Физические принципы метода измерения трехмерных координат изображений объектов в реальном времени тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

С^г-

На правах рукописи

Шутеев Сергей Александрович

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2005

Работа выношена и Центре гидрофизических исследований физического факу 1ыеи Московского государственного университет им VI В. Ломоносова

Научные руководители:

Ведущая ор1анизация- Инсчшут общей физики РАН

Зашша диссср1ании соспошся "20» оюября 200^ I в 16 час 00 мин на заседании 1иссертапионного совета ,1.501 001 66 на физическом факулыетс Мо*.ковско[о юсу [арсгвенною универси(ета им М В Ломоносова по а фесу 119992. 1 СП-2 Москва, Ленинские юры д1, сгр2, (физический факу п,те1 М1 V). ауд М9

С диссер1ацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета

Московского I осу дарственною упиверситега им М В Ломоносова по а фесу 119992 ГСП-2 Москва, Ленинские юры. д1 сIр 2, ("физический факу Iыс 1

Доктор физ -мат. наук, профессор Кандидат физ -мат наук, с.н.с

А Ф. Александров У Юсупалиев

Официальные оппоненш. Доктор физ.-мат. наук, профессор Доктор физ.-мат. наук, профессор

В М Силонов В.П. Милавтьев

М1 У)

Чвтреферлг разослан «

2005 I

>чепый секретарь 1иссертаиионною совета кандидат физико-магечатическич наук, шцеш

У ( \11 1 ршов

¿Ж» У

«е^о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Диссертационная работа посвящена исследованию возможности получения трехмерного изображения объектов и его координат в реальном времени, а именно - разработке физических принципов измерения одновременно трех координат элементов видимой части объектов.

Для получения полной информации о пространственных координатах объекта необходима регистрация всех характеристик рассеянной или излученной объектом электромагнитной волны (ЭМВ) - фотонов: амплитуды (количество фотонов), частоты, поляризации, фазы, времени поступления отраженных или излученных объектом фотонов. К настоящему моменту времени существуют эффективные методы регистрации количества фотонов, их частот и поляризации. Информацию об объемности объектов несет, как известно, фаза ЭМВ, отраженной от них. Однако, до сих пор не предложен способ регистрации фазы ЭМВ в реальном времени, что обусловлено высокой часютой свеговых волн. При этом, быстродействие регистрирующего устройства должно быть не хуже 10~14 -:- 1СГ15 с, что невозможно реализовать, по крайней мере, в настоящее время. На сегодняшний день регистрация фазы ЭМВ осуществляется не непосредственно, а с помощью интерференции когерентной опорной волны и предметной волны, отраженной от исследуемого объекта (юлография). В голографии объемность изображения исследуемого объекта получается только при его восстановлении специальными методами на основе полученной интерференционной картины (пространственного распределения разности фаз опорной и предметной волны). При этом оказывается, что не существу с I возможности измерения пространственных .координат восстановленного изображения предмета, так как ею изображение является мнимым, а действительное изображение располагается позади голограммы и является зеркальным.

В природе объемность изображения создается двумя приемниками излучения (бинокулярное зрение - аналог триангуляционного дальномера, отчасти и по напряжению глазной мышцы, деформирующей хрусталик и с дальнейшей обработкой человеческим мозгом полученной информации). Кроме того, известен способ получения трехмерных координат точек поверхности малоразмерных объектов. Для этого используется пошаговое сканирование поверхности дальномером, перемещающимся в пространстве по заданной траектории. Шаг перемещения определяет дискретность получаемого изображения.

Актуальность постановки проблемы обусловлена тем, что в настоящее время существующие системы получения изображения (ЭОП различного

назначения, видеосистемы, скоростные различные фоюнриемные устройства - ФГТ

РПСрУТ^р^ГТППГ- Т"Т"1"1Г1дрГТ,

С«е 9Э

получать

или синтезировать объемное изображение с измеренными пространственными координатами элементов поверхности исследуемого объекта. Это связано с тем, что с их помощью можно регистрировать только угловые координаты, количество (интенсивность) и частоту (иногда с выделением заданной поляризации) пришедших на ФПУ фотонов, что позволяет получать только плоское, хотя и цветное изображение.

В большинстве же практических случаев требуется получение объемного изображения именно с измеренными трехмерными пространственными координатами (желательно в цифровом виде), с которыми в дальнейшем можно проводить любые математические преобразования.

Что касается времени регистрации отраженных или излученных объектом фотонов, то физические процессы, связанные с такой регистрацией практически не исследованы. Однако, предварительный анализ показывает, что именно регистрация времени поступления отдельного фотона позволяет измерять третью координату элемента поверхности исследуемого объекта, от которого отразился или рассеялся данный фотон.

Измерение третьей координаты каждой точки наблюдаемой пбверхности объектов позволяет дополнительно решать многие актуальные проблемы визуализации объектов более эффективно, чем это позволяют современные используемые для этих целей системы. В частности, значительно проще можно строить рельефные изображения с реальными трехмерными координатами различных поверхностей твердого тела (например, трехмерная карта поверхности Земли), существенно увеличивать дальность наблюдения объектов в мутных средах (через туман и под водой), чего нельзя добиться с помощью существующих систем получения изображения. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, проводимые с целью разработки и создания систем получения изображения объектов с трехмерными координатами в реальном времени.

Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований в области получения изображений с трехмерными координатами каждой точки поверхности наблюдаемых объектов.

Целью работы является:

1) исследование физических процессов, влияющих на точность измерения двух (угловых) координат отдельного фотона в существующих однофотонных системах получения изображения (ОСПИ) с кодированными (квадрантными) коллекторами с целью устранения искажений двухмерного изображения;

2) исследование возможности одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных или рассеянных, или излученных элементами поверхности рассматриваемого

объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов 4 ' '•>

.">■•. г» X" I ,

одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов;

3) исследование возможности одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов одновременного измерения трех координат отдельных фотонов;

4) разработка однофотонной системы получения изображения с кодированным (квадрантным) коллектором на основе одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта;

5) разработка однофотонной системы получения изображения с квадрантным коллектором на основе одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта;

6) исследование возможности существенного снижения уровня естественного фона в ближнем инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра и разработка методов существенного снижения уровня фона на основе данных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Экспериментально исследованы физические процессы, влияющие на точность измерения двух координат отдельного фотона в ОСПИ с квадрантным коллектором. Установлено, что физическими причинами искажения двумерного изображения являются потери части общего заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малая рабочая площадь поля зрения детектора излучения и низкая разрешающая способность в существующих ОСПИ с квадрантным коллектором. На основе установленных фактов предложен новый метод, устраняющий указанные недостатки, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона (устранения искажения двумерного изображения) в таких системах.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения двух координат отдельного фотона в соответствии предложенным методом.

2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления регистрируемых отдельных фотонов (ЪД отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта. На основе полученных экспериментальных данных разработаны физические принципы одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов, а также предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор

излучения (ВПЧД), устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с квадрантным коллектором и позволяющий одновременно измерять как координаты х, у, так и моменты поступления регистрируемых отдельных фотонов (кц.

Для ВПЧД разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона.

3. Экспериментально показано, что при синхронизации работы однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и источника подсветки (лазера) система «ВПЧД-лазер» позволяет одновременно измерять три координаты отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов: координаты х, у и расстояние г от детектора излучения до элементов поверхности объекта, отражающих или рассевающих фотоны лазерного излучения, в системе отсчета ВПЧД. На основе полученных данных исследования в видимом диапазоне спектра разработаны физические принципы одновременного измерения трех координат (х, у, г) отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, и предложен новый метод их реализации. Для реализации нового метода разработан и изготовлен экспериментальный образец (макет) системы «ВПЧД-лазер». Такая система позволяет получать трехмерное изображение видимых элементов поверхности исследуемых объектов в реальном времени с координатами х(0, у(1), г((), чего нельзя получить с помощью существующих систем получения изображения.

Для системы «ВПЧД-лазер» разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отдельных фотонов во времени.

4. Впервые показано, что количество регистрируемых фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики систем получения изображения (СПИ), зависит от длительности их регистрации (кадра). На основе установленной зависимости разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами его снижения.

Основные результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем.

1. Новый метод, устраняющий основные недостатки существующих однофотонных систем получения изображения с кодированными квадрантными коллекторами, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона в таких системах. На основе указанного метода и способа разработан и реализован экспериментальный образец системы с программным обеспечением, позволивший

- повысить предельную скорость счета импульсов до 104 имп./с,

- повысить эквивалентное пространственное разрешение двумерного изображения до 400 х 400 элементов,

- увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза,

- снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов детектора позицнонно-чувствительного детектора излучения.

2. Новый метод одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (tj>), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Реализация этого метода с помощью нового однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения, позволившего достичь при скорости счета 104 имп./с и методе накопления (числе измерений более 150) точности измерения времени поступления отдельных фотонов до 10 пс.

Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона для однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения.

3. Новый метод одновременного измерения трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов. Реализация этого метода с помощью системы «однофотоняый время-позиционно-чувствительный детектор излучения -лазер», позволившей достичь при скорости счете 104 имп./с и методе накопления (числе измерений более 169) минимально разрешимого расстояния по третьей координате z отраженного или рассеянного фотона 3 мм.

Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов для системы «однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор излучения - лазер».

4. Разработка и реализация нового метода' получения трехмерного изображения элементов видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами x(t), y(t), z(t). Разработанная система на основе этого метода позволяет получать разрешенное во времени трехмерное изображение элементов видимой поверхности исследуемых объектов с реальными координатами x(t), y(t), z(t).

Алгоритмы и программное обеспечение построения изменяющегося во времени трехмерного изображения объектов (с изменяющейся во времени геометрией и положением в пространстве).

5. Впервые показано, что количество регистрируемых естественных фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики СПИ, зависит от

длительности их регистрации (кадра), причем оно пропорционально третьей степени длительности кадра. На основе этого факта реализован метод существенного снижения уровня естественного фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами снижения.

Алгоритмы и программное обеспечение для реализации метода существенного снижения уровня естественного фона в СПИ.

Достоверность результатов подтверждается:

- результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением комплексных измерительных систем;

- надежностью данных измерений, определенной адекватным пространственно-временным разрешением измерительных систем, стабильностью параметров и калибровок измерительной аппаратуры;

- обоснованностью требований, предъявляемых к методикам обработки и анализа данных, а также относительно низкой погрешностью измерений.

