Новые методы синтеза и обработки широкополосных сигналов миллиметрового и ИК диапазонов длин волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ТУРЧИН Илья Викторович

НОВЫЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА И ОБРАБОТКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ МИЛЛИМЕТРОВОГО И ИК ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН

01.04.03 - радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2006

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научные руководители:

профессор М.И. Петелин,

кандидат физико-математических наук В.М. Геликонов

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

В.П. Рябухо

(Саратовский государственный университет)

кандидат физико-математических наук А.И. Малеханов

(Институт прикладной физики РАН)

Ведущая организация:

Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН, Московская область, г. Троицк

Защита состоится «

/Л ноября 2006 г. в //* часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан «

а » октября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Чугунов

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы диссертации. Данная работа посвящена методам формирования и обработки широкополосных сигналов, обеспечивающим высокое пространственное разрешение при зондировании различных сред. Высокое поперечное разрешение достигается, как правило, сканированием достаточно узкого зондирующего луча, а чтобы обеспечить высокое разрешение по дальности используют либо 1) короткие смодулированные зондирующие импульсы, либо 2) длинные (вплоть до непрерывного режима) импульсы с широкополосной модуляцией. Для обоих1 указанных методов минимальный размер продольного разрешения определяется единой формулой Дг « с/25, где В есть спектральная ширина сигнала. Этот минимальный размер может быть реализован лишь при адекватной обработке сигнала, отраженного от дели: когда импульс, отраженный от элементарного рефлектора, либо сжимается в приемном устройстве аналоговым способом, либо обрабатывается численно с использованием корреляционной обработки, эквивалентной процедуре сжатия. Эта универсальная техника применима и к звуколокации, и к радиолокации, и к светолокации.

В частности, увеличение мощности у источников электромагнитного излучения нередко сопровождается сужением полосы рабочих частот. Очевидно, что широкополосный сигнал можно синтезировать из нескольких узкополосных разночастотных сигналов. Однако для этого требуются 1) разработка мультиплексера - устройства, позволяющего объединять и разделять разночастотные сигналы, и 2) создание соответствующих методов обработки эхо-сигнала. В настоящей работе решаются обе задачи применительно к диапазону миллиметровых волн. Здесь элементами мультиплексера, объединяющими разночастотные сигналы, могут служить резонаторы квазиоптического типа, в частности, резонаторы с гофрированными зеркалами. Они обладают высокой электропрочностью, что делает их пригодными для работы на высоких уровнях мощности с малыми потерями. Однако излученный широкополосный сигнал, синтезированный из нескольких разночастотных, обладает большой неоднородностью спектральной интенсивности, что сопровождается появлением в корреляционной функции сигнала боковых лепестков и, соответственно, трудностями распознавания целей. Для снижения этих эффектов должны быть разработаны соответствующие адаптивные методы обработки сигнала.

Аналогичные проблемы возникают и в оптической когерентной томографии (ОКТ), основанной на формировании изображений поверхностных слоев биоткани с помощью широкополосного источника излучения в терапевтическом окне прозрачности (0.8-1.3 мкм). Повышенный интерес к данному методу обусловлен возможностью получения прижизненной информации о внутренней структуре биообъектов, например, для ранней диагностики неопластических процессов. Так же, как и в радиолокаторе, повысить

разрешающую способность в ОКТ можно, синтезируя широкополосный сигнал посредством объединения в мультиплексере излучения от нескольких разночастотных источников.

В ОКТ при оценке параметров исследуемых биотканей необходимо учитывать светорассеяние на микронеоднородностях тканей, приводящее к размытию пучка подсветки. Разработка методов оценки параметров рассеяния слоистых биотканей, например, слизистых оболочек, позволит дифференцировать злокачественные и доброкачественные патологии в условиях, когда визуальный анализ томограмм не позволяет этого сделать.

С помощью ОКТ можно исследовать также объекты, не являющиеся плоскослоистыми. К таким задачам можно отнести оценку профиля толщины однородно рассеивающего слоя, например, роговицы глаза. Оценка профиля роговицы позволит проводить контроль процесса ее абляции лазерным излучением, применяемой для коррекции различных аномалий глаза (миопии, гиперопии, астигматизма).

Цель работы. Применительно к оптической когерентной томографии (ОКТ) и радиолокации диапазона миллиметровых волн, работа была направлена на решение следующих задач:

1. Разработка метода обработки ОКТ-изображений на основе теоретической модели распространения излучения в плоскослоистых рассеивающих средах, позволяющего оценивать показатели рассеяния биологической ткани. Апробация данного алгоритма на модельных средах и биологических тканях.

2. Разработка метода измерения профиля толщины слабо рассеивающего слоя по ОКТ-изображению. Апробация данного алгоритма на модельных средах и роговице глаза во время абляции лазерным УФ-излучением, применяемым в рефракционной хирургии глаза.

3. Теоретическое исследование объединения и разделения сигналов в мультиплексере на квазиоптических зеркальных резонаторах в приложениях к дальней связи и радиолокации с синтезированной полосой частот. Экспериментальное исследование элемента мультиплексера, представляющего собой открытый четырехзеркальный резонатор с двумя гофрированными зеркалами.

4. Разработка, в приложении к радарам с синтезированной полосой частот, метода адаптивной обработки эхо-сигнала на основе регуляризации спектра.

Научная новнзна. Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней оригинальными результатами:

1. Разработан и экспериментально исследован метод оценки параметров рассеяния слоистых биологических тканей по ОКТ-изображениям, исполь-

зующий модель ОКТ-сигнала, полученную в малоугловом приближении уравнения переноса излучения.

2. Разработан и экспериментально исследован метод измерения профиля толщины однородно рассеивающего слоя по ОКТ-изображениям, который может быть использован, в частности, для контроля лазерной коррекции рефракционных аномалий глаза.

3. Для синтеза широкополосного сигнала из нескольких разночастотных сигналов в приложениям к дальней связи и миллиметровой радиолокации предложено использовать мультиплексер, образованный квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами.

4. Разработан метод адаптивной обработки синтезированного ЛЧМ-сигнала для радиолокации, основанный на регуляризации спектра, обеспечивающий автоматическое улучшение разрешения по дальности при увеличении отношения сигнал/шум.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.

1. Оценка характеристик рассеяния биотканей, полученная с использованием разработанного метода обработки ОКТ-изображений, позволяет повысить диагностическую ценность метода ОКТ в идентификации злокачественных и доброкачественных процессов по сравнению с визуальной оценкой томограмм.

2. Разработанный алгоритм измерения профиля толщины рассеивающего слоя по ОКТ-изображениям может быть применен для мониторинга процесса абляции роговицы глаза УФ лазерным излучением, что позволит повысить качество лазерной коррекции рефракционных аномалий глаза (Патент РФ №2183108).

3. Для увеличения разрешающей способности радиолокационных систем миллиметрового диапазона длин волн предложено синтезировать широкополосный сигнал посредством объединения нескольких разночастотных сигналов в мул ьти п л е кс ере, образованном квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Оценка параметров рассеяния слоистых биологических тканей по ОКТ-изображениям может быть использована для дифференциации злокачественных и доброкачественных патологий слизистых оболочек в условиях, когда визуальный анализ томограмм не позволяет этого сделать.

2. Погрешность измерения толщины слабо рассеивающего слоя при соответствующей обработке ОКТ-изображения может быть достигнута меньше длины когерентности зондирующего излучения.

3. Синтез широкополосного сигнала из нескольких разночастотных сигналов при помощи мультиплексера, образованного квазиоптическими резо-

наторами с гофрированными зеркалами, может быть применен в миллиметровой радиолокации для повышения разрешающей способности по дальности.

4. Метод адаптивной обработки синтезированного ЛЧМ-сигнала для радиолокации, основанный на регуляризации спектра, обеспечивает автоматическое улучшение разрешения по дальности при увеличении отношения сигнал/шум.

Публикации и апробация результатов. По теме диссертации опубликовано 12 статей в реферируемых изданиях [1-12]. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в Институте прикладной физики РАН (2000-2005 гг.), докладывались на конкурсах молодых ученых ИПФ РАН (2001-2004 гг.) и на следующих конференциях: International Quantum Electronics Conference IQEC (2002, Москва), Third International Symposium Modern Problems of Laser Physics MPLP-2000 (2000, Новосибирск), Медицинская физика (2001, Москва), Пятая научная конференция по радиофизике (2001, Нижний Новгород), Saratov Fall Meeting (2001, Саратов), Nato advance research workshop on quasi-optical control of intense microwave transmission (2004, Нижний Новгород), Conference on lasers and electro-optics 2002 (2002, Лонг-Бич, США), BiOS of Conference Photonics West 2003 (2003, Сан-Хосе, США), 11th International Laser Physics Workshop (2002, Братислава, Словакия), OSA Biomedical Topical Meeting on Advances in optical imaging and photon migration 2004 (2004, Майами, США), 13th International Laser Physics Workshop 2004 (2004, Триест, Италия).

Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор активно участвовал в теоретической разработке методов, их программной реализации и экспериментальной апробации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем работы — 127 страниц, включая 45 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 134 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении освещается современное состояние рассматриваемых в диссертации проблем, обосновывается актуальность темы работы и ее практическая значимость, кратно излагается ее содержание, формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приведен обзор литературы по методам синтеза и обработки широкополосных сигналов применительно к радиолокации и OKT.

сигнал),/(глубина фокусировки).

В разделе 1.1 приведены стандартные способы обнаружения целей и оценки параметров радиолокационных сигналов. Описаны методы внутри-импульсной модуляции сигналов для повышения разрешающей способности по дальности. Проанализированы стандартные способы борьбы с боковыми лепестками, появляющимися на временной оси на выходе согласованного фильтра для ЛЧМ-сигнала (изменение формы зондирующего импульса, нелинейная частотная модуляция, применение специальных фильтров). Проведен сравнительный анализ существующих мощных широкополосных источников миллиметрового излучения, используемых в радиолокации, таких как клистроны и гироклистроны. Показано, что синтез широкополосного сигнала из нескольких узкополосных может существенно повысить дальность и разрешающую способность радара.

Раздел 1.2 посвящен синтезу и обработке сигналов в относительно новом способе визуализации внутренних структур биологических объектов -OKT. Приведены схема ОКТ (рис. 1) и характерные параметры существующих ОКТ-установок: длина волны зондирующего излучения 0.81.3 мкм (в терапевтическом окне прозрачности), разрешающая способность

4-15 мкм. При этом принцип действия ОКТ рассматривается с позиции радара, для которого применимы стандартные методы синтеза и обработки сигналов, развитые задолго до появления ОКТ. Так, например, осуществляемая в стандартной ОКТ (Time-Domain Optical Coherence Tomography) временная селекция обратно рассеянной от объекта компоненты света с помощью интерферометра с изменяющейся длиной опорного плеча, эквивалентна корреляционной обработке в радаре. В другой разновидности ОКТ — Frequency-Domain Optical Coherence Tomography - разложение обратно рассеянного света по спектральным компонентам эквивалентно фильтровой обработки радиолокационного сигнала. Приведен пример синтеза широкополосного излучения применительно к ОКТ с помощью объединения излучения от двух источников - суперлюминесцентных диодов, с различными центральными длинами волн излучения 907 и 948 нм. Приведены примеры ОКТ-изображений различных биотканей, в которых не удается провести дифференциацию патологий визуально. Однако оценка параметров рассеяния в этих случаях может оказаться пригодной для идентификации патологии. Проанализированы различные методы оценки параметров рассеяния слоистых биотканей, изложенные в литературе.

Во втором главе разработан метод оценки параметров рассеяния слоистых биологических тканей.

Параметры рассеяния А, 1/см Рь <jh>

Оцененные 68±3 0.015Ю.003 0.03±0.002

Рассчитанные по формуле Ми 70 0.017 0.025

Рисунок 2. Апробация метода на модельной среде, представляющей собой суспензию полистироловых шариков в глицерине. Концентрация рассеивателей: С\ = 1.1*105 мм*3 (4.75 мкм шарики) и С2 — 1.1 *Ю10 мм*3 (0.14 мкм шарики). Экспериментальный ОКТ-сигнал (тонкая сплошная кривая) получен путем усреднения в окне, обозначенном на томограмме белой пунктирной линией. Теоретический ОКТ-сигнал (жирная пунктирная линия) построен для оцененных параметров рассеяния.

В разделе 2.2 приводится теоретическая модель ОКТ-сигнала в стратифицированной мутной среде, полученная из уравнения переноса излучения в приближении однократного обратного рассеяния, но с учетом многократного малоуглового рассеяния. Показано, что наиболее значимыми параметрами, влияющими на закон спадания ОКТ-сигнала с глубиной, являются показатель полного рассеяния, вероятность обратного рассеяния и дисперсия малоугловой части индикатрисы рассеяния.

В разделе 2.3 приведен алгоритм оценки параметров рассеяния биотканей с использованием изложенной выше модели. Оценка параметров (координата слоя, показатель полного рассеяния jus, вероятность обратного рассеяния рь и дисперсия малоугловой части индикатрисы рассеяния для каждого слоя) производится путем их вариации для достижения минимума невязки между модельным и экспериментальным ОКТ-сигналами. Для минимизации невязки использован генетический алгоритм, позволяющий сократить время вычислений в несколько раз по сравнению со стандартными методами (метод перебора, градиентный метод и т.д.) при большом количестве переменных.

В разделе 2.4 приводятся результаты проведения экспериментов с модельными средами, представляющими собой суспензию калиброванных полистироловых шариков с различными размерами (0.14, 1 и 4.75 мкм) в воде и глицерине (пример приведен на рисунке 2). Показатели рассеяния этих сред рассчитывались по формуле Ми и контролировались независимыми измерениями с помощью гониометра.

В разделе 2.5 исследована точность оценки параметров рассеяния в за-

_ 3 и. а

висимости от оптическои ширины пучка D = —г , где а - радиус пучка

V<ra>

подсветки. Показано, что для однородно рассеивающих сред в случае оптически тонкого пучка D < 1 достоверно могут быть оценены показатели полного (jis) и обратного (/¿¡Рь) рассеяния. В случае оптически широкого пучка D> 1 достоверно могут быть определены все три параметра: /4, ц5ръ

. и </>• '

В разделе 2.6 метод применен для ОКТ-изображений биотканей, полученных в клинических условиях (in vivo). Приведены результаты оценки параметров рассеяния областей лейкоплакии (доброкачественное состояние) и дисплазии II-III (злокачественное состояние) по нескольким ОКТ-изображениям шейки матки пациентки с предраковым состоянием (рис. 3). Данные состояния не дифференцируются по визуальному анализу ОКТ-изображений. Как видно из данных результатов, показатель полного рассеяния ßs может быть использован для разделения патологических состояний; лейкоплакия и дисплазия II-III, не отличимых визуально. Разработанный метод был также применен для оценки зависимости изменения параметров рассеяния слизистой шейки матки в зависимости от расстояния ме-

жду центром раковой опухоли и неизмененной слизистой. При надлежащей верификации, полученные данные могут быть использованы для идентификации стадии неоплазии.

0.05-

0.02-

° 1 О ■

1

о

° /

0 /

/ + +

20

40 60

Pf , 1/см

во

40 ео /4 , 1/СМ

Рисунок 3. Результаты обработки 13 ОКТ-изображений шейки матки с участками дисплазии II-III и лейкоплакии (один клинический случай). Точки на плоскостях соответствуют оцененным параметрам рассеяния биоткани: + - дисплазия II-III и О - лейкоплакия. Пунктирная линия разделяет области параметров рассеяния, характерные для обеих типов патологий. Относительные погрешности оцененных параметров ,рь и </> составляют 10%, 20% и 70% соответственно.

В разделе 2,7 сформулированы основные выводы к главе 2.

В третьей главе разработан метод измерения профиля толщины однородно рассеивающего слоя по двумерному ОКТ-изображению. Данный способ разрабатывался для in situ мониторинга процесса абляции роговицы глаза при рефракционной хирургии.

В разделе 3.2 приведено описание экспериментальной установки, совмещающей лазерную УФ-систему абляции роговицы, ОКТ-установку для мониторинга процесса абляции и хирургический микроскоп.

В разделе 3.3 приведен метод расчета профиля толщины удаленного слоя роговицы и максимальной глубины абляции (рис. 4). Поскольку роговица является слабо рассеивающей средой, в которой выполняется условие оптически тонкого пучка, ослабление ОКТ-сигнала в ней происходит по экспоненциальному закону. Перед роговицей (воздух) и за роговицей (водянистая жидкость) среды являются оптически прозрачными, и в них ОКТ-сигнал имеет только шумовую компоненту, обусловленную шумами прибора. Такая модель ОКТ-сигнала позволяет аппроксимировать каждый А-скан (одномерная зависимость ОКТ-сигнала от глубины) кусочно-линейной функций (в логарифмическом масштабе сигнала). Координаты передней и задней границ роговицы по А-скану находятся из условия минимума невязки между данной моделью сигнала и экспериментально полученным А-сканом. При этом профиль толщины удаленного слоя роговицы рассчиты-

вается по разности толщин роговицы до начала абляции и во время абляции Дд(*)=а'(х)-а^(х). По профилю удаленного слоя могут быть найдены характеристики процесса абляции, среди которых наиболее важной является максимальная толщина удаленного слоя Дй^ = шах(Да). Точность определения величин Да(х) и ДаП1ах зависит от отношения С/1П. Поскольку роговица является слабо рассеивающим объектом, в приведенных экспериментах отношение СУШ не превышает 10 дБ.

