RU2400705C1

RU2400705C1 - Rough surface image optical spectral processing device

Info

Publication number: RU2400705C1
Application number: RU2009103024/28A
Authority: RU
Inventors: Эмма Михайловна Зуйкова (RU); Эмма Михайловна Зуйкова; Виктор Иванович Титов (RU); Виктор Иванович Титов; Юлия Игоревна Троицкая (RU); Юлия Игоревна Троицкая
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2010-09-27
Also published as: RU2009103024A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device has on its optical axis an objective lens, an image modulator mounted in the focal plane of the objective lens, an integrating photodetector and a unit for generating and picking up the spectrum of the rough surface image. In front of the focal plane of the said objective lens there is a movable prism for rotating the image. The image modulator is in form of a rotating standard disc on whose perimetre a standard periodic structure is deposited in form of a multi-turn spiral with varying frequency. The standard disc has a mark for synchronising movement of the prism with rotation of the modulator. An analysis window is fitted in front of the integrating photodetector such within its boundaries the transmission coefficient of the standard periodic structure has periodic distribution with constant spatial frequency. The integrating photodetector is connected to an automatic gain control (AGC) unit and a computer fitted with an analogue-to-digital converter (ADC) functions as a unit for generating and picking up the spectrum of the rough surface image.

EFFECT: design of an optical spectral processing device which enables to obtain a two-dimensional spectrum of a water surface image in real time.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к оптическим аналоговым устройствам для спектральной обработки изображений, например, поверхности моря, с использованием некогерентного света и может быть применено для решения ряда научно-технических задач, в частности, для измерения спектров изображения шероховатой поверхности, в том числе пространственного спектра волнения водной поверхности в реальном времени.The invention relates to optical analog devices for spectral processing of images, for example, of the sea surface, using incoherent light and can be used to solve a number of scientific and technical problems, in particular, to measure the image spectra of a rough surface, including the spatial spectrum of waves of a water surface in real time.

Известны оптические аналоговые анализаторы в некогерентном свете, например оптический анализатор спектра записей сигналов ОСА-2 (см. Зверев В.А., Орлов Е.Ф. «Оптические анализаторы». М.: Советское радио, 1971, стр.96-99). Данный оптический анализатор спектра записей сигналов содержит последовательно расположенные на оптической оси прибора: объектив, блок оптических решеток с механизмом их смещения относительно друг друга, оправу для крепления носителя записи анализируемых сигналов (фотопленку), диафрагму и интегрирующий фотоприемник в виде системы линз с фотоумножителем. Недостатком этого анализатора является необходимость записи изображения водной поверхности на носитель (фотопленку) с целью последующего анализа. Использование носителя уменьшает динамический диапазон анализируемых изображений из-за нелинейности амплитудной характеристики носителя. Кроме того, появляются дополнительные шумы, вносимые носителем изображения, а также теряется возможность оперативной обработки изображений и получения спектров в реальном времени.Optical analog analyzers are known in incoherent light, for example, an optical analyzer of the spectrum of OSA-2 signal recordings (see Zverev VA, Orlov EF “Optical Analyzers”. M.: Soviet Radio, 1971, pp. 96-99) . This optical analyzer of the spectrum of signal recordings contains sequentially located on the optical axis of the device: a lens, a block of optical arrays with a mechanism for shifting them relative to each other, a frame for mounting the recording medium of the analyzed signals (film), an aperture and an integrating photodetector in the form of a lens system with a photomultiplier. The disadvantage of this analyzer is the need to record the image of the water surface on a carrier (film) for subsequent analysis. The use of media reduces the dynamic range of the analyzed images due to the nonlinearity of the amplitude characteristics of the media. In addition, there are additional noises introduced by the image carrier, and the ability to quickly process images and obtain spectra in real time is lost.

