.Н..Кабанов М,В. Экспериментальное исследование функции размытия расеиваювих слоев большой оптической толщи. В кн.: 4 Всес. симпозиум по.распостранению лазерного излучения в атмосфере. Тоиск: ИОА СО АН СССР.

1977. с. 56-60.

3. Борисов Б.Д.. Генин В.Н., Кабанов М.В. Наливайко A.A. Оптическая передаточная функция рассеивающего слоя большой оптической плотности. В кн.: 5 Всес. симпозиум по лазерному зондированию атмосферы. Тсиск: ГОД СО АН СССР. 1978 4.1. С. 145-147.•

4. Борисов Б.Д.. Генин В.Н.. Кабанов М.В., Яиыыер Б.А., Протасов Ю.И., Шишлов В.И. Автоматизированная система измерения оптической передаточной функции модельных сред.В кн.: 5 Всес.симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: 1ЮА СО АН СССР. Ч. 4. 1979. С. 109-112.

5. Борисов Б.Д.. Генин В.Н.. Гешпга Н.В.. Кабанов М.В. 0 распределении яркости однократно рассеянного света при наблюдении объектов через неоднородную среду. В кн. 5 Всес. симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере.

' Томск: ГОД СО АН СССР. 1979. Ч. 1. С. 171-174.

6. Борисов Б.Д.. Генин В.Н.,' Кабанов М.В. 0 видении через рассеивающий слой. В кн.: 6 Всес. симпозиум по распостранению лазерного излучения в атмосфере. Томск. ЮА СО АН СССР. 1981. 4.1. с. 172-174. ' -

7. Белов- В.В., Борисов Б.Д., Генин В.Н., Кабанов М.В., Креков Г.М. Экспериментальное и математическое моделирование условий видения объектов через слой мутной среды. Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1982. Т.18. м 12. С. 1303-1311.

8. Борисов Б.Д.. Генин В.Н.. Лиммер Б.А., Наливайко A.A.. Шишлов В. И. Автоматизированный фотометрический комплекс для измерения оптических передаточных функций рассеивающих сред.

В кн.: Проблемы оптики атмосферы. Новосибирск. Наука. 1983. С. 150-158. -,

9. Зуев В.Е.. Белов В.В.. Борисов Б.Д.. Генин В.Н. . Кабанов М.В.. Креков Г.М. Экстремальное искажение изображения объектов, наблюдаемых через рассеивающий слой. ДАН СССР. 1S83. Т. 268. к 2. С. 321-324.

10. Зуев В.Е.. Белов В.В., Борисов Б.Д.. Генин В.Н.. Кабанов М.В.. Креков Г.М. Трансформация качества изображения объектов слоем рассеивающей среды. В кн.: 3 Всес.совещание по атмосферной оптике и акустике. Томск: ЮА СО АН СССР. 1983. 4.1. 0. 1S6-193.

И. Зуев В.Е., Белов В.В. . Борисов Б.Д.. Генин В.Н.. Кабанов М.В., Креков Г.М. Об условиях неинвариантности в проблемах теории видения. Там же. С. 193-1S5.

12. Борисов Б.Д. Влияние размеров частиц слоя рассеивающей среды на качество"изображения. Там же. С. 202-204.

13. Борисов Б.Д.. Генин В.Н.. Полякова Е.С. Влияние заыутненности рассеянного слоя на видение объектов. В кн.: Материалы 8 Всес. симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Тсыск: ГОА (X) АН СССР. 1986. Ч. 1. С. 102-106.

14. . Борисов Б.Д. . Генин В.Н.. Полякова Е.С. 0 зависимости ЧКХ

системы видения от рассеивающих свойств дисперсного слоя. В кн. : Материалы 8 Всес. симпозиума по распространению лазерного излучения в атмосфере. Томск: ША СО АН СССР. 1986.4. 1-. С. 193-197.

15.- "Белов В.В.. Борисов Б.Д.. Генин В.Н., Креков Г.М.. Макушкина И.Ю. Сравнение двух методик измерения импульсных характеристик систем видения. Изв. АН СССР. Сер. ФА0. 1987. Т. 23. N 11. С. 1205-1210.

16. Белов В.В.. Борисов Б.Д'.. Генин В.Н. Об учете бокового подсвета в задачах Теории видения. Огггико-ыетеоро логические исследования земной атмосферы. Новосибирск: Наука. 1987. С. 201-207. ' . • ; ■

17. Белов В.В.. Борисов Б.Д.. Макушкина И.Ю. Некоторые закономерности 'формирования помехи бокового подсвета в системах видения. Оптика атмсоферы. 1988. Т. 1. я 2. С. 18-24.

18. Белов В.В.. Борисов Б.Д.. Макушкина И.Ю. Оценка размеров центральной зоны изопланарности изображения в системах видения. В кн. : Перенос изображения в земной атмосфере. Томас: Изд. ТФ СО АН СССР. 1988. С. 46-52.

19. Борисов Б. Д. Результаты экспериментальных исследований влияния слоя модельной мутной среды на перенос изображения. Оптика атмосферы. 1S88. Т. 1. н Б. С. 29-33.

>20. Борисов • Б-Д.. Генин В.Н.. Крутиков В.А., Полякова Е.С.. Тимошенко С.Д., Шумский И.К. Аппаратный комплекс для исследования переноса оптического изображения в модельных средах. Дел. в ВИНИЛТ. 198В.Рег. N 236S-B88. 10 с.

21. Зуев В.Е.. Белов В.В.. Борисов Б.Д.■ Генин- В.Н.. Кабанов М.В.. Креков Г.М.. Макушкинэ Й.Ю. t-эффект в теории видения. В кн.: 10 Всес. симпозиум по раслостранению лазерного излучения в атмосфере. Тонек. 1S89. 4.1. С. 3-5.

22. Борисов Б.Д. Некоторые особенности лабораторного моделирования в задачах теории видёния. Оптика атмосферы. 1S90. Т. 3. N 6. С. 609-615.

23. Белов В.В.. Борисов Б.Д., Молчунов Н.В. Некоторые вопросы линейной фильтрации изображений, искаженных рассеивающими средами. Оптика атмосферы. 1991. Т. 4. " 8. С. 838-848.

24. Белов В.В.. Борисов Б.Д.. Молчунов Н.В. Восстановление изображения объектов, искаженных рассеивающими средами. В Щ1.: 11 Всес. симпозиум по распространению лазерного излучения в атмосфере и . водных средах. Томск: Ш& СО АН СССР. 1991. С. 95.

25. Алексеев А.Н.. Белов В.В.. Борисов Б.Д., Молчунов Н.В. Аппаратурная коррекция изображений^ искаженных рассеивающей средой. Оптика атмосферы. 1992. Т. 5. N 8. С. 888-892