Научно-практическая ценность работы. Разработаны физические принципы одновременного измерения угловых координат (х, у) и момента поступления (1) отдельных фотонов с высокой точностью (~10"п с) и частотой следования фотонов ~1 МГц. Разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами снижения уровня фона.

На основе разработанных физических принципов реализован время-позиционно-чувствительный детектор излучения.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Результаты работы представлялись на 3 отечественных и международных конференциях. Помимо этого результаты работы докладывались на семинарах в МГУ им. М.В. Ломоносова, МГСУ, ИОФРАН. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов и списка литературы. Она содержит 125 страниц, в том числе 3 таблицы, 35 рисунков и список литературы из 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формируется цель исследований, выделяется научная новизна, приводятся выносимые на защиту результаты.

В первой главе приводится краткий обзор литературных данных по системам визуализации изображений, их составу, физическим методам их работы, алгоритмам построения изображений, указаны их возможности, достоинства и недостатки, сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе приводится обоснование построения высокочувствительного ВПЧД.

Одной из основных задач получения изображений с помощью видеосистем, электронно-оптических преобразователей и др. является выделение полезной информации на фоне шума. Процедура выделения полезной информации, в конечном счете, сводится к улучшению отношения сигнал/шум, которое достигается за счет накопления полезного сигнала либо уменьшения уровня шума. Эффективность улучшения отношения сигнал/шум путем накопления полезного сигнала высока только при слабом* сигнале и низком уровне шума. Для повышения эффективности системы получения изображения желательно максимально снижать уровень шума в процессе его получения (здесь под шумом понимается фоновая помеха). Такая задача с практической точки зрения особенно актуальна в системах получения изображений в мутных средах (тумане, под водой).

Опыт эксплуатации систем получения изображений показывает, что существующие методы снижения уровня фона недостаточно эффективны при отношении сигнал/шум порядка единицы. В этом случае применяются различные методы накопления полезного сигнала. Однако, при этом также происходит накопление собственного шума системы в целом, что снижает эффективность метода накопления.

Для выделения полезного сигнала при использовании интегрального по времени отношения сигнал/шум необходимо оценить количество фоновых фотонов, попадающих на вход объектива СПИ (рис. 1). За время тк на вход объектива попадают фотоны из поля зрения системы (шаровой сектор с вершиной в центре оптического блока системы и радиусом Ъу= хк-с, (где с -скорость света в среде). Будем считать, что фоновые фотоны распределены в пространстве равномерно и изотропно. Кроме того, не будем учитывать ослабление света приземной атмосферой. Тогда количесхво фоновых фотонов \'ф за время т„ равно

N0 = пф(Х) ЛАД О (с тк)3-

73

Н1-4-)-

к Л

1-Е—а-^г) га г

(1)

где О - телесный угол поля зрения системы, Пф(Х) - спектральная плотность фоновых фотонов в единице объема, которая в пределах полосы пропускания интерференционного фильтра считается постоянной, П, и Ц- телесные углы, под которым виден ¡-ый и .¡-ый посторонние объекты с координатой 2, и Z^ соответственно. Суммирование по 5 и ] в выражении (1) проводится по не перекрывающимся телесным углам О,, Координаты 7К, Ъо, 2„ ZJ должны

удовлетворять неравенствам < < 0 < < 70. В (1) \тф записано в виде двух сумм, которые соответствуют количеству фоновых фотонов из областей поля зрения системы за и перед рассматриваемым объектом с координатой

К фоновым фотонам добавляются дополнительные фотоны, отраженные или рассеянные атмосферными образованиями (облаками, локальными туманами и др.) и фоновые фотоны, отраженные от поверхностей посторонних предметов. Дополнительные фотоны появляются также при облучении посторонних предметов источником подсветки. Если облучение осуществляется непрерывным источником света за время тк, то количество дополнительных фоновых фотонов КФд, попадающих на вход объектива системы равно

N.

фд"

п(А.)фД, ДА, Бвх т* + X п(А,)фд, ДА БВх "Сю

(2)

где п(А,)фд1 и п(А)фд] - поверхностные спектральные плотности фотонов, отражаемых или рассеиваемых посторонними предметами на входе объектива оптики системы с площадью 8вх> расположенными позади и впереди исследуемого объекта соответственно. В (2) п(А)фд, и п(А)фд! в пределах полосы пропускания интерференционного фильтра считались постоянными.

Способы снижения количества фоновых фотонов за счет уменьшения телесного угла О поля зрения системы, спектральной полосы пропускания ДА, и диафрагмирования площади Бвх входного объектива ее оптики хорошо известны и применяются в современных системах видения.

Для получения изображения объекта, имеющего линейный размер АЪ (по координате 7) и находящегося на расстоянии по глубине обозрения требуется длительность "кадра" системы в пассивном режиме ее работы всего лишь равная = Д7 /с (10~10 с при ДZ=3 см). Отсюда ясно, что существующие системы получения изображений (видеосистемы и ЭОП) в течение их длительности «кадра» при получении изображения объекта с размером = 3 см кроме фоновых фотонов в рассматриваемом объеме ДУД/ поля зрения с характерным размером АХ накапливают фоновые фотоны из других областей поля зрения. Исходя из выражения (1) можно определить отношение количества общего числа фоновых фотонов к количеству фоновых фотонов в рассматриваемом объеме ДУдг поля зрения системы без учета фоновых фотонов от посторонних предметов:

(2г\

к

(_ Л

1

3+3-

Д2Г

у

+

№

V у

я-1

где — >1, —« 1. Следствием формулы (3) является то, что при получении

изображения исследуемого объекта с размером АЪ = Ъ см, расположенного на расстоянии Ъ0 = 100 м, видеосистемы (с тк=4-10"2 с) накапливают в 1018 раз большее количество фоновых фотонов по сравнению с неизбежными фоном (из объема ДУд/). Для ЭОП (длительность стробирования тк=10"6-10"7с) соответствующее отношение равно ~ 103 - 104. Отсюда ясно, что уменьшение длительности «кадра» является одним из эффективных методов снижения уровня фона в системах построения изображения. Такой же вывод можно сделать из выражений (1), (2): количество фоновых фотонов N0 пропорционально третьей степени длительности «кадра» (первый член в (1)) и первой степени параметров О, 8вхи АХ .

При уменьшении длительности «кадра» кроме снижения уровня однородного фона отсекаются дополнительные фоновые фотоны от атмосферных образований и поверхностей посторонних предметов, находящихся за исследуемым объектом по направлению обозрения. Что касается естественных и дополнительных фоновых фотонов из области поля зрения СПИ, находящихся между исследуемым объектом и СПИ (вторые члены в выражениях (1), (2)), то метод уменьшении длительности «кадра» не дает возможность их отсекания. Метод стробирования ЭОП позволяет отсекать фоновые фотоны из областей поля зрения системы только за и перед объемом наблюдаемой области (усеченный конус с высотой - 2Строба= с-Хсгроб)- Что касается фоновых фотонов из самой области обозрения, то они в методе стробирования ЭОП будут зарегистрированы. Количество фоновых фотонов из объема наблюдаемой области при методе стробировании равно

Мф0б= п(Х) АХ у С2 Ъ с тстроба + 2 п(А,)Фд, АХ 8Вх ^строба - (4)

Из (4) видно, что чем меньше длительность стробирования т,_троь, тем меньше количество фоновых фотонов из объема обозрения-. Минимальное значение Тот роб» достигнутое в настоящее время, составляет ~ 100 не и высота усеченного конуса равна 7,0 - 2строба = 30 м. Стремление уменьшить Тстроб за счет уменьшения длительности высоковольтного импульса управления оптического затвора либо ЭОП приводит к росту собственных шумов всей системы в целом.

Итак, метод стробирования ЭОП существенно снижая количество фоновых фотонов (примерно до 1013 раз) по сравнению с видеосистемой, тем не менее, не позволяет отсекать фоновые фотоны из области обозрения, находящейся перед рассматриваемым объектом (при гСтроьА < 2 < . С

практической точки зрения именно этот случай имеет существенное значение. Например, туман между исследуемым объектом и ФПУ. Следовательно, для отсекания этих фоновых фотонов потребовалось разработать новый метод.

Новый эффективный метод снижения уровня фона реализован в специальной системе получения послойного изображения. Суть предложенного метода состоит в отсекании фоновых фотонов как из области поля зрения между исследуемым объектом и объективом системы (второй член в (1), (2)), так и из области за объектом (первый член в (1), (2)). Одно из отличий этой системы от существующих систем получения изображения заключается в возможности изменения длительности «кадра» изображения, как на аппаратном, так и на программном уровне. Минимальное значение длительности "кадра", достигнутое в данной системе, составляет ~ 10"11 с. В качестве импульсного источника подсветки используется импульсный лазер (на длине волне 635 нм с длительностью импульса 30 не (на уровне половины максимальной амплитуды) и частотой повторения до 1 МГц), который синхронизируется со специальной системой получения изображений. Следует отметить, что применение для импульсной подсветки полупроводникового инжекционного лазера связано не с необходимостью когерентного излучения с малой угловой расходимостью (пучок все равно надо расширять оптическим расширителем до охвата всей области регистрации), а только с высоким КПД излучателя и возможностью получения импульсов порядка десятков пикосекунд, поэтому вполне возможно использование и суперлюминесцентных светодиодов.

Таким образом, показана возможность существенного снижения уровня фона с помощью системы получения послойного изображения.

В третьей главе приводится описание экспериментального образца однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и экспериментальные данные по наблюдению объектов, демонстрирующие различные возможности его применения.

ВПЧД представляет собой устройство, предназначенное для регистрации одновременно двух координат и момента поступления отдельных квантов излучений в УФ, видимом и ИК диапазоне спектра. Детектор излучения состоит из (рис. 2):

блока предварительной обработки излучения (2), включающий в себя в зависимости от решаемой задачи электронно-управляемый ослабитель (3), блок преобразования излучения (4), перестраиваемый оптический фильтр (5), оптическую систему (6);

- фотокатода (7);

- электронной линзы (8);

- блока позиционно-чувствительных усилителей (9);

- микроканальных пластин (10);

- анодного блока (12) с дополнительным (13) и основным в виде квадрантного коллектора (14) анодами;

- многоканального усилителя (15);

- блока измерения зарядов (16);

- блока определения координат (17);

- блока коррекции координат (18);

- время-координатного блока (19);

- блока хранения, обработки и визуализации сигнала (20);

- широкополосного усилителя (21);

- блока определения времени (22);

- блока измерения полного заряда (23);

- блока амплитудно-временной коррекции (24);

- блока коррекции времени (25);

- блока анализа (26);

- блока принятия решения (27).