Наиболее близким аналогом к разработанному устройству оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности является устройство, известное по авторскому свидетельству №SU 1018132, МПК³ G06G 9/00, G01R 23/16, публ. 15.05.1983 г., которое проводит спектральную обработку оптического изображения шероховатой поверхности, например, морского волнения, одновременно для пяти пространственных частот в реальном времени. Устройство-прототип содержит установленные последовательно объектив для формирования изображения шероховатой поверхности, неподвижно установленный в фокальной плоскости объектива модулятор, оптическую схему и фотоприемник, который электрически соединен с анализатором спектра временных частот. Модулятор представляет собой набор фильтров пространственных частот и выполнен в виде набора оптических решеток, периодических вдоль оси Х и имеющих дискретно отличающиеся периоды вдоль оси Y. Оптическая схема выполнена в виде линзы.The closest analogue to the developed device for optical spectral processing of the image of a rough surface is the device known by the copyright certificate No.SU 1018132, IPC ³ G06G 9/00, G01R 23/16, publ. 05/15/1983, which carries out spectral processing of the optical image of a rough surface, for example, sea waves, simultaneously for five spatial frequencies in real time. The prototype device contains a sequentially mounted lens for forming an image of a rough surface, a modulator, an optical circuit and a photodetector, which is electrically connected to a time frequency spectrum analyzer, fixedly mounted in the focal plane of the lens. The modulator is a set of spatial frequency filters and is made in the form of a set of optical gratings periodic along the X axis and having discrete different periods along the Y axis. The optical scheme is made in the form of a lens.

Недостатком ближайшего аналога является то, что устройство регистрирует одновременно только пять пространственных частот спектра волнения водной поверхности и лишь в одном направлении волнового вектора, определяемом осью X, что не позволяет регистрировать реальные физические процессы, происходящие, например, на поверхности океана, поскольку для этого требуется регистрация двумерного спектра волнения в реальном времени при гораздо большем числе одновременно измеренных пространственных частот спектра в различных направлениях волн.A disadvantage of the closest analogue is that the device simultaneously records only five spatial frequencies of the wave spectrum of the water surface and only in one direction of the wave vector defined by the X axis, which does not allow real physical processes to occur, for example, on the surface of the ocean, since this requires real-time registration of a two-dimensional wave spectrum with a much larger number of simultaneously measured spatial frequencies of the spectrum in different wave directions.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства оптической спектральной обработки, обеспечивающего получение двумерного спектра изображения водной поверхности в реальном времени.The problem solved by the present invention is the development of an optical spectral processing device that provides a two-dimensional spectrum of the image of the water surface in real time.

Технический результат в разработанном устройстве достигается тем, что разработанное устройство оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности, так же как и устройство-прототип, содержит расположенные на оптической оси объектив, модулятор изображения, установленный в сопряженной плоскости объектива, интегрирующий фотоприемник и блок формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности.The technical result in the developed device is achieved by the fact that the developed optical spectral image processing device for the rough surface image, as well as the prototype device, contains a lens located on the optical axis, an image modulator mounted in the conjugate plane of the lens, integrating a photodetector and a spectrum forming and recording unit images of a rough surface.

Новым в разработанном устройстве является то, что перед сопряженной плоскостью упомянутого объектива установлена подвижная призма для вращения изображения шероховатой поверхности, модулятор изображения выполнен в виде вращающегося диска-эталона с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой в виде многозаходной спирали с изменяющейся частотой, кроме того, диск-эталон снабжен меткой для синхронизации движения упомянутой призмы с вращением модулятора, окно анализа установлено перед интегрирующим фотоприемником, соединенным с блоком автоматической регулировки усиления (АРУ), при этом функции блока формирования и регистрации спектра изображения шероховатой поверхности выполняет компьютер, снабженный многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП).What is new in the developed device is that a movable prism is mounted in front of the conjugate plane of the said lens to rotate the image of a rough surface, the image modulator is made in the form of a rotating reference disk with a periodic reference structure applied around the perimeter in the form of a multi-helix with a varying frequency, in addition, the disk - the standard is equipped with a label for synchronizing the movement of the mentioned prism with the rotation of the modulator, the analysis window is installed in front of the integrating photodetector, connected to the automatic gain control unit (AGC), while the functions of the unit for forming and registering the image spectrum of a rough surface are performed by a computer equipped with a multi-channel analog-to-digital converter (ADC).

