Исследование шумовых и информационных свойств спекл-картин при периодическом движении рассеивателя или освещающего пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР "ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ С. И. ВАВИЛОВА"

На правах рукописи

ЕЕСЕЛОВ ЛЕОНИД МИХАЙЛОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВЫХ И ИНФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ СПЕКЛ-КАРТИН ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ДВИЖЕНИИ РАССЕИВАТЕЛЯ ИЛИ ОСВЕЩАЮЩЕГО ПУЧКА

01. 04. 05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем ВЩ "Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова".

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник И. А. Попов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ю. А. Флегонтов

кандидат технических наук Д. Н. Ситник

Ведущая организация - Институт проблем управления РАН

Защита состоится У¿?час.

на заседании специализированного совета К 105.01.01. в ВНЦ "ГОИ им. С. И. Вавилова" (199034, Санкт-Петербург, Биржевая, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНЦ "ГОИ им. С. И. Вавилова".

Автореферат разослан

дата

'ессссЪА

а, год/

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук И. К Абрамова

(с) ВНЦ "Государственный оптический институт им. С. И. Вавилова", 1993

- р, -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последние десятилетия широкое распространение получили когерентные оптические методы извлечения информации о характеристиках движения, формы и микрорельефа поверхности тел. Эти методы основаны на использовании когерентного освещающего пучка и регистрации рассеянного излучения. В случае движения освещаемого рассеивателя или освещающего пучка образуется динамическая спекл-картина, в которой параметры рассеянного поля представляют собой пространственно-временной случайный процесс. С одной стороны, такая структура рассеянного поля может быть источником помех, так как, являясь шумовым процессом, . искажает изображения, затрудняет измерения параметров исследуемого объекта. С другой стороны, динамическая спекл-кар-тина содержит информацию о характеристиках объектов и может служить для измерения параметров перемещения, вибраций, и т.д.

В связи с этим актуально исследование статистических характеристик динамических спекл-картин с точки зрения возможностей получения информации о характеристиках движения тел, а также с точки зрения изучения шумовых характеристик рассеянного когерентного излучения.

В то время как методы двухэкспозиционной спекл-интерферо-метрии, применяемые для бесконтактного измерения' смещений и деформаций объектов, для анализа вибраций и др. достигли стадии промышленной зрелости, проблемы извлечения информации о характеристиках движения тел из статистических характеристик динамических спекл-картин находятся в стадии изучения. Несмотря на то, что известно несколько способов определения параметров движения тел путем анализа флуктуаций интенсивности рассеянного излучения, статистические характеристики динамических спекл-картин изучены недостаточно.

Так. например, данные о спектре флуктуаций интенсивности были получены только для случая равномерного движения освещаемого тела Ш. Исследованы корреляционные функции флуктуаций интенсивности для равномерного вращения [2,3]. Однако, структура спектра не была исследована.

Для случая сканирования когерентным пучком по шероховатой поверхности неподвижного тела отсутствовали данные о статистических характеристиках рассеянного излучения в зависимости от

параметров сканирующего пучка, что не позволяло оптимизировать схемы сканирования при построении изображений.

Характеристики динамических спекл-картин изучались главным образом лишь для равномерного движения или вращения [3]. Случаи движения рассеивателя с переменной по величине скоростью и, в частности, колебательное движение почти не рассматривались. Последнее, очевидно, обусловлено сложностью описания и измерения характеристик нестационарных процессов, каковыми являются сигналы, формируемые при колебательном движении. Тем не менее, исследования таких процессов представляют особый интерес с точки зрения определения параметров вибраций из статистических характеристик рассеянного когерентного излучения.

Подавляющее число известных работ посвящено нормально развитым сиекл-картинам, т.е. таким, когда в формировании поля в точке наблюдения участвует множество микрорассеивателей, находящихся в пределах освещенного■пятна. Случаи малого числа рассеи-вателей, когда статистика поля отлична от гауссовой, изучены недостаточно [4].

Сказанное определило круг вопросов, рассматриваемых в данной работе.