Глубина Z

Рисунок 4. Пример аппроксимации продольного ОКТ скана S(z) кусочно-линейной функцией y(z,a,c). а*,с' = {с, ,с'2 ,...с*) —параметры, соответствующие минимуму среднеквадратичного уклонения этих функций, а* — величина, принимаемая за "толщину роговицы.

В разделе 3.4 приведены методы повышения точности определения глубины абляции, основанные на оптимизации как оптической системы, так и численных алгоритмов. Особое внимание уделяется численным методам, основанным на I) уменьшении уровня спекл-шума путем предварительной фильтрации ОКТ-изображений и 2) вычислении максимальной глубины абляции как интегральной характеристики профиля толщины удаленного слоя. Применение второго метода возможно при абляции роговицы пучком с фиксированным поперечным профилем. Так, например, при коррекции миопии поперечный профиль удаленного слоя хорошо аппроксимируется параболой в месте абляции. Параболическая аппроксимация позволяет оценить Дата* с меньшей дисперсией,

В разделе 3.5 приведены результаты модельных, ex vivo и ш vivo экспериментов. На модельных экспериментах и экспериментах ex vivo продемонстрирована точность измерения глубины абляции по одному А-скану 5-20 мкм, в зависимости от отношения сигнал-шум (С/Ш), в то время как точность измерения глубины абляции как интегральной характеристики профиля толщины удаленного слоя составила 0.3-5 мкм (таблица 1). По-

казано, что при невысоком отношении С/Ш предварительная фильтрация ОКТ-изображений позволяет существенно повысить точность измерений, в то время как при большом отношении С/Ш точность измерений не меняется. Точность измерений в предварительных in vivo экспериментах по определению толщины роговицы выше, чем в ex vivo. Это является обнадеживающим фактором для применения данного подхода в рефракционной хирургии.

Таблица 1. Результаты экспериментов по абляции модельных сред и роговицы глаза. tZ— шаг при сканировании вглубь объекта, АХ— шаг при сканировании вдоль объекта, а0 — начальная толщина объекта, Да,^ - максимальная глубина абляции, вычисленная по формуле (9), N— число различных реализаций томографического сигнала, SD1 — среднеквадратичное отклонение (СКО) от среднего значения толщины объекта, вычисленной в различных реализациях томографического сигнала, SD1 -СКО от среднего значения максимальной глубины абляции, вычисленной как интегральной характеристики профиля толщины удаленного слоя. Все размеры даны в микронах.

Объект Шаг AZ Шаг АХ N Фильтрация Нач. толщина Айтах SD1 SD2

Лавсановая пленка 3.6 23 23 V 170 68.2 5 0.3

170 68.7 5 0.3

Глаз ex vivo ¡ í * i 6.5 33 46 V 761 0 17 3

757 0 20 5

21 V 761 30.5 20 2

757 31 28 3

46 V 761 90 20 3.8

757 88 33 6

Глаз1 in vivo 8.3 0 200 л/ 546 0 12 -

542 0 15 -

В разделе 3.6 сформулированы основные выводы к главе 3, *

Четвертая глава посвящена синтезу мощных широкополосных сигналов миллиметрового диапазона посредством их объединения из нескольких разночастотных сигналов в приложениях к дальней связи и радиолокации. Известно, что пропускная способность канала коммуникационной системы, также как и разрешение радара, улучшаются с увеличением ширины спектральной полосы. Широкая спектральная полоса может быть синтезирована из нескольких узкополосных разночастотных сигналов.

Рисунок 5. Схема радара с синтезированной полосой частот

В приложении к радиолокации с синтезированной полосой частот (рис. 5) в каждом узкополосном канале имеется диплексер для разделения сигналов, работающих на прием и передачу, усилители излучаемого и принимаемого сигналов и АЦП. Каналы соединены с единой приемно-передающей антенной при помощи мультиплексера. В режиме передачи сигнала мультиплексер (рис. 6) объединяет узкополосные сигналы, а в режиме приема (в соответствии с теоремой взаимности) разделяет на узкополосные составляющие. Вся система управляется единым блоком контроля и обработки сигнала. В миллиметровом диапазоне длин волн мультиплексер может быть скомпанован в виде цепочки кольцевых зеркальных резонаторов, обладающих высокой электропрочностью. Таким элементом мультиплексера может служить диплексер на основе четырехзеркального резонатора с двумя гофрированными зеркалами (рис. 7).

О О 4

\/

а)j,... o>N.J ... ^у

Ol

^пнч

Рисунок 6. Мультиплексер в режиме сложения разночастотных сигналов; S2> ••• S^ — резонансные элементы мультиплексера; с?!, ... - узкополосные разночастотные сигналы. Режиму разделения широкополосного сигнала на узкополосные соответствует противоположное направление волновых потоков. ПНЧ - потерн на нерезонансных частотах.

Вхо Й», с

Рисунок 7. Четырехзеркальный резонатор с двумя гофрированными зеркалами в режиме разделения разночастотных сигналов с^ и а^,

В разделе 4.2.2 проведено экспериментальное исследование такого ди-плексера с собственной частотой 34 ГГц. При изменении частоты падающей волны более чем на 20 МГц выходной волновой пучок в таком резонаторе полностью переключается с одного направления на другое.

В разделе 4.2.3 получены соотношения, описывающие объединение и разделение сигналов в мультиплексере, образованном цепочкой квазиоптических резонаторов.

В разделе 4.2.4. показано, что в приложениях к радиолокации и связи настройка мультиплексера производится различными способами: применительно к радиолокации глубина провалов в спектре синтезированного сигнала должна быть минимальной, а в задачах связи, наоборот, максимальной.

В разделе 4.3 применительно к радару с синтезированной полосой частот разработан метод адаптивной обработки ЛЧМ-сигиала. Метод основан на регуляризации спектра отраженного от объекта эхо-сигнала и обеспечивает автоматическое улучшение разрешения по дальности при приближении цели, т.е. при увеличении отношения С/Ш. По результатам компьютерного моделирования радиолокационного сигнала найдены зависимости уровня боковых лепестков и выходного отношения С/Ш от отношения С/Ш на входе фильтра для оптимального параметра регуляризации (рис. 8). Из приведенного рисунка следует два очевидных факта: 1) для большего значения относительной спектральной ширины источников &а)/Аа> можно добиться существенно меньшего значения уровня боковых лепестков при меньших потерях в отношении С/Ш; 2) при увеличении входного отношения С/Ш ЗТУДш (приближении цели) также уменьшается уровень боковых лепестков и увеличивается уровень в отношении С/Ш на выходе фильтра ЗЫНоШ.

ЖШп>ЛВ ¿УУЛ/я, дБ

Рисунок 8. Отношение С/Ш ЗИКош и уровень боковых лепестков 5/ на выходе фильтра с регуляризацией в зависимости от соотношения СЛЦ на выходе приемной системы ЖМ/Ня и при различных относительных ширинах 5<у/Д<у спектральных полос усиления каналов.

В разделе 4.4 сформулированы основные выводы к главе 4.

В Приложении 1 получены соотношения для оценки ковариации и доверительной области восстанавливаемых параметров рассеяния по ОКТ-изображениям применительно ко второй главе.

В Приложении 2 получены соотношения для коэффициентов отражения и прохождения резонаторов, связанных с волноводами по схемам: «на отсос», «на отражение» и «на просвет». Полученные соотношения используются в главе четыре .для вывода коэффициентов передач мельтиплексера.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Основные результаты диссертации

1. Создан метод оценки параметров рассеяния стратифицированных мутных сред по их ОКТ-изображениям. Метод основан на теоретической модели ОКТ-сигнала, построенной в приближении однократного обратного рассеяния и учитывающей многократное малоугловое рассеяние. Исследована точность оценки параметров рассеяния в зависимости от оптической ширины пучка. Для однородно рассеивающих сред в случае оптически тонкого пучка достоверно могут быть оценены показатели полного и обратного рассеяния, а в случае оптически широкого пучка достоверно может быть определена еще дисперсия малоугловой части индикатрисы рассеяния.

2. Разработанный метод оценки параметров рассеяния слоистых сред протестирован на модельных мутных средах и применен для обработки

томограмм, полученных в клинических условиях. Продемонстрирована возможность его использования для дифференциации злокачественных и доброкачественных патологий слизистых оболочек в условиях, когда визуальный анализ томограмм не позволяет этого сделать.