Детектор представляет собой установленный по ходу излучения 1 блок предварительной обработки излучения 2, который в случае различных видов излучения может представлять собой различный набор следующих блоков: электронно-управляемый ослабитель 3, блок преобразования излучения 4, перестраиваемый оптический фильтр 5, оптическая система 6. За ним установлен фотокатод 7, за которым может быть установлена электронная линза 8. За ней установлен блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ) 9, который выполнен в виде микроканальных пластин (МКП) 10. Далее по ходу излучения установлен анодный блок 12, представляющий собой основной анод 14 и дополнительный анод 13. Варианты их выполнения показаны на рис. 3 а и б.

Основной анод выполнен в виде квадрантного электрода, окруженного дополнительным анодом, который выполнен в виде полого цилиндра. Аноды соединены электрически с последовательно соединенными многоканальным усилителем 15, блоком измерения зарядов 16, блоком определения координат 17, блоком коррекции координат 18, время-координатным блоком 19 и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала 20.

Канал измерения времени состоит из широкополосного усилителя 21, блока определения времени 22, блока амплитудно-временной коррекции 24 и блока коррекции времени 25.

Канал измерения полного заряда состоит из анодного блока 12, многоканального усилителя 15, блока измерения зарядов 16, широкополосного усилителя 21, блока измерения полного заряда 23.

Координатный канал состоит из блоков: 15 - многоканальный усилитель, 16 -блок измерения зарядов, 17 - блок определения координат, 18 - блок коррекции координат, 19 - время-координатный блок.

Блок позиционно-чувствительных усилителей 9 выполнен в виде микроканальных пластин.

ВПЧД работает следующим образом.

Поток входного излучения 1 (рис. 2) ослабляется до приемлемого для нормальной работы детектора уровня с помощью ослабителя 3 (который может быть электронно-управляемым). Ослабленное излучение блоком преобразования излучений 4 конвертируется, если необходимо, в поток излучения в видимом диапазоне спектра. Электронно-перестраиваемый оптический фильтр 5 пропускает требуемый узкий спектральный диапазон видимого излучения, и оптическая система 6 формирует его изображение на поверхности фотокатода 7. Фотокатод преобразует этот оптический сигнал в электрический сигнал, и электронная линза 8 формирует на входной поверхности блока ПЧУ 9 электронное изображение входного потока квантов. Усиленный блоком МКП электрический сигнал представляет собой электронную лавину И, диаметр которой увеличивается до требуемой величины с помощью электрического и/или магнитного поля между блоком МКП и анодным блоком 12. Дополнительный анод 13 предназначен для сбора потерянной части заряда электронной лавины в основном аноде. Измерение полного заряда с помощью дополнительного анода существенно улучшает пространственное разрешение детектора, особенно по краям его поля зрения, а, следовательно, увеличивает его поле зрения.

Далее обработка электрических сигналов проводится по трем каналам: координатному каналу, каналу измерения времени и каналу измерения полного заряда.

Электрические сигналы с дополнительного анода 13 11о и с основного анода 14 иь..,и4, вызванные попаданием зарядов электронной лавины на анод, подаются на входы многоканального усилителя 15 для последующего преобразования блоком измерения зарядов 16 в цифровые данные. Цифровые сигналы от указанного блока одновременно поступают в блок определения координат 17 и блок измерения полного заряда 23. С выхода блока 17 цифровые данные о координатах подаются на блок коррекции координат 18. На другой вход блока определения координат 17 поступает цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23. Цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 поступает на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18. После коррекции координат цифровые данные о координатах одновременно поступают на входы блока коррекции времени 25 и время-координатного блока 19. На другой вход время-координатного блока 19 поступает цифровой сигнал от блока коррекции времени 25. Далее цифровые данные о координатах и времени поступления квантов подаются в блок хранения, обработки и визуализации 20.

Аналоговый электрический сигнал со входа последней МКП блока ПЧУ подается на вход широкополосного усилителя 21, после усиления сигналы поступают на входы блока измерения полного заряда 23 и блока измерения времени 22. В блоке измерения полного заряда 23 аналоговый электрический сигнал преобразуется в цифровой. На основании сигналов, поступивших из

блоков измерения зарядов 16 или(и) усилителя 21 проводится вычисление полного заряда. Выработанный сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 подается на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат18 и блока амплитудно-временной коррекции 24.

В блок определения времени 22 поступает сигнал "Время" и сигнал от усилителя 21. В результате работы блока 22 вырабатывается цифровой сигнал, соответствующий временному интервалу между сигналами. Блок 22 может быть реализован в виде время-амплитудного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, тогда в нем измерение времени происходит по схеме: преобразование временного интервала между сигналами в амплитуду аналогового импульса и последующего преобразования амплитуды этого импульса в цифру. Блок 22 может представлять собой быстродействующие АЦП, позволяющие конвертировать входные аналоговые сигналы в массив цифр, величина которых соответствует амплитуде входных сигналов через малые равные интервалы времени. Регистрация времени основывается в этом случае на определении по оси времени "центра тяжести" сигналов.

Детектор излучения управляется блоком анализа 26 и блоком принятия решения 27. Блок анализа 26 запускается либо от внешнего импульса, либо от внутреннего импульса. На его вход поступают аналоговые сигналы от широкополосного усилителя 21, после чего им производится анализ характеристик входных импульсов по заданному алгоритму, и результаты анализа в виде цифрового сигнала подаются на вход блока принятия решения 27. На основе проведенного анализа блоком принимается решение о выработке сигнала управления блоком предварительной обработки излучения, в частности электронно-управляемым ослабителем 3 и/или оптическим фильтром (электронно - перестраиваемый) 5. После достижения заданных характеристик входных импульсов для нормальной работы детектора указанным блоком вырабатываются синхроимпульсы, которые подаются на входы блоков 2, 22, 23, 24,25, 16,17,18, 19 детектора для начала их работы.

Измерение полного заряда позволяет -значительно улучшить пространственное разрешение и точность измерения времени поступления фотонов, увеличить эффективное рабочее поле зрения детектора (для квадрантного анода - в четыре раза).

Для улучшения точности измерения времени применена процедура амплитудно-временной коррекции и она осуществляется в цифровом блоке амплитудно-временной коррекции. Для этого сначала находится калибровочная кривая зависимости времени от величины заряда. Затем данные указанной калибровочной зависимости вводятся в память блока амплитудно-временной коррекции.

Для улучшения точности определения координат (вследствие неоднородности характеристик МКП) применяется процедура коррекции координат, которая аппаратно осуществляется в блоке коррекции координат на

основании предварительной калибровки его с помощью тест объекта. Для снижения требований к техническим характеристикам компонентов детектора излучения проводятся процедуры: амплитудно-временной коррекции; коррекции времени и координат.

Введение дополнительных блоков коррекции и изменение конструкции анода позволило, не повышая требований к техническим характеристикам составных частей детектора, расширить его функциональные возможности и 1

повысить его выходные характеристики: точность определения времени и координат регистрируемого фотона, что в свою очередь, улучшает качество регистрируемого изображения.

С помощью описанного выше экспериментального образца были проведены эксперименты по получению изображений объектов и их координат, подтверждающие его заявленные возможности.

Один из экспериментов проводился по наблюдению в видимой области спектра надписи на плакате, стоящем за двойным слоем марли. Если на интегральном по дальности наблюдения изображении надписи не видно (рис. 4а), то послойное наблюдение по дальности позволяет различать эту надпись (рис. 46).

В следующем эксперименте также проводилось наблюдение за сложным объектом в форме кувшина с цилиндром в верхней части, к которому были прикреплены две прямоугольные пластины на торцах (рис. 5).

На рис.5а приведено общее интегральное по оси Ъ изображение наблюдаемого объекта (вид вдоль оси X), полученное с помощью системы построения послойного изображения (с одного ракурса) в системе координат, связанной с ее фотоприемным устройством. Ось 2 направлена от читателя. Схематичный вид объекта сверху представлен на рис. 56. Осуществление послойного просмотра объекта по оси 2 с шагом 2 мм вдоль оси 2 дает следующие результаты. На расстоянии 2=5,35 м (в условиях эксперимента) от фотоприемного устройства системы расположена передняя часть объекта (рис.5в), а его дальняя часть - на расстоянии 2=5,83м (рис.5д). Рисунок 5г демонстрирует промежуточное изображение объекта, когда в наблюдаемый I

слой пространства попала ближняя к приемнику прямоугольная пластина. Рис.5а, 5в-д являются негативами. На расстояниях 2 > 5,83 м фотоны излучения претерпевают рассеяние на неоднородностях слоя атмосферы в поле зрения ВПЧД системы и для части фотонов, отраженных или рассеянных "назад" в направлении ВПЧД, рассматриваемый объект является препятствием. В результате этого система должна фиксировать "тени" указанного объекта, что и показано на рис.5е.

В заключении приводятся основные выводы:

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для существующих однофотонных систем получения изображения (ОСПИ) с квадрантным коллектором экспериментально определены физические причины искажения двумерного изображения, связанные с потерей части заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малой рабочей площадью поля зрения детектора излучения и низкой разрешающей способностью по координатам. Предложен новый метод, устраняющий установленные основные недостатки существующих однофотонных систем получения изображения с квадрантными коллекторами. Разработанный экспериментальный образец системы с программным обеспечением для реализации этого метода позволил

повысить предельную скорость счета импульсов до 104 имп./с, повысить эквивалентное пространственное разрешение двухмерного изображения до 400x400 элементов,

увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза,

снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения.

2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (Ц), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Этот факт использован для разработки нового метода одновременного измерения координат (х, у) и t® отдельных фотонов, который был реализован с помощью однофотокного время-позиционно-чувствительного детектора излучения (ВПЧД), не имеющего аналога. При применении метода накопления для ВПЧД (число измерений более 150) и скорости счета 104 имп./с достигнута точность измерения времени поступления отдельных фотонов,'составляющая 100 пс.