Целью работы являлось изучение статистических характеристик динамических спекл-картин и анализ их информационных и шумовых свойств в случае периодического движения рассеивателя или освещающего пучка. Программа исследований предусматривала решение следующих задач:

1. Исследование корреляционных свойств и спектра флуктуация интенсивности в динамической спекл-картине при равномерном периодическом движении рассеивающего тела или освещающего пучка.

2. Исследование спектра флуктуация интенсивности при рассеянии когерентного пучка на поверхности тела, совершающего механические колебания в направлении, перпендикулярном направлению освещающего пучка.

3. Исследование шумовых характеристик интенсивности при рассеянии когерентного пучка на поверхности вращающегося диска, определение возможностей формирования случайно модулированного по интенсивности излучения с гауссовой и негауссовой статистикой рассеянного поля.

Поставленные задачи решаются теоретически и экспериментально. В теоретическом рассмотрении в качестве модели освещающего

когерентного пучка принят гауссов пучок, который характерен для большинства реальных одномодовых лазеров. Для описания рассеянного когерентного излучения используется принцип Гюйгенса-Френеля. Модель фотоприемного устройства - квадратичный детектор с последующим линейным преобразованием.

Экспериментальные исследования проведены с лазерами непрерывного режима излучения на длинах волн 0.бЗмкм, 1.06мкм, 10. бмкм. Основной объем экспериментов выполнен с использованием одномодовых Не-Ие лазеров, поскольку параметры последних достаточно стабильны и хорошо известны.

В качестве рассеивателей использовались пластины из стекла К-8 или плексигласа с одной шлифованной и одной полированной гранями, а также пластины из алюминиевых сплавов, шлифованные либо обработанные пескоструйным методом.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Исследование особенностей спектра флуктуаций интенсивности когерентного излучения, рассеянного вращающейся шероховатой поверхностью, как в свободном пространстве, так и в плоскости изображения оптической системы.

2. Исследование корреляции и спектра флуктуаций рассеянного излучения при сканировании когерентным пучком по шероховатой поверхности в общем случае, когда радиус кривизны волнового фронта не равен расстоянию от источника до рассеивающей плоскости.

3. Метод подавления спекл-флуктуаций в изображении, формируемом при сканировании когерентным пучком.

4. Исследование корреляционной функции и спектра когерентного излучения, рассеянного на колеблющейся в своей плоскости поверхности.

5. Метод измерения параметров вибраций на основе измерения спектра флуктуаций интенсивности рассеянного когерентного излучения.

6. Экспериментальное исследование функции плотности вероятности интенсивностей в спекл-картине, образуемой малым числом микрорассеивателей шероховатой поверхности.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые исследована структура спектра флуктуаций интенсивности когерентного излучения, рассеянного вращающейся поверхностью как в свободном пространстве, так и в плоскости изображения оптической

системы, показано, что спектр имеет линейчатую структуру с расстоянием между компонентами равным частоте вращения тела; исследована зависимость ширины спектра от утла наблюдения и радиуса кривизны волнового фронта освещающего сучка в свободном пространстве.

В работе впервые исследован спектр флуктуаций интенсивности рассеянного сканирующего по шероховатой поверхности когерентного пучка в наиболее общем случае, когда радиус кривизны волнового фронта пучка на зондируемой поверхности не равен расстоянию до этой поверхности.

Впервые исследованы корреляция и спектр флуктуаций интенсивности когерентного излучения, рассеянного на колеблющейся в своей плоскости шероховатой поверхности для гармонических и сложных механических колебаний.

Впервые экспериментально исследовано распределение интенсивности в спекл-картине, образуемой малым числом рассеива-телей. Показано, что в случае малого числа рассеивателей функция плотности вероятностей интенсивности в спекл-картине неплохо описывается К-распределением.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в том, что на основании проведенных исследований предложены новые способы определения частоты вращения или колебания тел, параметров вибраций, (НИЖИ ОЭП получены соответствующие патенты); предложен метод подавления флуктуаций в когерентном изображении; предложен и испытан в условиях натурной атмосферной трассы способ формирования случайно-модулированного по интенсивности излучения.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Республиканском научно-практическом семинаре "Голография в промышленности и научных исследованиях" (Гродно, 1989г.), 8-й Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1990г.), 6-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990г.), 14-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991г.), Международной конференции "Нетрадиционные и лазерные технологии" (Москва, 1992г.).