3. Разработан метод измерения профиля толщины однородно рассеивающего слоя по О KT-из о бр аже н и ю. На модельных средах продемонстрирована точность измерения толщины слоя 5-30 мкм в зависимости от отношения C/1IÍ при разрешающей способности ОКТ-установки 18 мкм. Метод был применен для оценки изменения профиля роговицы при лазерной коррекции аномалий глаза. В ex vivo экспериментах достигнута точность измерения глубины абляции как интегральной характеристики удаленного профиля роговицы 3-6 мкм, что соответствует 0.3-0.6 диоптрии.

4. Для синтеза широкополосного сигнала из нескольких разночастотных сигналов предложено использовать мультиплексеры, образованные квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами. Такие системы обладают высокой электропрочностью и могут быть применены для синтеза широкополосного сигнала в приложениях к дальней связи и радиолокации в миллиметровом диапазоне длин волн.

5. Применительно к радару с синтезированной полосой частот разработан метод адаптивной обработки ЛЧМ-сигнала. Метод основан на регуляризации спектра отраженного эхо-сигнала и обеспечивает автоматическое улучшение разрешения по дальности при приближении цели, т.е. при увеличении отношения С/Ш.

Список публикаций по теме диссертации

1. М.И. Петелин, И. В.Тур чин, "О частотных характеристиках резонаторов, связанных с волноводами", Радиотехника и электроника, т.46, №12, 2001, С. 1445-1448.

2. И.В.Турчин, "Мультиплексер на основе кольцевых зеркальных резонаторов", Радиотехника и электроника, т.48, №6, 2003, С. 684-687.

3. S.N.Bagayev, V.M.Gelikonov, E.S.Kargapoltsev, R.V.Kuranov, A.M.Razhev, E.V.Turchin, A.A. Zhupikov, "The excimer laser system for refractive surgery assisted by optical coherence tomograph", Laser Physics, Vol. 11, No. 11, 2001, P. 1224-1227.

4. В.М.Геликонов, Г.В. Геликонов, С.Ю.Ксенофонтов, Р.В.Куранов, А.Н.Морозов, А.В.Мяков, A.A. Туркин, И.В. Турчин, Д.В.Шабанов, "Новые подходы к широкополосной волоконно-оптической интерферо-

метрии для оптической когерентной томографии", Известия вузов. Радиофизика, т. 46, N27, 2003, С. 610-627.

5. JI.C. Долин, Г.В. Геликонов, Е.А. Сергеева, И.В. Турчин, "О проявлении эффектов многократного обратного рассеяния в оптических томограммах слоистых мутных сред", Известия вузов. Радиофизика, т. 46, №7, 2003. С. 628-640.

6. Ю.И.Кошуринов, В.Г.Павельев, М.И.Петелин, И.В.Турчин, Д.Ю.Щегольков, "Диплексер на основе открытого резонатора с гофрированными зеркалами", Письма в ЖТФ, т. 31» № 16, 2005, с. 73-79.

7. N.M, Shakhova, V.M. Gelikonov, V.A. Kamensfcy, R.V. Kuranov, and I.V. Turchin, "Clinical Aspects of the Endoscopic Optical Coherence Tomography and the Ways for Improving Its Diagnostic Value", Laser Physics, Vol. 12, No. 4, 2002, P. 617-626.

8. R.V. Kuranov, S.N. Bagayev, V.M. Gelikonov, G.V. Gelikonov, E.S. Kar-gapoltsev, A.M. Razhev, I.V. Turchin, A.A. Zhupikov, "Optical coherence tomography for in situ monitoring of laser corneal ablation", Journal of Biomedical Optics, Vol. 7, No. 4, 2002, P. 633-642.

9. I.V. Turchin, E.A. Sergeeva, L.S. Dolin, V.A. Kamensky, "Estimation of Biotissue Scattering Properties from OCT Images Using a Small-Angle Approximation of Transport Theory", Laser Physics, Vol. 13, No. 12, 2003, P. 1524-1529.

10. L.S. Dolin, F.I. Feldchtein, G.V. Gelikonov, V.M. Gelikonov, N.D. Gladkova, R.R. Iksanov, V.A. Kamensky, R.V. Kuranov, A.M. Sergeev, N.M. Shakhova, I.V. Turchin, "Fundamentals and Clinical Applications of the PM-Fiber Based Endoscopic OCT", in Coherent-Domain Optical Methods Biomedical Diagnostics, Environmental and Material Science, Kluwer Academic Publishers, 2004, P. 211-270.

11. G. Caryotakis, M. Petelin, Yu. Postoenko, G. Scheitrum, I. Turchin, "Quasi-optical multiplexers for space communication and radar with synthesized frequency band, "Quasi-optical control of intense microwave transmission", Ed. J. L. Hirshfield and M.I. Petelin, Springer, 2005, P. 185-198.

12. I.V. Turchin, E.A. Sergeeva, L.S. Dolin, V.A. Kamensky, N.M. Shakhova, and R. Richards-Kortum, "Novel algorithm of processing Optical Coherence Tomography images for differentiation of biological tissue pathologies", Journal of Biomedical Optics, 10(6), Art. No. 064024, 2005

Оглавление диссертации

Введение......................................................................................................... 4

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Синтез и обработка широкополосных сигналов

в радиолокации............................................................................ 15

1.2. Синтез и обработка сигнала в оптической когерентной томографии (ОКТ)..................................................................... 28

Глава 2. Оценка параметров рассеяния биологических тканей

по ОКТ-изображениям в приближении плоскослоистой среды

2.1. Введение...................................................................................... 38

2.2. Теоретическая модель ОКТ-сигнала для плоскослоистой среды............................................................................................ 38

2.3. Алгоритм оценки параметров рассеяния биоткани................. 44

2.4. Тестирование алгоритма на модельных средах........................ 46

2.5. Оценка дисперсии восстанавливаемых параметров

для однослойной модели............................................................ 51

2.6. Оценка параметров рассеяния некоторых биотканей

по ОКТ-изображениям, полученным in vivo............................ 57

2.7. Заключение............................................................i..................... 62

Глава 3. Обработка ОКТ-изображения для определения профиля толщины однородно рассеивающего объекта

3.1. Введение...................................................................................... 65

3.2. Экспериментальная установка для мониторинга процесса абляции роговицы глаза.............................................................. 66

3.3. Метод расчета профиля толщины удаленного слоя роговицы

и максимальной глубины абляции............................................. 68

3.4. Методы повышения точности определения глубины абляции 71

3.4.1. Оптимизация оптической системы..................................... 71

3.4.2. Предварительная фильтрация ОКТ-изображений

для уменьшения спекл-шума.............................................. 73

3.4.3. Определение максимальной глубины абляции

как интегральной характеристики профиля толщины

удаленного слоя......................................................................................................................................75

3.5. Результаты ex vivo и in vivo экспериментов..........................................................76

3.6. Заключение....................................................................................................................................................................81

Глава 4. Синтез широкополосных сигналов для радиолокации и дальней

связи на основе квазиоптических мультиплексеров 4.1. Введение....................................................................„................ 854.2. Объединение и разделение сигналов в мультиплексере,

образованном цепочкой квазиоптических резонаторов.......... 87

4.2.1. Кольцевой зеркальный резонатор - элемент мультиплексера 87

4.2.2. Экспериментальное исследование элемента мультиплексера в виде открытого четырехзеркального резонатора

с двумя гофрированными зеркалами.................................. 88

4.2.3. Частотные характеристики цепочки кольцевых резонаторов 92

4.2.4. Особенности работы мультиплексера в различных приложениях......................................................................... 94

4.3. Метод адаптивной обработки сигнала в радаре

с синтезированной полосой частот............................................ 96

4.4. Заключение.................................................................................. 103

Приложение 1. Оценка ковариации и доверительной области

восстанавливаемых параметров рассеяния................................................. 105

Приложение 2. О частотных характеристиках резонаторов,

связанных с волноводами............................................................................. 107

Заключение.................................................................................................... 114

Список литературы....................................................................................... 116

Илья Викторович Турчин

НОВЫЕ МЕТОДЫ СИНТЕЗА И ОБРАБОТКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ МИЛЛИМЕТРОВОГО И ИК ДИАПАЗОНОВ ДЛИН ВОЛН

Автореферат

Подписано к печати 01.10.2006 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная № 1. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 115(2006).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950, Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор литературы

1.1. Синтез и обработка широкополосных сигналов в радиолокации.

1.2. Синтез и обработка сигнала в оптической когерентной томографии (ОКТ)

ГЛАВА 2. Оценка параметров рассеяния биологических тканей по ОКТ-изображениям в приближении плоскослоистой среды

2.1. Введение.

2.2. Теоретическая модель ОКТ-сигнала для плоскослоистой среды.

2.3. Алгоритм оценки параметров рассеяния биоткани.