и Для ВПЧД разработаны и реализованы алгоритмы, создано программное

обеспечение, позволяющее по измеряемым значениям зарядов определять одновременно две координаты и момент поступления отдельного фотона, ъ 3. Экспериментально доказана возможность измерения трех координат

отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, при синхронизации работы однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и источника подсветки (лазера).

4. Создан новый метод одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта. Этот метод реализован с помощью системы «однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор излучения -

лазер», которая при применении метода накопления (числе измерений более 169) и скорости счете 104 имп./с позволила достичь минимально разрешимого расстояния по третьей координате г отраженного или рассеянного фотона 3,0 мм.

Предложены алгоритмы определения одновременно трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, для системы «однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор излучения - лазер».

5. Разработана и реализована система получения трехмерного изображения видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами х^), у (г), /(О-

Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение построения трехмерного изображения динамических объектов.

6. Развит новый метод существенного снижения уровня естественного фона в ближнем ИК, видимом и ближнем УФ диапазонах спектра путем уменьшения длительности регистрации (кадра) ВПЧД. Экспериментальная реализация такого метода (система получения послойного изображения) показала возможность получения изображения при интегральном по времени отношении сигнал/шум порядка и меньше единицы.

Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение для системы получения послойного изображения видимой поверхности рассматриваемого объекта в видимом диапазоне спектра.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Юсупалиев У., Маркова С.Н,. Шутеев С.А. Получение объемных изображений при помощи системы ФПУ-лазер Тез. док. конф. «Лазеры. Измерения. Информация» 6-7 июня 2001 Санкт-Петербург С.61-62.

2. Стрепетов А.Н., Шугеев С.А., Юсупалиев У. Патент РФ. «Время-позиционный детектор излучения». Бюллетень Роспатента, номер публикации: 2217708, дата публикации: 27.11.2003, регистрационный номер заявки: 2002102781/28, дата начала действия патента: 2002.02.0510

3. Юсупалиев У. Шутеев С.А. Об одном методе существенного снижения уровня фона в системах получения изображений // Физическая мысль России, 2003, №1 , С.1-5.

4. Стрепетов А.Н., Шутеев С.А., Юсупалиев У. Парциальный детектор регистрации радиоактивности низкой концентрации // Физическая мысль России, 2003, № 1, с. 69-73.

5. Юсупалиев У., Шутеев С.А. О возможности существенного снижения уровня фона в системах получения изображений // Прикладная физика. 2003, №3. С.96-100.

6. Шутеев СЛ., Михеев В.В., Соколов А.И., Юсупалиев П.У. Определение геометрических характеристик объектов с помощью системы получения послойных изображений // Прикладная физика. 2003. №3. С. 101-103.

7. Yusupaliev U., Markova S.N., Shuteev S.A. Proceedings of SPIE. Problems and prospects of all-weather optical communication in the near-Earth atmosphere layer. Second International Conference on Lasers for Measurement and Information Transfer, 6-8 June 2001. St.Petersburg, Vol.4680, P.220.

Рис. 1. Система получения изображения.

,4

Рис. 2. Функциональная схема ВПЧД

Рис. 3. Варианты выполнения дополнительного анода

Рис. 4. Изображение плаката: а - интегральное, б - выделенный слой с объектом

Л21 7 0 66

РНБ Русский фонд

2006-4 11610

ООП Физ.ф-та МГУ. Заказ 130-100-05

Введение

Глава 1. Обзор литературных данных по системам получения изображений.

1.1. Функциональные возможности и принципы работы оптико-электронных систем видения.

1.2. Функциональные возможности и принципы работы однофо-тонных детекторов излучения. 39 Выводы и постановка задачи.

Глава 2. Обоснование построения системы для одновременного измерения двух координат и момента поступления отдельного фотона с высоким разрешением

2.1. О дополнительном снижении уровня естественного фона при использовании время-позиционно-чувствительного детектора.

2.2. Выбор оптимального спектрального диапазона работы вре-мя-позиционно-чувствительного детектора.

2.3. Измерение спектрального распределения яркости естественного фона в ближнем УФ диапазоне спектра. 79 Анализ данных второй главы и выводы.

Глава 3. Экспериментальная реализация системы для одновременного измерения двух координат и момента поступления отдельного фотона с высоким разрешением - однофо-тонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения

3.1. Время-позиционно-чувствительный детектор излучения.

3.2. Некоторые возможности работы время-позиционно-чувствительного детектора излучения в пассивном режиме.

3.3. Получение трехмерного изображения объектов с реальными координатами. Активный режим работы системы «лазер -ВПЧД».

3.4. Минимальное разрешение по третьей координате элемента поверхности наблюдаемого объекта.

3.5. Определение геометрических характеристик объектов с помощью системы получения послойных изображений. 111 Основные результаты и выводы. 116 Литература

Диссертационная работа посвящена исследованию возможности получения трехмерного изображения объектов и их координат в реальном времени, а именно — разработке физических принципов измерения одновременно трех координат элементов видимой части объектов.

Для получения полной информации о пространственных координатах объекта необходима регистрация всех характеристик рассеянной или излученной объектом электромагнитной волны (ЭМВ) - фотонов: амплитуды (количество фотонов), частоты, поляризации, фазы, времени поступления отраженных или излученных объектом фотонов. К настоящему моменту времени существуют эффективные методы регистрации количества фотонов, их частот и поляризации. Информацию о трехмерности объектов несет, как известно, фаза ЭМВ, отраженной от них. Однако до сих пор не предложен способ регистрации фазы ЭМВ в реальном времени, что обусловлено высокой частотой световых волн. При этом быстродействие регистрирующего устройства должно быть не хуже 10~14 -г- 10~15 с, что невозможно реализовать, по крайней мере, в настоящее время. На сегодняшний день регистрация фазы ЭМВ осуществляется не непосредственно, а с помощью интерференции когерентной опорной волны и предметной волны, отраженной от исследуемого объекта (голография). В голографии объемность изображения исследуемого объекта получается только при его восстановлении специальными методами на основе полученной интерференционной картины (пространственного распределения разности фаз опорной и предметной волны). При этом оказывается, что не существует возможности измерения пространственных координат восстановленного изображения предмета, так как его изображение является мнимым, а действительное изображение располагается позади голограммы и является зеркальным.

В природе объемность изображения создается двумя приемниками излучения (бинокулярное зрение - аналог триангуляционного дальномера, отчасти и по напряжению глазной мышцы, деформирующей хрусталик и с дальнейшей обработкой человеческим мозгом полученной информации). Кроме того, известен способ получения трехмерных координат точек поверхности малоразмерных объектов. Для этого используется пошаговое сканирование поверхности дальномером, перемещающимся в пространстве по заданной траектории. Шаг перемещения определяет дискретность получаемого изображения.

Актуальность постановки проблемы обусловлена тем, что в настоящее время существующие системы получения изображения (ЭОП различного назначения, видеосистемы, скоростные и сверхскоростные фотокамеры, различные фотоприемные устройства - ФПУ - и др.) не позволяют получать или синтезировать объемное изображение с измеренными пространственными координатами элементов поверхности исследуемого объекта. Это связано с тем, что с их помощью можно регистрировать только угловые координаты, количество (интенсивность) и частоту (иногда с выделением заданной поляризации) пришедших на ФПУ фотонов, что позволяет получать только плоское, хотя и цветное изображение.

В большинстве же практических случаев требуется получение объемного изображения именно с измеренными трехмерными пространственными координатами (желательно в цифровом виде), с которыми в дальнейшем можно проводить любые математические преобразования.

Что касается времени регистрации отраженных или излученных объектом фотонов, то физические процессы, связанные с такой регистрацией, практически не исследованы. Однако предварительный анализ показывает, что именно регистрация времени поступления отдельного фотона позволяет измерять третью координату элемента поверхности исследуемого объекта, от которого отразился или рассеялся данный фотон.

Измерение третьей координаты каждой точки наблюдаемой поверхности объектов позволяет дополнительно решать многие актуальные проблемы их визуализации более эффективно, чем это позволяют современные системы (приборы), используемые для этих целей. В частности, значительно проще можно строить рельефные изображения с реальными трехмерными координатами различных поверхностей твердого тела (например, трехмерная карта поверхности Земли), существенно увеличить дальность наблюдения объектов в мутных средах (через туман и под водой), чего нельзя добиться с помощью существующих систем получения изображения. Поэтому особую актуальность приобретают исследования, проводимые с целью разработки и создания систем получения изображения объектов с трехмерными координатами в реальном времени.

Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований в области получения изображений с трехмерными координатами каждой точки поверхности наблюдаемых объектов.

Целью работы является:

1) исследование физических процессов, влияющих на точность измерения двух (угловых) координат отдельного фотона в существующих однофотонных системах получения изображения (ОСПИ) с кодированными (квадрантными) коллекторами с целью устранения искажений двухмерного изображения;

2) исследование возможности одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов;

3) исследование возможности одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта, и разработка на основе полученных данных физических принципов одновременного измерения трех координат отдельных фотонов;

4) разработка однофотонной системы получения изображения с кодированным (квадрантным) коллектором на основе одновременного измерения двух координат и моментов поступления регистрируемых отдельных фотонов, отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта;

5) разработка однофотонной системы получения изображения с квадрантным коллектором на основе одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности рассматриваемого объекта;

6) исследование возможности существенного снижения уровня естественного фона в ближнем инфракрасном, видимом и ближнем ультрафиолетовом диапазонах спектра и разработка методов существенного снижения уровня фона на основе данных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Экспериментально исследованы физические процессы, влияющие на точность измерения двух координат отдельного фотона в ОСПИ с квадрантным коллектором. Установлено, что физическими причинами искажения двумерного изображения являются потери части общего заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малая рабочая площадь поля зрения детектора излучения и низкая разрешающая способность в существующих ОСПИ с квадрантным коллектором. На основе установленных фактов предложен новый метод, устраняющий указанные недостатки, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона (устранения искажения двумерного изображения) в таких системах.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения двух координат отдельного фотона в соответствии предложенным методом.

2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления регистрируемых отдельных фотонов (1ф), отраженных, рассеянных или излученных элементами поверхности рассматриваемого объекта. На основе полученных экспериментальных данных разработаны физические принципы одновременного измерения двух координат и моментов поступления отдельных фотонов, а также предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор излучения (ВПЧД), устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с квадрантным коллектором и позволяющий одновременно измерять как координаты х, у, так и моменты поступления регистрируемых отдельных фотонов 1ф.