Основное содержание диссертации отражено в 9-ти статьях, по теме получено два патента и положительное решение по заявке.

Личный вклад автора. При непосредственном участии автора

определены пути решения задач исследования, проведен теоретический анализ, дана физическая интерпретация полученных результатов, разработаны новые способы измерения частоты вращения и параметров механических вибраций тел, способ шумовой модуляции интенсивности лазерного излучения.

Непосредственно автором разработана методика экспериментальных исследований, проведены экспериментальные измерения, позволившие получить новые результаты.

Участие руководителя при постановке работы, в разработке теоретических моделей и анализе результатов, а также одного из сотрудников лаборатории в проведении измерений отражено в совместных публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Изложена на 132 машинописных страницах, включая 22 рисунка и список литературы, содержащий 97 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 представлен обзор литературных данных, посвященных исследованию динамических спекл-картин. Кратко приведены необходимые теоретические представления о статистике спекл-кар-тин в отсутствие движения. Дан краткий анализ известных результатов для равномерного движения рассеивателя. Основное внимание уделено результатам исследования спекл-картин при периодическом движении рассеивателя, также рассмотрены известные способы снижения флуктуаций, обусловленных спеклами в изображении, получаемом при сканировании когерентным пучком.

Отмечено, что подавляющее число работ по динамическим спекл--картинам выполнено в предположении, что рассеивающая поверхность 6-коррелирована (т.е. радиус корреляции неровностей значительно меньше радиуса корреляции поля в освещенной области на рассеива-теле. В этом случае рассеянное поле отвечает гауссовой статистике.

В результате анализа литературы сделаны следующие выводы.

1. Исследования динамических спекл-картин при периодическом движении ограничиваются главным образом корреляционным анализом, в то время как спектры флуктуаций интенсивности изучены недостаточно. Однако, спектральный анализ детектированных сигналов (интенсивности) может быть наиболее эффективным для

извлечения информации во многих прикладных задачах.

2. Отсутствует развитый подход к описанию корреляционных и спектральннх свойств спекл-картин, формируемых при облучении колеблющегося рассеивателя.

3. Несмотря на 'значительные успехи в анализе когерентных изображений, задача исследования флуктуаций в изображениях, получаемых при сканировании когерентным пучком, не рассмотрена для достаточно общего случая и остается актуальной.

4. Отсутствуют достаточные экспериментальные данные о распределении интенсивности в спекл-картине при негауссовом распределении поля рассеянного излучения.

В главе 2 изложены основные элементы, определяющие методику эксперимента: измерение параметров лазерного пучка, требования к параметрам фотоприемника, анализ и обработка сигналов.

Эксперименты выполнялись на трех длинах волн: А.= 0.G3 мкм, 1.06 мкм, 10.6 мкм при использовании лазеров непрерывного режима излучения соответственно ЛГ-Ь2-2, ЛТИ-502 и ЛГ-74. Параметры гауссовых пучков определялись по известной методике, через поперечные размеры пучка, измеренные в двух различных сечениях с помощью фотоприемника, снабженного диафрагмой в виде достаточно узкой щели. Оценены соответствующие погрешности.

Показано, что разработанное фотоприемное устройство на основе кремниевого фотодиода ФД-256 и операционного усилителя 1УД574А с пороговой чувствительностью 10~11Вт в полосе частот 20кРц и диапазоном линейности фотометрической шкалы ТО дБ по напряжению сигнала удовлетворяет задачам исследований на А= 0.63 мкм.

Рассмотрена методика спектрального анализа сигналов, основанная на суммировании спектров, полученных по независимым реализациям. Используемый в экспериментах анализатор спектра СК4-72, позволял накапливать независимые реализации спектра и в цифровом виде отображать информацию об амплитуде и частоте в любом из 200 дискретных каналов шкалы частот в диапазоне до 20кГц.