2.4. Тестирование алгоритма на модельных средах.

2.5. Оценка дисперсии восстанавливаемых параметров для однослойной модели.

2.6. Оценка параметров рассеяния некоторых биотканей по ОКТ-изображениям, полученным in vivo.

ф 3.2. Экспериментальная установка для мониторинга процесса абляции роговицы глаза. 66

3.3. Метод расчета профиля толщины удаленного слоя роговицы и максимальной глубины абляции. 68

3.4. Методы повышения точности определения глубины абляции. 71

3.4.1. Оптимизация оптической системы. 71

3.4.2. Предварительная фильтрация ОКТ-изображений для уменьшения спекл-ыгума. 73

3.4.3. Определение максимальной глубины абляции как интегральной характеристики профиля толщины удаленного слоя. 75

3.5. Результаты ex vivo и in vivo экспериментов. 76

3.6. Заключение. 81

ГЛАВА 4. Синтез широкополосных сигналов для радиолокации и дальней связи на основе квазиоптических мультиплексоров

4.1. Введение. 85

4.2. Объединение и разделение сигналов в мультиплексере, образованном цепочкой квазиоптических резонаторов. 87

4.2.1. Кольцевой зеркальный резонатор - элемент мультиплексора. 87

4.2.2. Экспериментальное исследование элемента мультиплексора в виде открытого четырехзеркального резонатора с двумя гофрированными зеркалами. 88

4.2.3. Частотные характеристики цепочки кольцевых резонаторов. 92

4.2.4. Особенности работы мультиплексера в различных приложениях. 94

4.3. Метод адаптивной обработки сигнала в радаре с синтезированной полосой частот. 96

4.4. Заключение.103

Приложение 1. Оценка ковариации и доверительной области восстанавливаемых параметров рассеяния.105

Приложение 2. О частотных характеристиках резонаторов, связанных с волноводами.107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.114

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.116

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Данная работа посвящена методам формирования и обработки широкополосных сигналов, обеспечивающим высокое пространственное разрешение при зондировании различных сред. Высокое поперечное разрешение достигается, как правило, сканированием достаточно узкого зондирующего луча, а чтобы обеспечить высокое разрешение по дальности используют либо 1) короткие смодулированные зондирующие импульсы, либо 2) длинные (вплоть до непрерывного режима) импульсы с широкополосной модуляцией. Для обоих указанных методов минимальный размер продольного разрешения определяется единой формулой Аг«с/2В, где В есть спектральная ширина сигнала. Этот минимальный размер может быть реализован лишь при адекватной обработке сигнала, отраженного от цели: когда импульс, отраженный от элементарного рефлектора, либо сжимается в приемном устройстве аналоговым способом, либо обрабатывается численно с использованием корреляционной обработки, эквивалентной процедуре сжатия. Эта универсальная техника применима и к звуколокации, и к радиолокации, и к светолокации.

В частности, увеличение мощности у источников электромагнитного излучения нередко сопровождается сужением полосы рабочих частот. Очевидно, что широкополосный сигнал можно синтезировать из нескольких узкополосных разночастотных сигналов. Однако для этого требуются 1) разработка мультиплексера - устройства, позволяющего объединять и разделять разночастотные сигналы, и 2) создание соответствующих методов обработки эхо-сигнала. В настоящей работе решаются обе задачи применительно к диапазону миллиметровых волн. Здесь элементами мультиплексера, объединяющими разночастотные сигналы, могут служить резонаторы квазиоптического типа, в частности, резонаторы с гофрированными зеркалами. Они обладают высокой электропрочностью, что делает их пригодными для работы на высоких уровнях мощности с малыми потерями. Однако излученный широкополосный сигнал, синтезированный из нескольких разночастотных, обладает большой неоднородностью спектральной интенсивности, что сопровождается появлением в корреляционной функции сигнала боковых лепестков и, соответственно, трудностями распознавания целей. Для снижения этих эффектов должны быть разработаны соответствующие адаптивные методы обработки сигнала.

Аналогичные проблемы возникают и в оптической когерентной томографии (ОКТ), основанной на формировании изображений поверхностных слоев биоткани с помощью широкополосного источника излучения в терапевтическом окне прозрачности (0.8-1.3 мкм). Повышенный интерес к данному методу обусловлен возможностью получения прижизненной информации о внутренней структуре биообъектов, например, для ранней диагностики неопластических процессов. Так же, как и в радиолокаторе, повысить разрешающую способность в ОКТ можно, синтезируя широкополосный сигнал посредством объединения в мультиплексере излучения от нескольких разночастотных источников.

В ОКТ при оценке параметров исследуемых биотканей необходимо учитывать светорассеяние на микронеоднородностях тканей, приводящее к размытию пучка подсветки. Разработка методов оценки параметров рассеяния слоистых биотканей, например, слизистых оболочек, позволит дифференцировать злокачественные и доброкачественные патологии в условиях, когда визуальный анализ томограмм не позволяет этого сделать.

С помощью ОКТ можно исследовать также объекты, не являющиеся плоскослоистыми. К таким задачам можно отнести оценку профиля толщины однородно рассеивающего слоя, например, роговицы глаза. Оценка профиля роговицы позволит проводить контроль процесса ее абляции лазерным излучением, применяемой для коррекции различных аномалий глаза (миопии, гиперопии, астигматизма).

Цель работы. Применительно к оптической когерентной томографии (ОКТ) и радиолокации диапазона миллиметровых волн, работа была направлена на решение следующих задач:

1. Разработка метода обработки ОКТ-изображений на основе теоретической модели распространения излучения в плоскослоистых рассеивающих средах, позволяющего оценивать показатели рассеяния биологической ткани. Апробация данного алгоритма на модельных средах и биологических тканях.

2. Разработка метода измерения профиля толщины слабо рассеивающего слоя по ОКТ-изображению. Апробация данного алгоритма на модельных средах и роговице глаза во время абляции лазерным УФ излучением, применяемым в рефракционной хирургии глаза.

3. Теоретическое исследование объединения и разделения сигналов в мультиплексере на квазиоптических зеркальных резонаторах в приложениях к дальней связи и радиолокации с синтезированной полосой частот. Экспериментальное исследование элемента мультиплексера, представляющего собой открытый четырехзеркальный резонатор с двумя гофрированными зеркалами.

4. Разработка, в приложении к радарам с синтезированной полосой частот, метода адаптивной обработки эхо-сигнала на основе регуляризации спектра.

Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней оригинальными результатами:

1. Разработан и экспериментально исследован метод оценки параметров рассеяния слоистых биологических тканей по ОКТ-изображениям, использующий модель ОКТ-сигнала, полученную в малоугловом приближении уравнения переноса излучения.

2. Разработан и экспериментально исследован метод измерения профиля толщины однородно рассеивающего слоя по ОКТ-изображениям, который может быть использован, в частности, для контроля лазерной коррекции рефракционных аномалий глаза.

3. Для синтеза широкополосного сигнала из нескольких разночастотных сигналов в приложениям к дальней связи и миллиметровой радиолокации предложено использовать мультиплексер, образованный квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами.

4. Разработан метод адаптивной обработки синтезированного ЛЧМ-сигнала для радиолокации, основанный на регуляризации спектра, обеспечивающий автоматическое улучшение разрешения по дальности при увеличении отношения сигнал/шум.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем.

1. Оценка характеристик рассеяния биотканей, полученная с использованием разработанного метода обработки ОКТ-изображений, позволяет повысить диагностическую ценность метода ОКТ в идентификации злокачественных и доброкачественных процессов по сравнению с визуальной оценкой томограмм.

2. Разработанный алгоритм измерения профиля толщины рассеивающего слоя по ОКТ-изображениям может быть применен для мониторинга процесса абляции роговицы глаза УФ лазерным излучением, что позволит повысить качество лазерной коррекции рефракционных аномалий глаза (Патент РФ №2183108).

3. Для увеличения разрешающей способности радиолокационных систем миллиметрового диапазона длин волн предложено синтезировать широкополосный сигнал посредством объединения нескольких разночастотных сигналов в мультиплексере, образованном квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами.

Положения, выносимые на защиту;

1. Оценка параметров рассеяния слоистых биологических тканей по ОКТ-изображениям может быть использована для дифференциации злокачественных и доброкачественных патологий слизистых оболочек в условиях, когда визуальный анализ томограмм не позволяет этого сделать.

2. Точность измерения толщины слабо рассеивающего слоя при соответствующей обработке ОКТ-изображения может быть достигнута выше длины когерентности зондирующего излучения.

3. Синтез широкополосного сигнала из нескольких разночастотных сигналов при помощи мультиплексера, образованного квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами, может быть применен в миллиметровой радиолокации для повышения разрешающей способности по дальности.