Для ВПЧД разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона.

3. Экспериментально показано, что при синхронизации работы однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и источника подсветки (лазера) система «лазер - ВПЧД» позволяет одновременно измерять три координаты отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов: координаты х, у и расстояние ъ от детектора излучения до элементов поверхности объекта, отражающих или рассевающих фотоны лазерного излучения, в системе отсчета ВПЧД. На основе полученных данных исследования в видимом диапазоне спектра разработаны физические принципы одновременного измерения трех координат (х, у, z) отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, и предложен новый метод их реализации. Для реализации этого метода разработан и изготовлен экспериментальный образец (макет) системы «лазер - ВПЧД». Такая система позволяет получать трехмерное изображение видимых элементов поверхности исследуемых объектов в реальном времени с координатами x(t), y(t), z(t), чего нельзя получить с помощью существующих систем получения изображения.

Для системы «лазер - ВПЧД» разработаны алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отдельных фотонов во времени.

4. Впервые показано, что количество регистрируемых фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики систем получения изображения (СПИ), зависит от длительности их регистрации (кадра). На основе установленной зависимости разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами его снижения. Основные результаты, выносимые на защиту, заключаются в следующем.

1. Новый метод, устраняющий основные недостатки существующих ОСПИ с кодированными квадрантными коллекторами, и способ улучшения точности измерения двух координат отдельного фотона в таких системах. На основе указанного метода и способа разработан и реализован экспериментальный образец системы с программным обеспечением, позволивший

- повысить предельную скорость счета импульсов от 103 до 104 имп./с, -улучшить эквивалентное пространственное разрешение двумерного изображения от 200 х 200 до 400 х 400 элементов,

-увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза,

-снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения.

2. Новый метод одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (to), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Реализация этого метода с помощью нового однофотонного ВПЧД излучения, позволившего достичь при скорости счета 104 имп./с и методе накопления (числе измерений более 150) точности измерения времени поступления отдельных фотонов до 10 пс.

Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно двух координат и момента поступления отдельного фотона для однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения.

3. Новый метод одновременного измерения трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов. Реализация этого метода с помощью системы «лазер -однофотонный ВПЧД излучения», позволившей достичь при скорости счета 104 имп./с и методе накопления (числе измерений более 169) минимально разрешимого расстояния по третьей координате z отраженного или рассеянного фотона 3 мм.

Алгоритмы и программное обеспечение определения одновременно трех координат отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта отдельных фотонов для системы «лазер — однофотонный ВПЧД излучения».

4. Разработка и реализация нового метода получения трехмерного изображения элементов видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами x(t), y(t), z(t). Разработанная система на основе этого метода позволяет получать разрешенное во времени трехмерное и изображение элементов видимой поверхности исследуемых объектов с реальными координатами х(1), у(0, г(1).

Алгоритмы и программное обеспечение построения изменяющегося во времени трехмерного изображения объектов (с изменяющейся во времени геометрией и положением в пространстве).

5. Впервые показано, что количество регистрируемых естественных фоновых фотонов (интенсивность естественного фона), помимо яркости спектрального распределения естественного фона, спектральной полосы регистрации и телесного угла поля зрения входной оптики СПИ, зависит от длительности их регистрации (кадра), причем оно пропорционально третьей степени длительности кадра. На основе этого факта реализован метод существенного снижения уровня естественного фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами снижения.

Алгоритмы и программное обеспечение для реализации метода существенного снижения уровня естественного фона в СПИ. Достоверность результатов подтверждается:

- результатами экспериментальных исследований, выполненных с применением комплексных измерительных систем;

- надежностью данных измерений, определенной адекватным пространственно-временным разрешением измерительных систем, стабильностью параметров и калибровок измерительной аппаратуры;

- обоснованностью требований, предъявляемых к методикам обработки и анализа данных, а также относительно низкой погрешностью измерений.

Научно-практическая ценность работы заключается в следующем. Разработаны физические принципы одновременного измерения угловых координат (х, у) и момента поступления (I) отдельных фотонов с высокой точностью (~10"п с) и частотой следования фотонов МГц. Разработаны физические основы существенного снижения уровня фона при измерении координат отдельного фотона по сравнению с существующими методами снижения уровня фона.

На основе разработанных физических принципов реализован время-позиционно-чувствительный детектор излучения.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ. Результаты работы представлялись на 3 отечественных и международных конференциях. Помимо этого результаты работы докладывались на семинарах в МГУ им. М.В. Ломоносова, МГСУ, ИОФРАН и ФТИРАН.

Содержание работы.

В первой главе приводится краткий обзор литературных данных по системам визуализации изображений, их составу, физическим методам их работы, алгоритмам построения изображений, указаны их возможности, достоинства и недостатки, сформулированы задачи диссертации.

Во второй главе приводится обоснование построения высокочувствительного ВПЧД.

Одной из основных задач получения изображений с помощью видеосистем, электронно-оптических преобразователей и др. является выделение полезной информации на фоне шума. Процедура выделения полезной информации в конечном счете сводится к улучшению отношения сигнал/шум, которое достигается за счет накопления полезного сигнала либо уменьшения уровня шума. Эффективность улучшения отношения сигнал/шум путем накопления полезного сигнала высока только при слабом сигнале и низком уровне шума. Для повышения эффективности системы получения изображения желательно максимально снижать уровень шума в процессе его получения (здесь под шумом понимается фоновая помеха). Такая задача с практической точки зрения особенно актуальна в системах получения изображений в мутных средах (тумане, под водой).

Опыт эксплуатации систем получения изображений показывает, что существующие методы снижения уровня фона недостаточно эффективны при отношении сигнал/шум порядка единицы. В этом случае применяются различные методы накопления полезного сигнала. Однако, при этом также происходит накопление собственного шума системы в целом, что снижает эффективность метода накопления.

Для выделения полезного сигнала при использовании интегрального по времени отношения сигнал/шум необходимо оценить количество фоновых фотонов, попадающих на вход объектива СПИ. За время кадра тк на вход объектива попадают фотоны из поля зрения системы (шаровой сектор с вершиной в центре оптического блока системы и радиусом тк-с, (где с -скорость света в среде). Будем считать, что фоновые фотоны распределены в пространстве изотропно. Кроме того, не будем учитывать ослабление света приземной атмосферой. Тогда количество фоновых фотонов N0 за время тк равно где О - телесный угол поля зрения системы, Пф(А,) - спектральная плотность фоновых фотонов в единице объема, которая в пределах полосы пропускания интерференционного фильтра ДА, считается постоянной, и телесные углы, под которым виден ¡-ый и ^ый посторонние объекты с координатой Z¡ и Zj соответственно. Суммирование по I и j в выражении (1) проводится по не перекрывающимся телесным углам Координаты Хо, Zj должны удовлетворять неравенствам Ъ§<Ъ\< 0 < < В (1) Кфзаписано в виде двух сумм, которые соответствуют количеству фоновых фотонов из областей поля зрения системы за и перед рассматриваемым объектом с координатой

О) и

К фоновым фотонам добавляются дополнительные фотоны, отраженные или рассеянные атмосферными образованиями (облаками, локальными туманами и др.) и фоновые фотоны, отраженные от поверхностей посторонних предметов. Дополнительные фотоны появляются также при облучении посторонних предметов источником подсветки. Если облучение осуществляется непрерывным источником света за время тк, то количество дополнительных фоновых фотонов Ифд, попадающих на вход объектива системы равно п т

ВХ Тк > (2)

• ¡ где п(А,)фд( и п(А.)фд) - поверхностные спектральные плотности фотонов, отражаемых или рассеиваемых посторонними предметами на входе объектива оптики системы с площадью Бвх, расположенными позади и впереди исследуемого объекта соответственно. В (2) п(А.)ФД1 и п(А.)ф;у в пределах полосы пропускания интерференционного фильтра считались постоянными.

Способы снижения количества фоновых фотонов за счет уменьшения телесного угла О поля зрения системы, спектральной полосы пропускания ДА. и диафрагмирования площади Бвх входного объектива ее оптики хорошо известны и применяются в современных системах видения.

Для получения изображения объекта, имеющего линейный размер АЪ (по координате Т) и находящегося на расстоянии Zo, по глубине обозрения системы в пассивном режиме ее работы требуется длительность "кадра", равная = АХ /с = Ю"10 с при Дг=3 см. Отсюда ясно, что существующие системы получения изображений (видеосистемы и ЭОП) в течение длительности «кадра» при получении изображения объекта с размером А2. = 3 см помимо фоновых фотонов в рассматриваемом объеме ДУдг поля зрения с характерным размером АЪ накапливают фоновые фотоны из других областей поля зрения. Исходя из выражения (1) можно определить отношение количества общего числа фоновых фотонов в конусе с высотой с-хк к количеству фоновых фотонов в рассматриваемом объеме АУдг поля зрения системы без учета фоновых фотонов от посторонних предметов:

21 V о г, 1

3 + 3- (Л7.) ГЛ72 VI

1 ; 1

1, (3)

2 д^ где — >1, —« 1. Следствием формулы (3) является в частности то, что при получении изображения исследуемого объекта с размером ДZ = 3 см, расположенного на расстоянии = 100 м, видеосистемы (с тк=4-10'2 с)

1Я накапливают в 10 раз большее количество фоновых фотонов по сравнению с неизбежными фоном (из объема АУ^). Для ЭОП (длительность

А 7 « 4 стробирования тк=10" -10" с) соответствующее отношение равно ~ Отсюда ясно, что уменьшение длительности «кадра» является одним из эффективных методов снижения уровня фона в системах построения изображения. Такой же вывод можно сделать из выражений (1) и (2): количество фоновых фотонов Ыф пропорционально третьей степени длительности «кадра» (первый член в (1)) и первой степени параметров О, 8ВХ и АХ.