В измерениях функции плотности вероятности интенсивности в динамической спекл-картине применялся 256-канальный интегратор Я4С-78/1, результат измерений которого считывался цифровым запоминающим осциллографом С9-8, и обрабатывался на ЭВМ.

Глава 3 посвящена исследованию спекл-картин, образованных рассеянием когерентного излучения на вращающейся поверхности. Исследования проведены как для рассеяния в свободном просгран-

стве, так и для наблюдения в плоскости изображения оптической системы. В рассматриваемой схеме гауссов пучок излучения падает нормально на поверхность вращающегося в своей плоскости диффузно рассеивющего диска в точке, находящейся на некотором расстоянии от оси вращения. Рассеянное излучение, проходя через объектив или слой свободного пространства, (формирует спекл-картину в плоскости наблюдения. Пространственно-временная корреляционная функция электрического поля световой волны получена в предположении формирования нормально развитой спекл-картины (наличие большого числа элементарных рассеивателей в элементе разрешения оптической системы или в области освещенного пятна и высота неровностей, значительно превышающая длину волны). В этом случае корреляционная функция флуктуации интенсивности определяется как квадрат модуля корреляционной функции поля. Спектр мощности флуктуаций интенсивности получен путем Фурье преобразования корреляционной функции. Получены точные выражения и асимптотические приближения для спектра флуктуаций в свободном пространстве и в плоскости изображения оптической системы.

В экспериментах в качестве рассеивателей на А.= 0.63 мкм, 1.06 мкм использовались пластины из стекла К-8 с одной полированной и одной шлифованной гранями. На А.=10.6 мкм в качестве рассе-ивателя применялась алюминиевая пластина, обработанная пескоструйным способом, а спекл-картина регистрировалась в диффузно отраженном излучении фотоприемником Са-Н^-Те, располагаемом в различных точках плоскости наблюдения для исследования зависимости ширины спектра флуктуаций интенсивности от угла наблюдения. Сигналы фотоприемников обрабатывались спектроанализатором с различным разрешением по спектру, что позволяло наблюдать линейчатую структуру, а также измерять параметры огибающей спектра.

Результаты экспериментальных измерений неплохо согласуются с развитыми теоретическими представлениями.

Глава 4 посвящена исследованию динамических спекл-картин, образованных рассеянием когерентного излучения на плоской шероховатой поверхности, колеблющейся в своей плоскости. При этом формируется нестационарная во времени спекл-картина, несущая информацию о параметрах колебаний. Исследования проводились для гармонических колебаний рассеивателя, а также для сложных механических колебаний с произвольным спектром.

В приближении нормально развитой спекл-картины получены вы-

I I

ражения для пространственно-временной и временной корреляционных функций флуктуаций интенсивности. Спектр мощности флуктуаций интенсивности рассеянного излучения получен при использовании обобщенной теоремы Винера-Хинчина для нестационарного случайного процесса. Показано, что при относительно малых колебаниях рассе-ивателя можно определить амплитуду его колебаний из отношения амплитуд первой и'второй гармоник линейчатого спектра флуктуаций интенсивности, усредненного по независимым реализациям, а при относительно большой амплитуде колебаний последняя может быть определена из ширины измеренного спектра. Апробирован подход, основанный на эквивалентном числе гармоник спектра, позволяющий уменьшить погрешность измерений амплитуды колебаний, связанную с остаточными флуктуациями гармоник спектра около огибающей, что обусловлено ограниченным числом накопленных реализаций спектра.

Исследования показали, что число гармоник в спектре сигнала, формируемого спекл-картиной при заданной амплитуде колебаний рассеивателя варьируется в широких пределах соответствующим выбором условий освещения. Показано, что в случае относительно малых колебаний вклад каждой механической частоты в спектр флуктуаций независим и пропорционален квадрату амплитуды соответствующей составляющей механических колебаний. Это позволяет измерять спектр механических колебаний тела путем измерения спектра флуктуаций интенсивности рассеянного излучения.