4. Метод адаптивной обработки синтезированного ЛЧМ-сигнала для радиолокации, основанный на регуляризации спектра, обеспечивает автоматическое улучшение разрешения по дальности при увеличении отношения сигнал/шум.

Публикации и апробация результатов. По теме диссертации опубликовано 12 статей в реферируемых изданиях: [130], [41], [114], [47], [127], [44], [88], [112], [94], [92], [96], [55]. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в Институте прикладной физики РАН (2000-2005 гг.), докладывались на конкурсах молодых ученых ИПФ РАН (2001-2004 гг.) и на следующих конференциях: International Quantum Electronics Conference IQEC (2002, Москва), Third International Symposium Modern Problems of Laser Physics MPLP-2000 (2000, Новосибирск), Медицинская физика (2001, Москва), Пятая научная конференция по радиофизике (2001, Нижний Новгород), Saratov Fall Meeting (2001, Саратов), Nato advance research workshop on quasi-optical control of intense microwave transmission (2004, Нижний Новгород), Conference on lasers and electro-optics 2002 (2002, Лонг-Бич, США), BiOS of Conference Photonics West 2003 (2003, Сан-Хосе, США), 11th International Laser Physics Workshop (2002, Братислава, Словакия), OSA Biomedical Topical Meeting on Advances in optical imaging and photon migration 2004 (2004, Майами, США), 13th International Laser Physics Workshop 2004 (2004, Триест, Италия).

Личный вклад автора. Все приведенные в диссертации результаты получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор активно участвовал в теоретической разработке методов, их программной реализации и экспериментальной апробации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Общий объем работы - 127 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 134 наименований.

Основные результаты диссертации:

1. Создан метод оценки параметров рассеяния стратифицированных мутных сред по их ОКТ-изображениям. Метод основан на теоретической модели ОКТ-сигнала, построенной в приближении однократного обратного рассеяния и учитывающей многократное малоугловое рассеяние. Исследована точность оценки параметров рассеяния в зависимости от оптической ширины пучка. Для однородно рассеивающих сред в случае оптически тонкого пучка достоверно могут быть оценены показатели полного и обратного рассеяния, а в случае оптически широкого пучка достоверно может быть определена еще дисперсия малоугловой части индикатрисы рассеяния.

2. Разработанный метод оценки параметров рассеяния слоистых сред протестирован на модельных мутных средах и применен для обработки томограмм, полученных в клинических условиях. Продемонстрирована возможность его использования для дифференциации злокачественных и доброкачественных патологий слизистых оболочек в условиях, когда визуальный анализ томограмм не позволяет этого сделать.

3. Разработан метод измерения профиля толщины однородно рассеивающего слоя по ОКТ-изображению. На модельных средах продемонстрирована точность измерения толщины слоя 5-30 мкм в зависимости от отношения С/Ш при разрешающей способности ОКТ-установки 18 мкм. Метод был применен для оценки изменения профиля роговицы при лазерной коррекции аномалий глаза. В ех vivo экспериментах достигнута точность измерения глубины абляции как интегральной характеристики удаленного профиля роговицы 3-6 мкм, что соответствует 0.3-0.6 диоптрии.

4. Для синтеза широкополосного сигнала из нескольких разночастотных сигналов предложено использовать мультиплексеры, образованные квазиоптическими резонаторами с гофрированными зеркалами. Такие системы обладают высокой электропрочностью и могут быть применены для синтеза широкополосного сигнала в приложениях к дальней связи и радиолокации в миллиметровом диапазоне длин волн.

5. Применительно к радару с синтезированной полосой частот разработан метод адаптивной обработки ЛЧМ-сигнала. Метод основан на регуляризации спектра отраженного эхо-сигнала и обеспечивает автоматическое улучшение разрешения по дальности при приближении цели, т.е. при увеличении отношения С/Ш.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ. (в четырех томах) под ред. К.Н. Трофимова. Том. 1. Основы радиолокации. М.: Сов. радио, 1976 - 456 с .

2. М.И. Финкелыитейн. Основы радиолокации: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1983 536 с.

3. Теоретические основы радиолокации: учебное пособие для вузов. Под ред. А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др., М.: Сов. радио, 1978 608с.

4. M.I. Skolnik. Introduction to Radar Systems. Third Edd. 2001. New Delhi: Tata McGrow-Hill Publishing Company Limited, Ninth reprint, 2003 772 p.

5. Ю.Г. Сосулин. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1992 304 с.

6. Обработка сигналов в многоканальных PJIC. Под ред. А.П. Лукошкина и др.- М.: Радио и связь, 1983. 328 с.

7. Д.Е. Вакман, P.M. Седлецкий. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М.: Сов. Радио, 1973 -312 с.

8. F.E. Nathanson, J.P. Reilly, M.N. Cohen. Radar Design Principles. Signal Processing and the Environment. Second Ed., New Delhi: Prentice Hall of India, 2004

9. Я.Д. Ширман, B.H. Манжос. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981 416 с.

10. Современная радиолокация (анализ, расчет и проектирование систем). Пер. С англ. Под ред. Ю.Б. Кобзарева. М.: Сов. радио, 1969 704 с.

11. Л.Ю. Астанин, А. А. Костылев. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь, 1989 192 с.

12. И.Я. Иммореев, "Сверхширокополосная локация: основные особенности и отличия от традиционной радиолокации", Электромагнитные волны и электронные системы 1(2), 1997, с. 81-88

13. Ultra-wideband Radar Technology, Edited by J.D. Taylor, CRC Press Boca Raton, London, New York, Washington, 2000.

14. H. L. Van Trees, Detection, Estimation and Modulation Theory, NY: Wiley (1991).

15. В.И. Турчин. Введение в современную теорию оценки параметров сигналов. Нижний Новгород: ИПФ РАН, 2005, С. 116.

16. G. Richard Curry. Radar System Performance Modeling. Second Edition. Norwood, MA: Artech House, Inc., 2005 394 p.

17. M.A. Choma, M.V. Sarunic, C.H. Yang, J.A. Izatt, "Sensitivity advantage of swept source and Fourier domain optical coherence tomography", Optics Express 11 (18), 2003, pp.: 2183-2189

18. S.H. Yun, G.J. Tearney, J.F. de Boer, N. Iftimia, B.E. Bouma, "High-speed optical frequency-domain imaging", Optics Express 11 (22), 2003, pp.: 2953-2963

19. M Wojtkowski, VJ Srinivasan, TH Ко, JG Fujimoto, A Kowalczyk, JS Duker, "Ultrahigh-resolution, high-speed, Fourier domain optical coherence tomography and methods for dispersion compensation", Optics Express 12 (11), 2004, pp.: 2404-2422

20. R.S. Symons, "Tubes: Still Vital After All These Years," IEEE Spectrum, April 1998, pp. 52-63.

21. Modern Microwave and Millimeter-Wave Power Electronics. Edited by Barker, Booske, Luhmann,and Nusinovich. The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 2005 33 p.

22. А.Канащенков, В.Копылов, В.Рогов, "Электронные СВЧ-компоненты база настоящих и будущих радиолокационных систем", Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 7,2003, http://www.electronics.ru/137.html

23. J.R. Pardo, J. Cernicharo, and E. Serabyn, "Atmospheric Transmission at Microwaves (ATM): An Improved Model for Millimeter/Submillimeter Applications", IEEE Transactions on Antennas and Propagation 49(12) 2001, pp. 1683-1694

24. A.D. Papatsoris, P.A. Watson, "Calculation of absorption and dispersion spectra of atmospheric gases at millimetre-wavelengths", IEE Proceedings-H 140(6) 1993, pp. 461468.

25. M. Skolnik, "Role of Radar in Microwaves", IEEE Transactions on microwave theory and techniques, 50 (3), 2002, pp. 625-632.

26. M. Skolnik, "Opportunities in radar-2002", Electronics & Communication Engineering Journal, December, 2002, pp. 263 272.

27. H. Griffiths, "Future radar developments", Electronics & Communication Engineering Journal, December, 2002, pp. 250-251.

28. W.M. Manheimer, A.W. Fliflet, K.St. Germain, G.J. Linde, W.J. Gheung, V. Gregers-Hansen, M.T. Ngo, and B.G. Danly, "The NRL 94 GHz High-power WARLOC Radar as a Cloud Sensor", NRL Review, 4, 2004, http://www.nrl.naYV.mil/content.php ?P=04REVIEW129

29. H.L. Thai, "Transmit-Receive Multiplexer for the 12- 14-GHz Band", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 30(9), 1982, pp. 1324-1330.