При уменьшении длительности «кадра», помимо снижения уровня однородного фона, отсекаются дополнительные фоновые фотоны от атмосферных образований и поверхностей посторонних предметов, находящихся за исследуемым объектом в поле зрения системы наблюдения. Что касается естественных и дополнительных фоновых фотонов из области поля зрения СПИ, находящихся между исследуемым объектом и СПИ (вторые члены в выражениях (1) и (2)), то метод уменьшении длительности «кадра» не дает возможности их отсекания. Метод стробирования ЭОП позволяет отсекать фоновые фотоны из областей поля зрения системы только за и перед объемом наблюдаемой области (усеченный конус с высотой Zo — 2строба= с-Тстроб)- Что касается фоновых фотонов из поля зрения СПИ, то они в методе стробирования ЭОП будут зарегистрированы. Количество фоновых фотонов из объема наблюдаемой области при методе стробировании равно

N4,06 = п(А.) ДА, у О Ъ с Тстроб + £ п(А.)Фд) ДА, Бвх Тстроб • (4)

Из (4) видно, что чем меньше длительность стробирования Тстроб» тем меньше количество фоновых фотонов из объема обозрения. Минимальное значение Острое» достигнутое в настоящее время, составляет ~ 100 не, а высота усеченного конуса равна — ZcтpoБ = 30 м. Стремление уменьшить величину *строб за счет сокращения длительности высоковольтного импульса управления оптическим затвором либо ЭОП приводит к росту собственных шумов всей системы в целом.

Таким образом, метод стробирования ЭОП, существенно снижая количество фоновых фотонов (примерно до 1013 раз) по сравнению с видеосистемой, не позволяет отсекать фоновые фотоны из области наблюдения, находящейся перед рассматриваемым объектом (при ZcтpoБ < 2 < — Ы, ). С практической точки зрения именно этот случай имеет существенное значение: например, туман между исследуемым объектом и ФПУ.

Новый эффективный метод снижения уровня фона реализован в специальной системе получения послойного изображения. Суть предложенного метода состоит в отсекании фоновых фотонов как из области поля зрения между исследуемым объектом и объективом системы (второй член в (1) и (2)), так и из области за объектом (первый член в (1) и (2)). Одно из отличий этой системы от существующих СПИ заключается в возможности изменения длительности «кадра» изображения как на аппаратном, так и на программном уровне. Минимальное значение длительности "кадра", достигнутое в данной системе, составляет ~ 10'11 с. В качестве импульсного источника подсветки используется полупроводниковый лазер (с длиной волны 635 нм, длительностью импульса 30 не и частотой повторения до 1 МГц), который синхронизируется со специальной системой получения изображений. Следует отметить, что применение для импульсной подсветки полупроводникового лазера связано не с необходимостью когерентного излучения с малой угловой расходимостью (пучок все равно надо расширять оптическим расширителем до охвата всей области регистрации), а только с высоким КПД излучателя и возможностью получения импульсов длительностью порядка десятков пикосекунд, поэтому вполне возможно использование и суперлюминесцентных светодиодов.

Таким образом, показана возможность существенного снижения уровня фона с помощью системы получения послойного изображения.

В третьей главе приводится описание экспериментального образца однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и результаты применения его при наблюдении различных объектов.

ВПЧД представляет собой устройство, предназначенное для регистрации одновременно двух координат и момента поступления отдельных квантов излучения в УФ, видимом и ИК диапазоне спектра. Детектор излучения состоит из (рис. 20):

- блока предварительной обработки излучения (2), включающего в себя в зависимости от решаемой задачи электронно-управляемый ослабитель (3), блок преобразования излучения (4), перестраиваемый оптический фильтр (5), оптическую систему (6);

- фотокатода (7);

- электронной линзы (8);

- блока позиционно-чувствительных усилителей (9);

- микроканальных пластин (10);

- анодного блока (12) с дополнительным (13) и основным в виде квадрантного коллектора (14) анодами;

- многоканального усилителя (15);

- блока измерения зарядов (16);

- блока определения координат (17);

- блока коррекции координат (18);

- время-координатного блока (19);

- блока хранения, обработки и визуализации сигнала (20);

- широкополосного усилителя (21);

- блока определения времени (22);

- блока измерения полного заряда (23);

- блока амплитудно-временной коррекции (24);

- блока коррекции времени (25);

- блока анализа (26);

- блока принятия решения (27).

Детектор представляет собой установленный по ходу излучения 1 блок предварительной его обработки 2, который в случае различных видов излучения может представлять собой различный набор следующих блоков: электронно-управляемый ослабитель 3, блок преобразования излучения 4, перестраиваемый оптический фильтр 5, оптическая система 6. Далее установлен фотокатод 7, за которым может находиться электронная линза 8. За ней установлен блок позиционно-чувствительных усилителей (ПЧУ) 9, который выполнен в виде микроканальных пластин (МКП) 10. Далее по ходу излучения установлен анодный блок 12, представляющий собой основной анод 14 и дополнительный анод 13. Варианты их выполнения показаны на рис. 21 а и б.

Основной анод выполнен в виде квадрантного электрода, окруженного дополнительным анодом, который выполнен в виде полого цилиндра. Аноды соединены электрически с последовательно соединенными многоканальным усилителем 15, блоком измерения зарядов 16, блоком определения координат 17, блоком коррекции координат 18, время-координатным блоком 19 и блоком хранения, обработки и визуализации сигнала 20.

Канал измерения времени состоит из широкополосного усилителя 21, блока определения времени 22, блока амплитудно-временной коррекции 24 и блока коррекции времени 25.

Канал измерения полного заряда состоит из анодного блока 12, многоканального усилителя 15, блока измерения зарядов 16, широкополосного усилителя 21, блока измерения полного заряда 23. Координатный канал состоит из блоков: 15 - многоканальный усилитель, 16 -блок измерения зарядов, 17 - блок определения координат, 18 - блок коррекции координат, 19 - время-координатный блок.

Блок позиционно-чувствительных усилителей 9 выполнен в виде микроканальных пластин.

ВГТЧД работает следующим образом. Поток входного излучения 1 (рис. 20) ослабляется до приемлемого для нормальной работы детектора уровня с помощью ослабителя 3 (который может быть электронно-управляемым). Ослабленное излучение блоком преобразования излучений 4 конвертируется, если необходимо, в поток излучения в видимом диапазоне спектра. Электронно-перестраиваемый оптический фильтр 5 пропускает требуемый узкий спектральный диапазон видимого излучения, и оптическая система 6 формирует его изображение на поверхности фотокатода 7. Фотокатод преобразует этот оптический сигнал в электрический сигнал, и электронная линза 8 формирует на входной поверхности блока ПЧУ 9 электронное изображение входного потока квантов. Усиленный блоком МКП электрический сигнал представляет собой электронную лавину 11, диаметр которой увеличивается до требуемой величины с помощью электрического и/или магнитного поля между блоком МКП и анодным блоком 12. Дополнительный анод 13 предназначен для сбора потерянной части заряда электронной лавины в основном аноде. Измерение полного заряда с помощью дополнительного анода существенно улучшает пространственное разрешение детектора, особенно по краям его поля зрения, и, следовательно, увеличивает его поле зрения.

Далее обработка электрических сигналов проводится по трем каналам: координатному каналу, каналу измерения времени и каналу измерения полного заряда.

Электрические сигналы Ио с дополнительного анода 13 и и1,.,и4 с основного анода 14, вызванные попаданием зарядов электронной лавины на анод, подаются на входы многоканального усилителя 15 для последующего преобразования блоком измерения зарядов 16 в цифровые данные. Цифровые сигналы от указанного блока одновременно поступают в блок определения координат 17 и блок измерения полного заряда 23. С выхода блока 17 цифровые данные о координатах подаются на блок коррекции координат 18. На другой вход блока определения координат 17 поступает цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23. Цифровой сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 поступает на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат 18. После коррекции координат цифровые данные о координатах одновременно поступают на входы блока коррекции времени 25 и время-координатного блока 19. На другой вход время-координатного блока 19 поступает цифровой сигнал от блока коррекции времени 25. Далее цифровые данные о координатах и времени поступления квантов подаются в блок хранения, обработки и визуализации 20.

Аналоговый электрический сигнал со входа последней МКП блока ПЧУ подается на вход широкополосного усилителя 21, после усиления — на входы блока измерения полного заряда 23 и блока измерения времени 22. В блоке измерения полного заряда 23 аналоговый электрический сигнал преобразуется в цифровой. На основании сигналов, поступивших из блоков измерения зарядов 16 или/и усилителя 21, проводится вычисление полного заряда. Выработанный сигнал с выхода блока измерения полного заряда 23 подается на входы блоков определения координат 17 и коррекции координат18 и блока амплитудно-временной коррекции 24.

В блок определения времени 22 поступает сигнал "Время" и сигнал от усилителя 21. В результате работы блока 22 вырабатывается цифровой сигнал, соответствующий временному интервалу между сигналами. Блок 22 может быть реализован в виде время-амплитудного преобразователя и аналого-цифрового преобразователя, тогда в нем измерение времени происходит по схеме: преобразование временного интервала между сигналами в амплитуду аналогового импульса и последующего преобразования амплитуды этого импульса в цифру. Блок 22 может представлять собой быстродействующие АЦП, позволяющие конвертировать входные аналоговые сигналы в массив цифр, величина которых соответствует амплитуде входных сигналов через малые равные интервалы времени. Регистрация времени основывается в этом случае на определении по оси времени "центра тяжести" сигналов.

Детектор излучения управляется блоком анализа 26 и блоком принятия решения 27. Блок анализа 26 запускается либо от внешнего импульса, либо от внутреннего импульса. На его вход поступают аналоговые сигналы от широкополосного усилителя 21, после чего им производится анализ характеристик входных импульсов по заданному алгоритму, и результат анализа в виде цифрового сигнала подается на вход блока принятия решения 27. На основе проведенного анализа блоком принимается решение о выработке сигнала управления блоком предварительной обработки излучения, в частности электронно-управляемым ослабителем 3. После достижения заданных характеристик входных импульсов для нормальной работы детектора указанным блоком вырабатываются синхроимпульсы, которые подаются на входы блоков 2, 16 - 19, 22 - 25 детектора для начала их работы.

Измерение полного заряда позволяет значительно улучшить пространственное разрешение и точность измерения времени поступления фотонов, увеличить эффективное рабочее поле зрения детектора (для квадрантного анода - в четыре раза).

Для улучшения точности измерения времени применена процедура амплитудно-временной коррекции и она осуществляется в цифровом блоке амплитудно-временной коррекции. Для этого сначала находится калибровочная кривая зависимости времени от величины заряда. Затем данные указанной калибровочной зависимости вводятся в память блока амплитудно-временной коррекции.