Эксперименты проводились с использованием Не-Ые лазера ЛГ-52-2 ( А,=0.63мкм, ТЕМ00д, 5 мВт ), излучение которого направлялось на матированную алюминиевую пластину, совершавшую гармонические колебания при помощи синусного механизма с частотой 1.6 Гц и амплитудой 0.1 ... 4 мм. Амплитуда колебаний пластины определялась с помощью индикатора часового типа. Сложные колебания осуществлялись с использованием пьезокерамического привода, возбуждаемого набором из 6 звуковых генераторов. В этом случае амплитуды механических колебаний пластины, измеренные референтной схемой, составляли от 0.1 мкм до 1 мкм в диапазоне частот 0.3...1.5 кГц. В экспериментах при обработке 60 независимых реализаций спектра флуктуаций интенсивности различие между спектром флуктуаций интенсивности и спектром механических колебаний не превышало 15%.

Результаты экспериментальных исследований неплохо согласуются с разработанными теоретическими представлениями, что откры-

вает возможность бесконтактного измерения параметров вибраций.

В главе 5 изложены результаты исследований статистических характеристик излучения, рассеянного при сканировании когерентным пучком по шероховатой поверхности. Рассматриваются схемы сканирования, отвечающие линейному и круговому движению лазерного пятна по поверхности. Анализируются полученные выражения для корреляционной функции флуктуаций интенсивности в случае линейного и кругувого сканирования и соответствующий характер движения спекл-картины. Для частного случая, когда радиус кривизны волнового фронта р сканирующего пучка равен расстоянию Ъ до поверхности, корреляционная функция совпадает с соответствующими результатами, опубликованными для этого случая. Далее анализируется спектр флуктуаций интенсивности рассеянного излучения и его ширина в зависимости от радиуса кривизны волнового фронта р и радиуса сечения сканирующего гауссова пучка V/ на поверхности. Отмечено, что при одинаковых уу на поверхности ширина спектра существенно зависит от величины и знака р, а для известного частного случая при р=Ъ ширина спектра минимальна; при этом динамика спекл-картины соответствует чистому кипению. При р= -Ь ширина спектра резко увеличивается, и спекл-картина обнаруживает преимущественную трансляцию. Такое поведение спекл--картины отличается от случая с вращающимся рассеивателем. Обнаруженные закономерности позволили сформулировать способ снижения флуктуаций в изображении, формируемом путем сканирования по поверхности объекта с неоднородным коэффициентом яркости, заключающийся в том, что сканирование производится сходящимся пучком. Для оценки эффективности предлагаемого метода анализировался интервал корреляции 1 в спекл-картине и число спеклов Ыо в элементе пространственного разрешения, равном диаметру освещенного пятна на рассеивателе. При р=Ь , 1 максимально, а N <*1, т.е. на элемент разрешения приходится около одного спекла, что затрудняет обнаружение в изображении деталей размером порядка элемента разрешения. В общем случае при р^Ь получаем множество спеклов, по которым производится усреднение в развертке изображения.

Экспериментальные исследования спектра флуктуаций интенсивности при сканировании и демонстрация возможности уменьшения влияния флуктуаций в изображении проводились с использованием Не-Ые лазера, излучение которого через телескопический расширитель пучка направлялось на линзу, которая могла перемещаться в

параллельном пучке. При этом параметры пучка оставались неизменными, смещалось только положение перетяжки фокусированного пучка на величину, равную перемещению линзы. После линзы пучок направлялся на сканирующее зеркало, откуда поступал на матированную стеклянную пластину, находившуюся на расстоянии L= 190 мм от зеркала. При перемещении линзы величины w и р на рассеивающей поверхности изменялись по известному закону, причем при переходе перетяжки фокусированного пучка через рассеиватель знак р изменялся на противоположный. Рассеянное излучение регистрировалось фотоприемником с диафрагмой, сигнал обрабатывался спектроанали-затором и запоминающим осциллографом. Для демонстрации подавления спекл-флуктуаций в изображении вместо однородного рассеивателя помещался тест-объект в виде двух полосок матированной фольги, наклеенных на диффузную хромированную поверхность.

На рис.1. приведены типичные осциллограммы сигналов при сканировании по тест-объекту: а)-при p=L, б)-при p=-L.'Видно, что при последующей фильтрации любого из сигналов типа б) получим двугорбый импульс, соответствующий развертке изображения тест-объекта. В сигналах типа а) велика вероятность потери информации.