В первом частном случае реализации устройства целесообразно диск-эталон выполнить с дополнительной дорожкой, на которой для формирования опорных синхроимпульсов нанесены метки с частотой, изменяющейся по окружности диска-эталона соответственно изменению пространственной частоты модулятора, и необходимо также ввести считывающую данные метки оптопару, соединенную с одним из входов синхронного детектора, другой вход которого соединить с выходом блока АРУ, выход же синхронного детектора соединить с АЦП.In the first particular case of the implementation of the device, it is advisable to perform a reference disk with an additional track, on which, for the formation of reference clock pulses, labels are applied with a frequency varying around the circumference of the reference disk according to a change in the spatial frequency of the modulator, and it is also necessary to introduce an optocouple reading the label data connected to one from the inputs of a synchronous detector, the other input of which is connected to the output of the AGC block, the output of the synchronous detector is connected to the ADC.

Во втором частном случае реализации устройства целесообразно в его состав дополнительно ввести сканирующий яркомер для регистрации яркости неба синхронно с записью спектра в блоке формирования и регистрации спектра, содержащий подвижное плоское зеркало, механизм его вращения и фотоприемник, соединенный с АЦП компьютера, при этом оптическую ось фотоприемника яркомера необходимо ориентировать параллельно упомянутой оптической оси устройства.In the second particular case of the device’s implementation, it is advisable to add a scanning brightness meter for recording the brightness of the sky synchronously with recording the spectrum in the spectrum forming and recording unit, containing a moving flat mirror, its rotation mechanism and a photodetector connected to the ADC of the computer, while the optical axis of the photodetector The brightness meter must be oriented parallel to the optical axis of the device.

Устройство поясняется чертежами:The device is illustrated by drawings:

на фиг.1 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности в соответствии с пунктом 1 формулы;figure 1 presents a block diagram of a developed device for optical spectral image processing of a rough surface in accordance with paragraph 1 of the formula;

на фиг.2 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности в соответствии с пунктом 2 формулы;figure 2 presents a block diagram of a developed device for optical spectral image processing of a rough surface in accordance with paragraph 2 of the formula;

на фиг.3 представлена блок-схема разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности в соответствии с пунктом 3 формулы;figure 3 presents a block diagram of a developed device for optical spectral image processing of a rough surface in accordance with paragraph 3 of the formula;

на фиг.4 показан пример отображения двумерного спектра волнения в амплитудном виде.figure 4 shows an example of the display of the two-dimensional wave spectrum in amplitude form.