30. N. Nakajima and Ryuichi-Watanabe, "A Quasioptical Circuit Technology for Shorttillimeter-Wavelength Multiplexer", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 29(9), 1981, pp. 897-905

31. Y. Rong, H. W. Yao, K. A. Zaki, T. G. Dolan, Millimeter-wave Ka-band H-plane diplexers and multiplexers, IEEE Trans. onMTT, 47(12), 2325 (1999).

32. C. Kudsia, R. Cameron, and Wai-Cheung Tang, "Innovations in Microwave Filters and Multiplexing Networks for Communications Satellite Systems" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 40(6), 1992, pp. 1133-1149.

33. X. P. Liang, K. A. Zaki, A. E. Atia, A rigorous 3 plane mode-matching technique for characterizing wave-guide T-junctions, and its application in multiplexer design, IEEE Trans. MTT, 39 (12), 2138-214 7 (1991)

34. D.J. Rosowsky, and D. Wolk, "A 450-W Output Multiplexer for Direct Broadcasting Satellites", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 30(9), 1982, pp. 1317-1323.

35. L.P. Solie, and M.D. Wohlers, "Use of an SAW Multiplexer in FMCW Radar System", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 29(5), 1981, pp. 419-423

36. M.I. Petelin, G. Caryotakis et al, Quasi-optical components for MMW fed radars and particle accelerators, in AIP Conf. Proc. 474, NY: Woodbury, 1998, pp. 304 315.

37. P.S. Henry, "A Low-Loss Diffraction Grating Frequency Multiplexer", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 26(6) 1978, pp. 428-433.

38. Дж. Матгей, JI. Янг, Е. Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. М.: Связь, 1972. Т. 2.

39. М.Н. Chen, "Design Formulas for a Quasi-Optical Diplexer or Multiplexer", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 28(4), 1980, pp. 363-368

40. И.В.Турчин, "Мультиплексер на основе кольцевых зеркальных резонаторов", Радиотехника и электроника, 48(6), 2003 с. 684-687.

41. M.I. Petelin, Yu.Yu. Danilov, "Circular Cavities with Corrugated Mirrors Excited by Wave Beams", Int. J. oflnfr. and Mill Waves 20, 1999, pp. 2023-2038.

42. V. I. Belousov, G. G. Denisov, N. Y. Peskov, "Quasi-optical multiplexer based on reflecting diffraction grating", Int. J of IR&MMW 12 (9), 1991, pp. 1035-1043.

43. Ю.И.Кошуринов, В.Г.Павельев, М.И.Петелин, И.В.Турчин, Д.Ю.Щегольков, "Диплексер на основе открытого резонатора с гофрированными зеркалами", Письма в ЖТФ 31 (16), с. 73-79 2005 http:/Avww.ioffe.ru/iournals/pitf/2005/16/page-73.html.ru

44. G. Scheitrum, В. Arfrn, B.G. James, P. Borchard, L. Song, Y.Cheng, G. Caryotakis, A. Haase, B. Stockwell, N. Luhmann, B.Y. Shew, The klystrino: a high power W-band amplifier, Int. Vacuum Electronics Conference, 2000, Abstracts, p. 22.

45. G. Scheitrum, B. Arfin, A. Burke, G. Caryotakis, A. Haase,; Y. Shin, Design, fabrication and test of the klystrino, 29th IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) 2002, IEEE Conference Record, Abstracts, p. 200.

46. S.R. DeGraaf, "Sidelobe Reduction via Adaptive FIR Filtering in SAR Imagery", IEEE Transactions on Image Processing, 3(3), 1994, pp. 292-301.

47. H.D. Griffiths, L. Vinagre, "Design of low-sidelobe pulse compression waveforms", Electronics Letters, 30(12), 1994, pp. 1004-1005.

48. Т. Misaridis and J.A. Jensen, "Use of Modulated Excitation Signals in Medical Ultrasound.Part I: Basic Concepts and Expected Benefits", IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 52(2), 2005, pp. 177-191.

49. C.E. Cook, and J. Paollilo, "A Pulse Compression Predistortion Function for Efficient Sidelobe Reduction in a High-Power Radar", Proceedings of the IEEE, 1964, pp. 377389

50. N. Levanon, "Stepped-frequency pulse-train radar signal", IEE Proceedings Radar Sonar Navigation, 149(6), 2002, 297-309

51. N. Levanon, E. Mozeson. Radar Signals. New Jersey: John Wiley & Sons Inc., 2004. -411 p.

52. M. Kowatsch, "Suppression of Sidelobes in Rectangular Linear FM Pulse Compression Radar", Proceedings of the IEEE, 70(3), 1982, pp. 308-309.

53. Huang D., Wang J., Lin C.P., Shuman J. S., Stinson W.G., Chang W., Нее M.R., Flotte Т., Gregory K., Puliafito C.A., and Fujimoto J.G., "Optical coherence tomography," Science 254, 1178-1181, (1991).

54. A. Fercher "Optical coherence tomography" J. Biomed. Opt. 1, 1996 pp. 157-173

55. J. M. Schmitt, "Optical coherence tomography (OCT): A review," IEEE J of Selected Topics in Quantum Electronics, 5 (4), 1999, pp. 1205-1215.

56. Англо-русский медицинский энциклопедический словарь. Гл. ред. А.Г. Чучалин. М.: ГЭОТАР, 1995.

57. J. G. Fujimoto, C. Pitris, S. A. Boppart, et al. "Optical Cohernce Tomography, An Emerging Technology for Biomedical Imaging and Optical Biopsy", Neoplasia 2, 9-25 (2000).

58. JI.C. Долин, "Теория оптической когерентной томографии," Изв. ВУЗов Радиофизика 41(10), 1258-1289, (1998).

59. S.R. Chinn, Е.А. Swanson, J.G. Fujimoto, "Optical coherence tomography using a frequency-tunable optical source", Optics Letters 22 (5), 1997, pp.: 340-342

60. W. Drexler, U. Morgner, F. X. Kartner, С Pitris, S. A. Boppart, X. D. Li; E. P. Ippen, J. G. Fujimoto "In vivo ultrahigh-resolution optical coherence tomography" Opt. Lett. 24, 1221-1223 (1999).

61. J.A. Izatt, M.R. Нее, G.M. Owen, E.A. Swanson, J.G. Fujimoto, "Optical coherence microscopy in scattering media", Optics Letters 19(8), 1994, pp. 590-592

62. J.A. Izatt, M.D. Kulkarni, H.-W. Wang, K. Kobayashi, M.V. Jr. Sivak, "Optical Coherence Tomography and Microscopy in Gastrointestinal Tissues", IEEE J. of Selected Topics in Quantum Electronics, 2(4), 1996, pp. 1017-1028

63. G.A. Johnson, H. Benveniste, R.D. Black, L.W. Hedlund, R.R. Maronpot, B.R. Smith, "Histology by magnetic resonance microscopy", Mag. Reson. Q. 9, 1993, p. 1-30.

64. S. Gammal, R. Hartwig, S. Aygen, T. Bauermann, C. Gammal, P. Altmeyer, "Improved resolution of magnetic resonance microscopy in examination of skin tumors", J. Invest. Derm., 106,1996, pp. 1287-1292.

65. P.J. Benkeser, A.L. Churchwell, C. Lee, D.M. Aboucinaser, "Resolution limitations in intravascular ultrasound imaging,"./ Amer. Soc. Echocardiol. 6, 1993, pp. 158-165. # 73. F.S. Foster, C.J. Pavlin, K.A. Harasievicz, D.A. Christopher, D.H. Turnbull,

66. Advances in ultrasound biomicroscopy," Ultrasound in Med. And Biol. 26, 2000, pp. 127.

67. M. Kempe, W. Rudolph, E. Welsch, "Comparative study of confocal and heterodyne microscopy for imaging through scattering media", J. Of The Optical Society Of America A, 13, 1996, pp. 46-52.

68. C. Pitris, C. Jesser, S. A. Boppart, D. Stemper, M. E. Brezinski, J. G. Fujimoto,

69. Feasibility of optical coherence tomography for high-resolution imaging of humanWgastrointestinal tract malignancies", J. Gastroenterol. 35, 87-92, (2000).

70. M. R. Нее, J. A. Izatt, E. A. Swanson, D. Huang, C. P. Lin, J. S. Schuman, C. A. Puliafito, J. G. Fujimoto, "Optical coherence tomography of the human retina," Arch. Ophthalmol 113, 326-332, (1995).

71. C. A. Puliafito, M. R. Нее, С. P. Lin, et al, "Imaging of macular diseases with optical coherence tomography," Ophthalmol. 120, 217-229, (1995).

72. J. M. Schmitt, M. J. Yadlovsky, R. F. Bonner, "Subsurface imaging of living skin щ with optical coherence microscopy", Dermatology 191, 93-98, (1995).