Рис.1. Осциллограммы разверток изображений: а)- р=Ь, 0)- р=-Ъ.

В главе 6 анализируются шумовые свойства динамических спекл-картин с точки зрения возможности получения излучения, промодулированного по интенсивности случайным образом. Предлагается получать шумовой сигнал с различной шириной спектра, варьируя параметры лазерного пучка на вращающемся рассеивателе.

Важными параметрами шума являются ширина и структура" спектра, глубина модуляции, функция плотности вероятности, характеризующая выбросы случайного процесса. Для нормально развитых спекл-картин функция плотности вероятности имеет вид отрицатель-

ной экспоненты. Известно, что при уменьшении числа микрорассеи-вателей, участвующих в формировании спекл-картины, плотность вероятности интенсивности может быть описана К-распределением. Однако, экспериментального подтверждения для шероховатых поверхностей эта гипотеза не имела. Важно также оценить влияние на характеристики спекл-картин замутненной атмосферы. Поэтому была проведена экспериментальная оценка степени влияния атмосферной дымки на контраст и спектр спекл-картины на натурной трассе.

Расчетный анализ показал, что использование вращающегося рассеивателя и изображающей оптики позволяет получать случайную модуляцию интенсивности с достаточно широким спектром. Ширина спектра в этом случае: Af = 4itanD/FA. , где а - смещение центра лазерного пятна от оси вращения рассеивателя, п - частота вращения, D - диаметр объектива, F - фокусное расстояние. Для а=20мм, D=1Омм, F=20mm, А.=0.бЗмкм, п=1об/с получим Af^ 200 кГц.

.В экспериментах на натурной трассе использовался лазер ЛТИ-502, (Х=1.Обмкм, TEM00q, 2 Вт), который через линзу с фокусным расстоянием 1000 мм освещал диффузный рассеиватель, располагаемый в перетяжке гауссова пучка. Фотометр находился на расстоянии 2,4 км. При измерении контраста рассеиватель периодически поворачивался и останавливался для регистрации сигнала фотометра. Серия из *> 100 таких отсчетов обрабатывалась с вычислением дисперсии и квадрата среднего значения, из которых определялся контраст. Измерения при метеорологической дальности видимости (МДВ) от 2км (туман) до 25км (дымка) показали, что заметное снижение контраста относительно теоретического для свободного пространства происходило при МДВ < 4 км. При этом сохранялась линейчатая структура и форма огибающей спектра флуктуаций интенсивности в полосе 10 кГц.

Исследование функциии плотности вероятности флуктуаций интенсивности проводилось в схеме с вращающимся рассеивателем на к= 0.63 мкм. Изображающий микрообъектив ограничивался сменными диафрагмами для получения различной величины кружка рассеяния на шероховатой поверхности, соотношение размера которого с корреляционной длиной шероховатостей г и определяло число микронеровностей, участвующих в формировании спекл-картины. Рассеиватели из стекла и плексигласа имели г =15...100 мкм. Флуктуации интенсивности регистрировались фотоприемником с диафрагмой в плоскости изображения на расстоянии 1 м, сигналы обрабатывались 256-ка-

нальным интегратором, считывались цифровым осциллографом и анализировались на ЭВМ. На рис.2 приведены экспериментальные значения (кружки) плотности вероятности. Расчетные значения К-распределения - сплошные линии, закона отрицательной экспоненты -штриховые линии; а) рассеиватель- шлифованное стекло К-8, Ь), с), (1) -рассеиватель - шлифованный плексиглас. Как видно, К-рас-пределение неплохо описывает экспериментально полученные гистограммы в диапазоне относительных дисперсий флуктуаций интенсивности от 1 до 8 и при выбросах интенсивности до 80 средних.

Р(1)

Ю"

6 8 Ю 1/<Г>

/0'

0

\ , , \ 1 ^

О

в 8 10 1/С1>

Рис.2. Плотность вероятности флуктуаций интенсивности. Таким образом показаны широкие возможности формирования случайно модулированного по интенсивности излучения при помощи

относительно простых средств.