Устройство, представленное на фиг.1, содержит последовательно расположенные на оптической оси объектив 1, подвижную призму 2 для вращения изображения шероховатой поверхности, модулятор 3 изображения, выполненный в виде вращающегося диска-эталона с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой 17 в виде многозаходной спирали, окно анализа 5 и интегрирующий фотоприемник 6, соединенный с блоком АРУ 7. При этом функции блока формирования и регистрации спектра изображения выполняет компьютер 9, снабженный многоканальным блоком АЦП 8. Диск-эталон 3 снабжен меткой 4 для синхронизации собственного вращения с движением призмы 2, обеспечиваемым блоком управления 12 механизма вращения призмы 2. Введенная в устройство оптопара 10 служит для контроля крайних положений поворачивающейся призмы 2 и выработки синхроимпульсов в крайних положениях призмы, а оптопара 11 служит для отслеживания положения метки 4 и выработки синхроимпульса начала поворота диска-эталона 3. Синхроимпульсы с оптопар 10 и 11 подаются на блок управления 12 и на вход блока АЦП 8. При этом окно анализа 5 занимает небольшую часть на периферии диска-эталона 3, так что в его пределах коэффициент прозрачности эталонной периодической структуры 17 имеет периодическое распределение с постоянной пространственной частотой. Упомянутая оптическая ось устройства, на которой располагаются объектив 1, призма 2, модулятор 3, окно анализа 5 и фотоприемник 6, направлена под некоторым углом (углом визирования) к наблюдаемой водной поверхности, двумерный спектр пространственных частот которой требуется измерить или регистрировать в течение некоторого времени.The device shown in Fig. 1 contains a lens 1 sequentially located on the optical axis, a movable prism 2 for rotating an image of a rough surface, an image modulator 3, made in the form of a rotating reference disk with a reference periodic structure 17 applied around the perimeter in the form of a multi-start spiral, an analysis window 5 and an integrating photodetector 6 connected to the AGC block 7. In this case, the functions of the block for generating and recording the spectrum of the image are performed by a computer 9 equipped with a multi-channel ADC block 8. The reference disk 3 is labeled 4 to synchronize its own rotation with the movement of the prism 2 provided by the control unit 12 of the mechanism of rotation of the prism 2. The optocouple 10 introduced into the device serves to control the extreme positions of the rotating prism 2 and generate clock pulses in the extreme positions of the prism, and the optocoupler 11 serves to track the position of label 4 and to generate a sync pulse of the start of rotation of the reference disk 3. Sync pulses from optocouplers 10 and 11 are fed to the control unit 12 and to the input of the ADC unit 8. In this case, the analysis window 5 does not take most of it is on the periphery of the reference disk 3, so that within its limits the transparency coefficient of the reference periodic structure 17 has a periodic distribution with a constant spatial frequency. The optical axis of the device, on which the lens 1, prism 2, modulator 3, analysis window 5 and photodetector 6 are located, is directed at a certain angle (viewing angle) to the observed water surface, the two-dimensional spectrum of spatial frequencies of which needs to be measured or recorded for some time .

Устройство, представленное на фиг.2, содержит те же элементы, что и на фиг.1, но при этом диск-эталон 3 выполнен с дополнительной дорожкой, на которой для формирования опорных синхроимпульсов нанесены метки 13 с частотой, изменяющейся по окружности диска-эталона 3 соответственно изменению пространственной частоты эталонной периодической структуры 17. Кроме того, в устройство введена оптопара 14, считывающая метки 13 и соединенная с одним из входов синхронного детектора 15, другой вход которого соединен с выходом блока АРУ 7. Выход синхронного детектора 15 соединен с блоком АЦП 8 компьютера 9.The device shown in figure 2, contains the same elements as in figure 1, but the reference disk 3 is made with an additional track, on which, for the formation of the reference clock pulses marked 13 with a frequency that varies around the circumference of the reference disk 3 according to a change in the spatial frequency of the reference periodic structure 17. In addition, an optocouple 14 is inserted into the device, reading tags 13 and connected to one of the inputs of the synchronous detector 15, the other input of which is connected to the output of the AGC block 7. Output of the synchronous det Ktorov 15 is connected to the computer unit 8 September ADC.

Устройство, представленное на фиг.3, содержит те же элементы, что на фиг.1 или фиг.2, но дополнено сканирующим яркомером для регистрации яркости неба синхронно с записью спектра в блоке 9 формирования и регистрации спектра. Сканирующий яркомер содержит плоское зеркало 18, механизм его вращения 19 и фотоприемник 20, соединенный с АЦП 8 компьютера 9, при этом оптическая ось фотоприемника 20 яркомера ориентирована параллельно упомянутой в п.1 оптической оси устройства.The device shown in Fig. 3 contains the same elements as in Fig. 1 or Fig. 2, but is supplemented by a scanning brightness meter for recording the brightness of the sky synchronously with recording the spectrum in block 9 of the formation and registration of the spectrum. The scanning brightness meter contains a flat mirror 18, its rotation mechanism 19 and a photodetector 20 connected to the ADC 8 of the computer 9, while the optical axis of the photodetector 20 of the brightness meter is oriented parallel to the optical axis of the device mentioned in paragraph 1.