Для улучшения точности определения координат (вследствие неоднородности характеристик МКП) применяется процедура коррекции координат, которая аппаратно осуществляется в блоке коррекции координат на основании предварительной калибровки его с помощью тест объекта. Для снижения требований к техническим характеристикам компонентов детектора излучения проводятся процедуры: амплитудно-временной коррекции; коррекции времени и координат.

Введение дополнительных блоков коррекции и изменение конструкции анода позволило, не повышая требований к техническим характеристикам составных частей детектора, расширить его функциональные возможности и повысить его выходные характеристики: точность определения времени и координат регистрируемого фотона, что в свою очередь улучшает качество регистрируемого изображения.

С помощью описанного выше ВПЧД были проведены эксперименты по получению изображений объектов и их координат, подтверждающие его заявленные возможности.

Один из экспериментов проводился по наблюдению в видимой области спектра надписи на плакате, стоящем за двойным слоем марли. Если на интегральном по дальности наблюдения изображении надписи не видно (рис. 27а), то послойное наблюдение по дальности позволяет различать эту надпись (рис. 276).

В следующем эксперименте также проводилось наблюдение за сложным объектом в форме кувшина с цилиндром в верхней части, к которому были прикреплены две прямоугольные пластины на торцах (рис. 36).

На рис.Зба приведено общее интегральное по оси Ъ изображение наблюдаемого объекта (вид вдоль оси X), полученное с помощью системы построения послойного изображения (с одного ракурса) в системе координат, связанной с ее фотоприемным устройством. Ось Ъ направлена от читателя. Схематичный вид объекта сверху представлен на рис. 366. Осуществление послойного просмотра объекта по оси Z с шагом 2 мм вдоль оси Ъ дает следующие результаты. На расстоянии 7=5,35 м (в условиях эксперимента) от фотоприемного устройства системы расположена передняя часть объекта (рис.Збв), а его дальняя часть - на расстоянии г=5,83м (рис.Збд). Рисунок 36г демонстрирует промежуточное изображение объекта, когда в наблюдаемый слой пространства попала ближняя к приемнику прямоугольная пластина. Рис.Зба,в-д являются негативами. На расстояниях Ъ > 5,83 м фотоны излучения претерпевают рассеяние на неоднородностях слоя атмосферы в поле зрения ВПЧД системы и для части фотонов, отраженных или рассеянных "назад" в'направлении ВПЧД, рассматриваемый объект является препятствием. В результате этого система должна фиксировать "тени" указанного объекта, что и показано на рис. 36е.

Основные результаты и выводы.

1. Для существующих однофотонных систем получения изображения (ОСПИ) с квадрантным коллектором экспериментально определены физические причины искажения двумерного изображения, связанные с потерей части заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малой рабочей площадью поля зрения детектора излучения и низкой разрешающей способностью по координатам. Предложен новый метод, устраняющий установленные основные недостатки существующих однофотонных систем получения изображения с квадрантными коллекторами. Разработанный экспериментальный образец системы с программным обеспечением для реализации этого метода позволил

- повысить предельную скорость счета импульсов с 103 до 104 имп./с,

-улучшить эквивалентное пространственное разрешение двухмерного изображения с 200x200 до 400x400 элементов,

- увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза,

- снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения.

2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (to), отраженных, рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Этот факт использован для разработки нового метода одновременного измерения координат (х, у) и to отдельных фотонов, который был реализован с помощью однофотонного ВПЧД излучения, не имеющего аналога. При применении метода накопления для ВПЧД (число измерений более 150) и скорости счета 104 имп./с достигнута точность измерения времени поступления отдельных фотонов, составляющая 100 пс.

Для ВПЧД разработаны и реализованы алгоритмы, создано программное обеспечение, позволяющее по измеряемым значениям зарядов определять одновременно две координаты и момент поступления отдельного фотона.

3. Экспериментально доказана возможность измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, при синхронизации работы однофотонного ВПЧД излучения и источника подсветки (лазера).

4. Создан новый метод одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта. Этот метод реализован с помощью системы «лазер — однофотонный ВПЧД излучения», которая при применении метода накопления (числе измерений более 169) и скорости счете 104 имп./с позволила достичь минимально разрешимого расстояния по третьей координате ъ отраженного или рассеянного фотона 3,0 мм.

Предложены алгоритмы определения одновременно трех координат отдельных фотонов, отраженных или рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, для системы «лазер — однофотонный ВПЧД излучения».

5. Разработана и реализована система получения трехмерного изображения видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами х(1:), у^), г(1).

Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение построения трехмерного изображения динамических объектов.

6. Развит новый метод существенного снижения уровня естественного фона в ближнем ИК, видимом и ближнем УФ диапазонах спектра путем уменьшения длительности регистрации (кадра) ВПЧД. Экспериментальная реализация такого метода (система получения послойного изображения) показала возможность получения изображения при интегральном по времени отношении сигнал/шум порядка и меньше единицы.

Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение для системы получения послойного изображения видимой поверхности рассматриваемого объекта в видимом диапазоне спектра.

Основные результаты и выводы

1. Для существующих ОСПИ с квадрантным коллектором экспериментально определены физические причины искажения двумерного изображения, связанные с потерей части заряда электронной лавины от микроканальной пластины, относительно малой рабочей площадью поля зрения детектора излучения и низкой разрешающей способностью по координатам. Предложен новый метод, устраняющий установленные основные недостатки существующих однофотонных систем получения изображения с квадрантными коллекторами. Разработанный экспериментальный образец системы с программным обеспечением для реализации этого метода позволил

- повысить предельную скорость счета от 102 до 104 имп./с,

-улучшить эквивалентное пространственное разрешение двумерного изображения от 200 х 200 до 400 х 400 элементов,

- увеличить эффективную поверхность рабочего поля зрения позиционно-чувствительного детектора излучения в ~ 4 раза,

- снизить требования к техническим характеристикам (упростить технологию изготовления) отдельных компонентов позиционно-чувствительного детектора излучения.

2. Экспериментально доказана возможность одновременного измерения двух координат (х, у) и момента поступления отдельных фотонов (1ф), рассеянных или излученных рассматриваемым объектом. Этот факт использован для разработки нового метода одновременного измерения координат (х, у) и 1Ф отдельных фотонов, который был реализован с помощью однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения, не имеющего аналога. При применении метода накопления фотонов для ВПЧД и скорости счета 104 имп./с достигнута точность измерения времени поступления отдельных фотонов, составляющая 10 пс.

Для ВПЧД разработаны и реализованы алгоритмы, создано программное обеспечение, позволяющее по измеряемым значениям зарядов определять одновременно две координаты и момент поступления отдельного фотона.

3. Экспериментально доказана возможность измерения трех координат отдельных фотонов, рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, при синхронизации работы однофотонного время-позиционно-чувствительного детектора излучения и источника подсветки (лазера).

4. Создан новый метод одновременного измерения трех координат отдельных фотонов, рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта. Этот метод реализован с помощью системы «лазер - однофотонный время-позиционно-чувствительный детектор излучения», которая при применении метода накопления и скорости счета 104 имп./с позволила достичь минимально разрешимого расстояния по третьей координате ъ рассеянного фотона 3,0 мм.

Предложены алгоритмы определения одновременно трех координат отдельных фотонов, рассеянных элементами поверхности исследуемого объекта, для системы «лазер — однофотонный время-позиционно-чувстви-тельный детектор излучения».

5. Разработана и реализована система получения трехмерного изображения видимой поверхности исследуемых объектов во времени с реальными координатами х(1), у(1), г(1), чего нельзя достичь с помощью существующих систем получения изображения.

Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение построения трехмерного изображения динамических объектов.

6. Развит новый метод существенного снижения уровня естественного фона в ближнем ИК, видимом и ближнем УФ диапазонах спектра путем уменьшения длительности регистрации (кадра) ВПЧД. Экспериментальная реализация такого метода (система получения послойного изображения) показала возможность получения изображения при интегральном по времени отношении сигнал/шум порядка и меньше единицы.

Разработаны и реализованы алгоритмы, программное обеспечение для системы получения послойного изображения видимой поверхности рассматриваемого объекта в видимом диапазоне спектра.

1. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. М.: Советское радио, 1971.

2. Мосягин Г.М., Немтинов В.Б., Лебедев Е.Н. Теория оптико-электронных систем. М.¡Машиностроение», 1990.

3. Knyaz V.A., Sibiryakov A.V. The Development of New Coded Targets for Automated Point Identification and Non-contact 3D Surface Measurements, International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, v. XXXII, part 5, Hakodate, Japan, 1998, p. 80-85.

4. Knyaz V.A., Zheltov S.Yu., Stepanyantc D.G. Automated Photogrammetric System for Photorealistic Skull 3D Reconstruction. // Videometrics and Optical Methods for 3D Shape Measurements. Proc. SPIE, v.4309, 2001, p. 336-345

5. Knyaz V.A. Photogrammetry for Rapid Prototyping: Development of Non-contact 3D Reconstruction Technologies.// Proc. SPIE, v.4464, 2001, p. 437-445

6. Knyaz V.A., Stepanyantc D.G. PC-Based Digital Close-Range Photogrammetric System for Rapid 3D Data Input in Cad Systems. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, v. XXXIII, part B5/2, Amsterdam, The Netherlands, 2000, p. 756-763.

7. Князь B.A., Амелин B.B. Объединение фрагментов трехмерной модели объекта. Материалы 12 Международной Конференции по Компьютерной Графике и Машинному Зрению Графикон 2002, Нижний Новгород, 16-21 сентября 2002, с. 99-103

8. Карасик В.Е., Орлов В.М. Лазерные системы видения. М.:, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.

9. Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев А.Н., Резников И.В. Одноэлектронные фотоприемники. М.: Энергоатомиздат,1986. 10А. Gelbart A., et al II Proc. SPIE, v.4723, 2002, р.9.

10. Артемьев В.В., Рожнова И.П.// Изв. Крымск. Астрофиз. Обсерв., 1963, т. 30, с. 297-307.

11. Димов Н.А.// Изв. Крымск. Астрофиз. Обсерв., 1963, т. 30, с. 308-311.

12. Арречи, Гатти, Сона.//Приборы для научн. исследов.,1966, №7, с. 128-134.