В Заключении изложены основные результаты работы:

1. Спектр флуктуаций интенсивности когерентного излучения, рассеянного вращающейся поверхностью, а также поверхностью тела, совершающего механические колебания, имеет линейчатую структуру. При этом частотный интервал между дискретными компонентами спектра, усредненного по независимым реализациям, соответствует периоду движения рассеивающей поверхности.

2. Спектральный анализ флуктуаций интенсивности в нестационарной спекл-картине, формируемой колеблющимся рассеивателем, позволяет определять параметры механических вибраций.

3. Анализ корреляционных свойств и спектра флуктуаций интенсивности рассеянного излучения при сканировании когерентным пучком по шероховатой поверхности, а также эксперименты с неоднородным тест-объектом, показали возможность осуществлять подавление спекл-флуктуаций в изображении, формируемом путем сканирования, без снижения пространственного разрешения.

4. Проведенные исследования статистических характеристик флуктуаций интенсивности в динамических спекл-картинах показывают широкие возможности формирования случайно модулированного по интенсивности излучения при помощи относительно простых средств. Выбором параметров схем формирования спекл-картины можно регулировать как ширину спектра, так и функцию плотности вероятности интенсивности, - то есть наиболее важные характеристики шума.

5. Полученные результаты можно рассматривать, как основу для прикладных разработок, в частности, в области бесконтактного измерения параметров движения тел.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих статьях:

1. Веселов Л.М., Попов И.А. Спектр флуктуаций когерентного излучения, рассеянного поверхностью вращающегося тела. - Опт. и спектр. 1990, т.68, в. 3, с.608-610.

2. Веселов Л.М., Попов И.А. Определение амплитуды и частоты колебаний тела путем измерения спектра рассеянного когерентного излучения. - Опт. и спектр. 1990, т.68, в. 4, с.953-955.

3. Веселов Л.М., Попов И.А. Экспериментальное исследование спектра инфракрасного когерентного излучения, рассеянного вращающимся шереховатым телом. - Опт. и спектр. 1991, т.70. в 5,

- 1b -

с. 1138-1138.

4. Веселов Л.М., Попов И.А. Измерение частоты и амплитуды вибраций тела методом динамической спекл-интерферометрии.

- Журн. Техн. Физ. 1990, т.60, в.10, с. 182-184.

5. Веселов Л.М., Попов И.А. Статистические характеристики рассеянного на вращающейся поверхности когерентного излучения в плоскости изображения оптической системы. - Опт. и спектр. 1990, т.69. в 5, с.1111-1115.

6. Веселов Л.М., Попов И.А. Характеристики рассеянного излучения при сканировании когерентным пучком по шероховатой поверхности.

- Опт. и спектр. 1991, т.70, в.5, с.1086-1091.

7. Веселов JI.M., Попов И.А. Подавление флуктуаций в изображении, получаемом при освещении сканирующим когерентным пучком. - ОМП 1991, № 12, с.3-6.

8. Popov I.A. Veselov L.M., Vibration analysis by means of a speckle method. - Optik. 1993. 92. No. 3, P. 119-122.

9. Popov I.A., SIdorovsky N.V., Veselov L.M. Experimental study of intensity probability density function in a speckle pattern formed by a small number of scatterers. - Opt. Commun. 1993. V.97. No.5,6. P.304-306.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Анисимов В.В., Козел С.М., Локшин Г.Р. О пространственно-временных статистических свойствах когерентного излучения, рассеянного движущимся диффузным отражателем.//Оптика и спектр. -1969. -т.27.Вып.3. -С.483-401.

2. Ghurnside J.H. Speckle from a rotating diffuse object. //Jom.Opt.Soc.Am. 1982. V.72. No11 . p.1464-1469.

3. Yoshlmura T. Statistical properties of dynamic speckles, //.lorn.Opt.Soc.Am. A 1986. V.3. NoT. p.1032-1054.

4. Бакут II.А., Мандросов B.M., Матвеев И.Н., Устинов Н.Д. Теория когерентных изображений. Под ред. Устинова Н.Д. М.: Радио и связь. 1987. 264с.