В примере конкретной реализации подвижная призма 2, поворачивающая изображение шероховатой поверхности, выполнена в виде так называемой призмы «Пехана», а диск-эталон 3 изготовлен на фотопленке с помощью координатного устройства со «световым» пером, при этом фотопленка закреплена (зажата) между двумя стеклянными дисками.In the example of a specific implementation, the movable prism 2, which rotates the image of the rough surface, is made in the form of the so-called Pehana prism, and the standard disk 3 is made on film using a coordinate device with a light pen, while the film is fixed (clamped) between two glass discs.

Разработанное устройство по п.1 формулы и представленное на фиг.1 работает следующим образом. Изображение шероховатой поверхности, например морской поверхности, полученное с помощью объектива 1 в сопряженной плоскости (фокальной плоскости объектива 1), модулируется установленным в ней же диском-эталоном 3 пространственных частот с нанесенной по периметру эталонной периодической структурой 17 в виде многозаходной спирали с изменяющейся частотой. При каждом обороте диска-эталона 3 в окне анализа 5 происходит последовательный перебор частот эталонной периодической структуры 17 от минимального значения до максимального. После диска-эталона 3 изображение интегрируется по пространству в пределах окна анализа 5 с помощью фотоприемника 6. Модуляционный принцип (см. Зверев В.А., Орлов Е.Ф. «Оптические анализаторы». М.: Советское радио, 1971, стр.96-99) здесь обеспечивается записью на одной пространственной частоте нескольких периодов по фазе (многозаходная спираль нанесена под определенным углом к окружности диска-эталона). В результате временная частота сигнала с выхода интегрирующего фотоприемника 6 прямо пропорциональна частоте эталонной периодической структуры 17 в пределах окна анализа 5 (частота сигнала меняется от 200 Гц до 15 кГц), а амплитуда временного сигнала с выхода интегрирующего фотоприемника 6 оказывается пропорциональна спектру изображения на пространственной частоте, определяемой частотой диска-эталона 3 в окне анализа 5. В блоке АРУ 7 коэффициент усиления сигнала фотоприемника 6 возрастает прямо пропорционально увеличению пространственной частоты эталона 3 в окне анализа 5. Так как спектр волнения и, соответственно, сигнал фотоприемника 6 падает с ростом частоты, блок АРУ 7 позволяет, с одной стороны, выровнять уровень сигнала перед передачей по кабелю и, с другой стороны, "вписаться" в динамический диапазон блока АЦП8.The developed device according to claim 1 of the formula and presented in figure 1 works as follows. The image of a rough surface, for example, a sea surface, obtained with the lens 1 in the conjugate plane (focal plane of the lens 1), is modulated by the spatial frequency reference disk 3 mounted on it with a perimetric reference periodic structure 17 in the form of a multi-helix with a varying frequency. With each revolution of the reference disk 3 in the analysis window 5, the frequencies of the reference periodic structure 17 are sequentially sorted from the minimum value to the maximum. After the reference disk 3, the image is integrated in space within the analysis window 5 using a photodetector 6. The modulation principle (see Zverev VA, Orlov EF “Optical analyzers”. M: Soviet radio, 1971, p. 96-99) is provided here by recording on one spatial frequency several periods in phase (a multi-start helix is applied at a certain angle to the circumference of the reference disk). As a result, the temporal frequency of the signal from the output of the integrating photodetector 6 is directly proportional to the frequency of the reference periodic structure 17 within the analysis window 5 (the frequency of the signal varies from 200 Hz to 15 kHz), and the amplitude of the temporal signal from the output of the integrating photodetector 6 is proportional to the spectrum of the image at the spatial frequency determined by the frequency of the reference disk 3 in the analysis window 5. In the AGC block 7, the gain of the signal of the photodetector 6 increases in direct proportion to the increase in spatial the frequency of reference 3 in the analysis window 5. Since the wave spectrum and, accordingly, the photodetector 6 signal decreases with increasing frequency, the AGC block 7 allows, on the one hand, to level the signal level before transmission via cable and, on the other hand, to “fit” into ADC8 dynamic range.