13. Ветохин С.С. и др. Одноэлектронные фотоприемники. М.: Атомиздат, 1979.

14. Миберн Дж. Обнаружение и спектрометрия слабых источников света. М.:Мир, 1979.

15. Прокофьев В.В.//УФН, 1979, т. 127, вып. 3, с.501-526.

16. Айбунд М.Р., Поленов Б.В. Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение. М.:Энергоиздат, 1981.

17. Eberhardt Е.Н./ЛЕЕЕ Trans. Nucl. Sci., 1981, v.28, №1, p.712-717

18. Yamazaki I., Tamai N.//Rev.Sci.Instrum.,1985, v.56, N6,p.l 187-1194

19. Kwiat P.G., Steinberg A.M. et al. // Applied Optics., 1994, v.33, №10, p. 18441853.

20. Филармони и др. // Приборы для научн. исследов.,1982, №5, с. 10-13

21. Rees D. et al. //J.Phys.E., 1980, v.13, p.763.

22. Клампин, Крокер, Пареске, Рейфел.// Приборы для научн. исследов.,1988, №8, с. 3-19.

23. Лэмптон, Пареске // Приборы для научн. исследов.,1974, №9, с. 57.

24. Лоруэнс, Стоун.// Приборы для научн. исследов.,1975, №4, с. 90.

25. Weiser Н. et al.// Applied Optics., 1976, v. 15, p. 3123.

26. Hartig G.F., Fastie W.G. et al.//Applied Optics., 1980, v. 19, p. 729

27. Bowyer S. et al. // Applied Optics., 1981, v.20, p.477.

28. Opal C.B. et al // Proc. SPIE, v.III 172, 1979, р.317

29. Mason I.M. et al. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1984, v.31, p.795.

30. Wells A.//Proc. SPIE, 1987, v.597, p. 146.

31. Rees D. et al. //J.Phys.E., 1981, v. 14, p. 229.

32. McWhirter L., Rees D., Greenaway A.H. //J.Phys.E., 1982, v. 15, p. 145.

33. Mertz L., Tarbell T.D., Title A.//Applied Optics., 1982, v.21, p.628.

34. Клампин, Эдвин. // Приборы для научн. исследов.,1987, №2, с.90.

35. Hardy Е. et al// SPIE Instrum. Astron., 1986, v.VI 627, p.213.

36. Durand D., Hardy E., Couture J.// Publ. Astron. Soc. Рас., 1987, v.99, p.680.

37. Allington-Smith J.R., Schwartz H.E.//Q.J.R.Astron. Soc., 1984, v.25, p.267.

38. Firmani C. et al//Astron. Astrophys., 1984, v.134, p.251.

39. Crocker C. et al// SPIE Instrum. Astron., 1986, v.VI 627, p.631.

40. Charpak G. et al//Nucl. Instr. Methods, 1968, v.65, p.217.

41. Breskin A. Zwang H.// IEEE Trans. Nucl. Sci., 1978, v.NS-25, p. 126.

42. Duval B.P. et al// Rev.Sci.Instrum. v.57, 1986, №8(11), p.2156.

43. Morris C.L. et al// IEEE Trans. Nucl. Sci., 1978, v.NS-25, p. 141.

44. Lombardi M. Et al// Nucl. Instrum. Methods A, 1985, v.238, p.422.

45. Lombardi M. Et al// IEEE Trans. Nucl. Sci., 1986, v.NS-33, p.403.

46. Лэмптон M., Зигмунд О. Раффанти P.// Приборы для научн. исследов., 1987, №12, с.89

47. Vallerga J et al// Conf. On Position-Sensitive Detectors, University College, London, 1999

48. Marckwordt M.// Rev.Sci.Instrum., 2003, v.74, p.212.

49. Sholl M. et al// Proc. SPIE, 2003, v.4854, p.467.

50. Marckwordt M. Et al// SPIE, 2003, San Diego, SA.

51. Schwartz H.E., Lapington J.S. // IEEE Trans. Nucl. Sci., 1985, v.NS-32, p.433.

52. Anger H.O.//Instr. Soc. Am.Tran., 1966, v.5, p.311.

53. Martin C., Jelinsky P., Lampton M., et al// Rev.Sci.Instrum., 1981, v.52, p. 1067.

54. Siegmund O.H.W., Clothier S. et al// IEEE Trans. Nucl. Sei., 1983, v.NS-30, p.503.

55. Lapington J.S., Schwartz H.E.// IEEE Trans. Nucl. Sei., 1986, v.NS-33, p.288.

56. Архипова T.A., Дебур В.Г., Купцова Г.З., Мечетин A.M., Пахомов М.Т., Смирнова М.И.// ПТЭ, 1993, №2, с. 146.

57. Лемптон, Малина// Приборы для научн. исследов.,1976, №11, с.43.

58. Lapington J.S.// Proc. Computing and Control Division Colloquium on Satellite Instrumentation, 1988, v. 12, p.41.

59. Mathieson E.// J.Phys.E., 1979, v. 12, p. 183.

60. Siegmund O.H.W., Jelinsky P., Tremsin A.S. et al//Proc. SPIE, 1999, v.3765, p.429.

61. Siegmund O.H.W., Tremsin A.S. et al//Proc. SPIE, 2001, v.4498, p. 131.

62. Siegmund O.H.W., Tremsin A.S. et al//Nucl. Instr. And Methods in Phys. Res. A, 2003, v.504, p.177.

63. Якушенков Ю.Г., Луканцев B.H., Колосов М.П. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах. М.: Радио и связь, 1981.

64. Якушенков Ю.Г. Основы теории и расчета оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989.

65. Копейка Н.С., Бордовья Дж. Фоновые шумы в оптических системах связи // ТИИЭР, 1980, т.58. № 10, с. 170.

66. Сигналы и помехи в лазерной локации. Под ред. В.Е. Зуева. М.: Радио и связь, 1986.

67. Хинрикус X. В. Шумы в лазерных информационных системах. М.: Радио и связь, 1987.

68. Optical Pattern Recognition XI // Proc. SPIE, 2000, v. 4043, Orlando, Florida, 26-27 April.

69. Заге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Мн.: Наука и техника, 1985.

70. Левин И.М. Справочник по подводному видению. Л.: 1991

71. Зеленский В.В., Мартынов В.Л., Колобков B.C. и др. //Сборник материалов юбилейной научно-практической конференции 15 ЦНИЛ ВМФ МО, Санкт-Петербург, 2001, с. 15.

72. Всесоюзная научная конф. "Оптика моря и атмосферы", Часть 2, Красноярск, 1990, с.8.

73. Агишев. Защита от фоновой помехи в оптико-электронных системах контроля состояния атмосферы. М.: Машиностроение, 1994.75. 7-й Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана». Томск, 16-19 июня 2000,

74. Ошлаков В.Г. Стробируемый фотоприемник // ПТЭ, 1984, № 1, с. 178.

75. Михельсон E.H. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета М.:ФМЛ, 1995.

76. Карасик В.Е. Лазерные системы видения. М.: МГТУ, 2001.

77. Атмосфера. Справочник Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

78. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. М.: МГУ, 1986.

79. Борен К., Хамфен А. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986.

80. Общая геофизика. М.: МГУ, 1995.

81. Кошеленко И.В. Туманы. Труды УкрНИИ, 1977, вып.155.

82. Облака и облачная атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

83. Деконт Ж. Инфракрасное излучение. М.: ГИФМЛ, 1958.

84. Лазарев Л.П. Инфракрасные и световые приборы самонаведения и наведения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1981.

85. Willam А. Baum, Lawrensct Dulkeman. // J. Optc. Soc. of America, 1955, v.45, №3, p. 166.

86. Попов О.И. и др. // Изв. АН СССР, сер. географическая, 1961, № 3, с. 478.

87. Freeman D. Е and et al // High Plan. Space Sei., 1984, v.32, N2, p. 239.

88. Физические величины. Справочник. M.: Энергоатомиздат, 1991.

89. Физическая энциклопедия. Т.1 -5, M.: Большая Российская энциклопедия, 1998.

90. Химическая энциклопедия. Т. 1-5, М.: Большая Российская энциклопедия, 1998.

91. Смирнов Б.М. Физика атома и ионов. М.: Энергоатомиздат, 1986.

92. Смирнов Б.М., Радциг A.C. Справочник по атомам и молекулам. M.: Энергоатомиздат, 1986.

93. Смирнов Б.М. Физика возбужденного атома . М.: Энергоатомиздат, 1989.

94. Дмитриев М.Т., Пшежецкий С.Я. Радиационные физико-химические процессы в воздушной среде. М.: Атомиздат, 1978.

95. Мак-Ивен М., Филлипс JT. Химия атмосферы. М.: Мир, 1978.

96. Мерзон. Д. Б. Проблемы физики атмосферы, 1986, вып. 18, с.42.

97. Кузьменков Л.С., Максимов С.Г. ТМФ, 1999, т.118, №2, с.287.

98. Юсупалиев У. 1-ВСРПД, М.: Энергоатомиздат, 1989, С.51.

99. Алексадров А.Ф. и др. ТВТ, 1988, т.25, N 5, с. 1008.

100. Александров А.Ф., Рухадзе A.A. Электроразрядные высокоинтенсивные источники света.М.: Атомиздат, 1976.

101. Звягинцев А. М., Крученицкий Г.М. Оптика атмосферы и океана, 1999, Т. 12, № 1)С. 10.

102. Звягинцев А. М., Крученицкий Г.М. Оптика атмосферы и океана, 2000, т. 13, №2, с. 175.

103. Ozon, Data for the World. Canada Environ. Service// WMO. Downsview — Ontario. 1974-1994.

104. Данилов А. Д., Кароль И.Л. Атмосферный озон сенсации и реальность. Л.: Гидрометеоиздат, 1991.

105. Лосев Л.Л., Мешалкин Е.А // ЖТФ, 1887, т.37, № 3, с.446.

106. Инженерная геодезия. М.: Наука, 1991.

107. Бондаренко Б.Н., Коган А.Н., Нуйдель И.В. и др. // Тр. 7-ой Всероссийской конф. "Нейрокомпьютеры и их применение". Москва, 15-16 февраля 2001.

108. Патрик Э. Основы теории распознавания образов. М.: Советское Радио, 1980.

109. Оптическая голография. T.l М.: Мир, 1982.

110. Ландсберг Г.С. Оптика.- М.: Наука, 1984.