73. T. Fukuchi, K. Takanashi, H. Ida, K. Sho, M. Matsumura, "Staging of idiopathic choroidal neovascularization by optical coherence tomography", Craefe's Arch. Clin. Exp. Ophthalmol., 239,424-429, (2001).

74. F.I. Feldchtein, G. V. Gelikonov, V. M. Gelikonov, R. R. Iksanov, R. V. Kuranov, A.m

75. M. Sergeev, N. D. Gladkova, M. N. Ourutina, J. A. Warren, & D. H. Reitze, "In vivo

76. OCT imaging of hard and soft tissue of the oral cavity", Optics Express 3, 239-250, (1998).

77. B. W. Colston, U. S. Sathyam, L. B. Da Silva, M. J. Everett, P. Stroeve, L. L. Otis, "Dental OCT", Optics Express, 3,230-238, (1998).

78. A. F. Fercher, W. Drexler, C.K. Hitzenberger and T. Lasser, "Optical coherence tomography principles and applications", Reports on Progress in Physics, 66, 239-303 (2003).

79. N. M. Shakhova, V. M. Gelikonov, V. A. Kamensky, R. V. Kuranov, and I. V. Turchin, "Clinical Aspects of the Endoscopic Optical Coherence Tomography and the Ways for Improving Its Diagnostic Value," Laser Physics 12, 617-626 (2002).

80. T. Collier, A. Lacy, A. Malpica, M. Follen, R. Richards-Kortum, "Near Real Time Confocal Microscopy of Amelanotic Tissue: Detection of Dysplasia in Ex-Vivo Cervical Tissue", Academic Radiology, 9, 504-512 (2002).

81. J. M. Schmitt and A. Knuttel, "Measurement of optical-properties of biological tissues by low-coherence reflectometry," Applied Optics 32, 6032-6042 (1993).

82. V. Turchin, E. A. Sergeeva, L. S. Dolin, V. A. Kamensky, "Estimation of Biotissue Scattering Properties from OCT Images Using a Small-Angle Approximation of Transport Theory", Laser Physics, 13, 1524-1529 (2003).

83. P. E. Andersen, L. Thrane, H. T. Yura, A. Tycho, Т. M. Jorgensen, M. H. Frosz, "Advanced modelling of optical coherence tomography systems", Physics In Medicine And Biology 49 (7), 1307-1327 (2004).

84. С. K. Hayakawa, J. Spanier, F. Bevilacqua, A. K. Dunn, J. S. You, B. J. Tromberg, V. Venugopalan, "Perturbation Monte Carlo methods to solve inverse photon migration problems in heterogeneous tissues", Optics Letters 26 (17), 1335-1337 (2001)

85. А. Исимару. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. Т. 1,2. Пер. с англ. М.: Мир. 1981. 281 с.

86. L. Thrane and Н. Т. Yura, "Analysis of optical coherence tomography systems based on the extended Huygens-Fresnel principle," J. of the Opt. Society of America A-optics Image Science and Vision 17, 484-490 (2000).

87. Handbook of Genetic Algorithms, L. Davis, Ed., Van Nostrand Reinhoed, NY (1991).

88. C.K. Hitzenberger, "Measurement of corneal thickness by low-coherence interferometry", Appl Opt., 31, 6637-6642, (1992).

89. A. F. Fercher, С. К. Hitzenberger, W. Drexler, G. Kamp, H. Sattmann, "In vivo optical coherence tomography", Am. J. Ophthalmol., 116, 113-114, (1993).

90. J. A. Izatt, M. R. Нее, E. A. Swanson, C. P. Lin, D. Huang, J. S. Schumann, C. A. Puliafito, J. F. Fujimoto, "Micrometer-scale resolution imaging of the anterior eye in vivo with optical coherence tomography", Arch. Ophthalmol., 112, 1584-1589,(1994).

91. W. Drexler, A. Baumgartner, 0. Findl, C.K. Hitzenberger, H. Sattmann, A.F. Fercher, "Submicrometer precision biometry of the anterior segment of the human eye", Investigate Ophthalmology & Visual Science, 38, 1304-1313, (1997).

92. M. Bechmann, M. J. Thiel, B. Roesen, S. Ullrich, M. W. Ulbig, K. Ludwig, "Central corneal thickness determined with optical coherence tomography in various types of glaucoma" British j. ophthalmol., 84, 1233-1237, (2000).

93. S. Radhakrishnan, A. M. Rollins, J. E. Roth, S. Yazdanfar, V. Westphal, D. S. Bardenstein, J. A. Izatt, "Real-time optical coherence tomography of the anterior segment at 1310 nm" Arch, ophthalmol., 119, 1179-1185, (2001).

94. Y. W. Feng, J. Varikooty, T. L. Simpson, "Diurnal variation of corneal and corneal epithelial thickness measured using optical coherence tomography" Cornea, 20, 480-483, (2001).

95. C. Ustundag, H. Bahcecioglu, A. Ozdamar, C. Aras, R. Yildirim, S. Ozkan, "Optical coherence tomography for evaluation of anatomical changes in the cornea after laser in situ keratomileusis" J. Cataract. Refract. Surg., 26, 1458-1462 (2000).

96. C. Wirbelauer, C. Scholz, H. Hoerauf, R. Engelhardt, R. Birngruber, H. Laqua, "Corneal optical coherence tomography before and immediately after excimer laser photorefractive keratectomy", Am. J. Opthalmol., 130, 693-699, (2000).

97. C.R. Munnerlyn, SJ. Koons, and J. Marshall, "Photorefractive keratektomy: A technique for laser refractive surgery", J. Cataract. Refract. Surg., 1, 46-52, (1988).

98. S.N.Bagayev, V.M.Gelikonov, E.S.Kargapoltsev, R.V.Kuranov, A.M.Razhev, E.V.Turchin, A.A. Zhupikov, "The excimer laser system for refractive surgery assisted by optical coherence tomograph", Laser Physics, 11(11), 2001. pp. 1224-1227.

99. A. M. Razhev, and A. A. Zhupikov, "Excimer ArF laser with output energy of 0.5 J and He buffer gas", Quantum Electronics, 27, 665-669, (1997).

100. S. N. Bagayev, A. M. Razhev, and A.A. Zhupikov, "Excimer laser ophthalmic devices for eye microsurgery", Laser Physics, 8, 794-798, (1998).

101. J. M. Schmitt, S. H. Xiang, K.M. Yung, "Speckle in optical coherence tomography", Biomed. Opt., 4, 95-105, (1999).

102. M. C. Knorz, B. Jendritza "Topographically-guided laser in situ keratomileusis to treat corneal irregularities" Ophthalmology, 107, 1138-1143, (2000).

103. J. Hjortdal, N. Ehler, "Treatment of post-keratoplasty astigmatism by topography supported customized laser ablation" Acta Ophthalmol. Scand., 79, 376-380, (2001).

104. A. Stojanovic, T. A. Nitter, "200 Hz flying spot technology of the LaserSight LSX excimer laser in the treatment of myopic astigmatism", J. Cataract Refract Surg, 27, 1263-1277, (2001).

105. J. M. Schmitt and G. Kumar, "Optical scattering properties of soft tissue: a discrete particle model," Applied Optics 37, 2788-2797 (1998).

106. А.П. Иванов. Оптика рассеивающих сред. Минск: Наука и техника, 1969 с. 592.

107. В.В. Тучин. Лазеры и волоконная оптика в биомедицинских исследованиях. Саратов: Изд-во Сарат ун-та. 1998. с. 384

108. R. Hornung, Т. Н. Pham, К. A. Keefe, "Quantitative near-infrared spectroscopy of cervical dysplasia in vivo", Human Reproduction 14 (11), 2908-2916 (1999).

109. Л.С. Долин, Г.В. Геликонов, E.A. Сергеева, И.В. Турчин, "О проявлении эффектов многократного обратного рассеяния в оптических томограммах слоистых мутных сред", Известия вузов. Радиофизика, т. 46, №7, 2003. С. 628-640.

110. М. Mouly, М. В. Pautet, The GSM System for Mobile Communications (Palaiseau: Cell and Sys, 1992).

111. С. E. Shannon, A mathematical theory of communication, Bell System Tech. J, 27(4), 623-656,(1948).

112. М.И. Петелин, И.В. Турчин, "О частотных характеристиках резонаторов, связанных с волноводами", Радиотехника и электроника, 46(12), 2001, с. 1445-1448.

113. V.G. Pavelev, S.E. Tsimring, V.E. Zapevalov, "Coupled cavities with mode conversion in gyrotrons", Int. J. of Electronics 63(3), 1987, pp. 379-391.

114. B.B. Никольский. Теория электромагнитного поля. М.: Высшая школа, 1961.

115. Л.А. Вайнштейн. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988.

116. Дж. Слэтер. Электроника сверхвысоких частот. М.:Сов. радио, 1948.