Для получения двумерных спектров используется дополнительный поворот изображения водной поверхности при помощи призмы 2 (используется так называемая призма "Пехана"). Призма 2 совершает пошаговые вращательные движения в прямом и обратном направлениях в определенном угловом диапазоне. Ось вращения призмы 2 совпадает с оптической осью объектива 1. В крайних положениях призмы 2 с помощью оптопары 10 вырабатываются синхроимпульсы, обеспечивающие возвращение призмы 2 в исходное положение. Вращением призмы 2 управляет блок 12, на который подаются синхроимпульсы с оптопар 10 и 11. Вращение диска-эталона 3 и поворот призмы 2 синхронизированы, так что при одном обороте диска призма 2 поворачивается на один шаг. Таких шагов может быть несколько десятков в зависимости от требуемого размера двумерного спектра.To obtain two-dimensional spectra, an additional rotation of the image of the water surface using prism 2 is used (the so-called Pehana prism is used). Prism 2 performs stepwise rotational movements in the forward and reverse directions in a certain angular range. The axis of rotation of the prism 2 coincides with the optical axis of the lens 1. In the extreme positions of the prism 2, sync pulses are generated using the optocouple 10 to ensure that the prism 2 returns to its original position. The rotation of the prism 2 is controlled by the block 12, to which the clock pulses from the optocouplers 10 and 11 are fed. The rotation of the reference disk 3 and the rotation of the prism 2 are synchronized, so that with one revolution of the disk, the prism 2 is rotated one step. There can be several tens of such steps, depending on the required size of the two-dimensional spectrum.

Амплитуда сигнала на выходе фотоприемника 6 будет пропорциональна двумерному спектру изображения:The amplitude of the signal at the output of the photodetector 6 will be proportional to the two-dimensional spectrum of the image:

где В(x,y) - распределение яркости изображения в окне анализа 5, k - значение частоты диска-эталона 3 в окне анализа 5, φ_i - угол поворота изображения при i-м шаге призмы 2 (i=1, … N, N - число шагов призмы 2), ω - временная частота сигнала фотоприемника 6, которая пропорциональна k, φ - фаза. Интегрирование в (1) ведется в пределах окна анализа 5. Амплитудное детектирование сигнала для получения спектра изображения происходит в компьютере 9 при формировании двумерного спектра изображения. При вращении диска-эталона 3 и повороте изображения с помощью призмы 2 последовательно регистрируются значения спектра изображения поверхности.where B (x, y) is the image brightness distribution in the analysis window 5, k is the frequency of the reference disk 3 in the analysis window 5, φ _i is the image rotation angle at the ith step of prism 2 (i = 1, ... N, N is the number of steps of the prism 2), ω is the time frequency of the signal of the photodetector 6, which is proportional to k, φ is the phase. Integration in (1) is carried out within the analysis window 5. The amplitude detection of the signal to obtain the image spectrum occurs in computer 9 when forming a two-dimensional image spectrum. When the reference disk 3 is rotated and the image is rotated using the prism 2, the values of the surface image spectrum are sequentially recorded.

В примере конкретной реализации устройства цикл измерения двумерного спектра занимает 1 сек. За это время последовательно регистрируется двумерный массив спектра изображения размерностью 140 пространственных частот на 25 направлений волнового вектора ("шагов" призмы 2).In the example of a specific implementation of the device, the measurement cycle of the two-dimensional spectrum takes 1 sec. During this time, a two-dimensional array of the image spectrum with a dimension of 140 spatial frequencies in 25 directions of the wave vector (“steps” of prism 2) is sequentially recorded.

Оптическая часть разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности вместе с блоком АРУ 7, выделенная на фиг.1, 2, 3 пунктирной линией, может быть размещена, например, на баке корабля. Остальная (электрическая) часть разработанного устройства, соединенная с упомянутой оптической частью кабелем, может быть установлена в любом месте (помещении) корабля.The optical part of the developed device for optical spectral processing of the image of a rough surface together with the AGC block 7, highlighted in FIGS. 1, 2, 3 by the dashed line, can be placed, for example, on the tank of the ship. The rest (electrical) part of the developed device, connected to the aforementioned optical part by a cable, can be installed in any place (room) of the ship.

Таким образом, разработанное устройство по п.1 позволяет получить двумерный спектр изображения водной поверхности в реальном времени.Thus, the developed device according to claim 1 allows to obtain a two-dimensional spectrum of the image of the water surface in real time.

Разработанное устройство по п.2 формулы и представленное на фиг.2 работает аналогично устройству по п.1. Отличие в работе заключается в том, что для повышения точности обработки спектральных сигналов, сокращения полосы временных частот и улучшения отношения сигнал/шум используется синхронное детектирование в детекторе 15. В этом варианте устройства диск-модулятор 3 выполнен с дополнительной дорожкой 13, на которой нанесены метки с частотой, изменяющейся по окружности диска соответственно изменению пространственной частоты модулятора (фиг.2), которые служат для формирования опорных синхроимпульсов с помощью дополнительной оптопары 14. Синхроимпульсы, вырабатываемые оптопарой 14, подаются на один из входов синхронного детектора 15, в котором происходит формирование опорных сигналов на частоте ω (формула (1)), синхронное с ними детектирование сигнала с фотоприемника 6, поступающего с блока АРУ 7, и фильтрация низких частот. Сигнал на выходе синхронного детектора 15 будет пропорционален двумерному спектру изображения:The developed device according to claim 2 of the formula and presented in figure 2 works similarly to the device according to claim 1. The difference in the work lies in the fact that to increase the accuracy of processing spectral signals, reduce the time frequency band and improve the signal-to-noise ratio, synchronous detection is used in the detector 15. In this embodiment of the device, the modulator disk 3 is made with an additional track 13, on which the marks are applied with a frequency varying around the circumference of the disk according to the change in the spatial frequency of the modulator (figure 2), which serve to form the reference clock using an additional optocoupler 14. Sync pulses generated by the optocoupler 14 are fed to one of the inputs of the synchronous detector 15, in which the reference signals are generated at the frequency ω (formula (1)), synchronous detection of the signal from the photodetector 6, coming from the AGC block 7, and low-pass filtering . The signal at the output of the synchronous detector 15 will be proportional to the two-dimensional spectrum of the image:

где множитель k перед спектром обусловлен действием АРУ 7.where the factor k in front of the spectrum is due to the action of AGC 7.

После блока 15 сигнал по кабелю передается на АЦП 8 и далее на компьютер 9 для дальнейшего формирования и отображения на его мониторе двумерного спектра.After block 15, the signal is transmitted via cable to the ADC 8 and then to computer 9 for the further formation and display of a two-dimensional spectrum on its monitor.

Работа устройства по п.3 формулы (фиг.3) отличается тем, что для восстановления двумерных спектров волнения по спектру изображения морской поверхности дополнительно в состав устройства по п.1 или п.2 введен сканирующий яркомер для регистрации углового распределения яркости зеркального участка неба с синхронной записью через тот же АЦП 8 на компьютер 9. Сканирующий яркомер состоит из вращающегося зеркала 18, расположенного на оси механизма вращения 19 под определенным углом и узкоугольного оптического приемника 20, состоящего из линзы и фотодиода. Ось механизма вращения 19 расположена вертикально. Оптическая ось фотоприемника 20 яркомера ориентирована параллельно упомянутой в п.1 оптической оси устройства. При вращении зеркала 18 с помощью двигателя 19 происходит сканирование зеркального участка небосвода по образующей конуса с углом раствора, определяемым углом наклона зеркала 18 на оси механизма вращения 19. Сигнал с выхода фотодиода оптического приемника 20 через плату АЦП 8 записывается на компьютер 9 для совместной обработки со спектром изображения морской поверхности, что позволяет восстановить реальный двумерный спектр волнения морской поверхности. На экране монитора компьютера 9 спектр волнения обычно отображается трехмерной картинкой (в амплитудном виде), где амплитуда каждой точки определяется амплитудой спектра в этой точке (см. фиг.4). По одной оси откладывается направление распространения волны от 0° до 120° от направления ветра, а по другой оси - пространственная частота волны от 1 1/м до 20 1/м (соответственно длина волны от 1 м до 5 см).The operation of the device according to claim 3 of the formula (FIG. 3) is characterized in that for restoring two-dimensional wave spectra from the image spectrum of the sea surface, a scanning brightness meter is additionally included in the device according to claim 1 or claim 2 for recording the angular distribution of brightness of the mirror sky synchronous recording through the same ADC 8 to computer 9. The scanning brightness meter consists of a rotating mirror 18 located on the axis of the rotation mechanism 19 at a certain angle and a narrow-angle optical receiver 20, consisting of a lens and a photodiode Oh yeah. The axis of the rotation mechanism 19 is located vertically. The optical axis of the photodetector 20 of the bright meter is oriented parallel to the optical axis of the device referred to in paragraph 1. When the mirror 18 is rotated using the engine 19, the mirror section of the sky is scanned along the generatrix of the cone with the opening angle determined by the angle of inclination of the mirror 18 on the axis of the rotation mechanism 19. The signal from the output of the photodiode of the optical receiver 20 through the ADC board 8 is recorded on computer 9 for joint processing with spectrum image of the sea surface, which allows you to restore the real two-dimensional spectrum of waves of the sea surface. On the computer screen 9, the wave spectrum is usually displayed in a three-dimensional picture (in amplitude form), where the amplitude of each point is determined by the amplitude of the spectrum at this point (see Fig. 4). The wave propagation direction from 0 ° to 120 ° from the wind direction is plotted along one axis, and the spatial frequency of the wave is from 1 1 / m to 20 1 / m along the other axis (respectively, the wavelength is from 1 m to 5 cm).

Преимуществами разработанного устройства оптической спектральной обработки изображения шероховатой поверхности перед аналогичными устройствами с телекамерами являются: большой динамический диапазон, отсутствие "смаза" изображения из-за движения и качки корабля, так как преобразование Фурье здесь осуществляется мгновенно. Благодаря этому разработанное устройство может регистрировать по ходу корабля спектры сколь угодно коротких волн, как только может позволить геометрия наблюдения.The advantages of the developed device for optical spectral processing of the image of a rough surface over similar devices with television cameras are: a large dynamic range, the absence of “blur” of the image due to the motion and pitching of the ship, since the Fourier transform is carried out instantly. Thanks to this, the developed device can record spectra of arbitrarily short waves along the ship, as soon as the observation geometry allows.

Claims

1. A device for optical spectral processing of an image of a rough surface, comprising a lens located on the optical axis, an image modulator mounted in the focal plane of the lens, and an integrating photodetector, as well as a unit for generating and recording an image spectrum of a rough surface, characterized in that it is in front of the focal plane of the said lens a movable prism for image rotation is installed, the image modulator is made in the form of a rotating reference disk with a perimeter a reference periodic structure in the form of a multi-helix with a varying frequency, the disk reference is equipped with a label for synchronizing the movement of the prism with the rotation of the modulator, and the analysis window is installed in front of the integrating photodetector so that the transparency coefficient of the reference periodic structure has a periodic distribution with a constant spatial frequency within it while the integrating photodetector is connected to the automatic gain control (AGC) unit, and the functions of the formation and register unit The image spectrum of a rough surface is performed by a computer equipped with an analog-to-digital converter (ADC).

2. The device for optical spectral processing of an image of a rough surface according to claim 1, characterized in that the reference disk is made with an additional track, on which, for the formation of the reference clock, marks are applied with a frequency that varies around the circumference of the reference disk according to a change in the spatial frequency of the modulator, and an optocoupler tag reading data is introduced, connected to one of the inputs of the synchronous detector, the other input of which is connected to the output of the AGC block, while the output of the synchronous detector is connected to the ADC.

3. The device for optical spectral processing of the image of a rough surface according to claim 1 or 2, characterized in that it additionally includes a scanning brightness meter for recording the brightness of the sky synchronously with the recording of the spectrum in the spectrum forming and recording unit, containing a flat mirror, its rotation mechanism, and a photodetector connected to the ADC of the computer, while the optical axis of the photodetector of the bright meter is oriented parallel to the optical axis of the device.