RU2575538C1 - Method of obtaining images of space object observed through turbulent atmosphere - Google Patents

Method of obtaining images of space object observed through turbulent atmosphere Download PDF

Info

Publication number
RU2575538C1
RU2575538C1 RU2014134182/28A RU2014134182A RU2575538C1 RU 2575538 C1 RU2575538 C1 RU 2575538C1 RU 2014134182/28 A RU2014134182/28 A RU 2014134182/28A RU 2014134182 A RU2014134182 A RU 2014134182A RU 2575538 C1 RU2575538 C1 RU 2575538C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
images
atmosphere
telescopes
spatial
Prior art date
Application number
RU2014134182/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Николаевич Свиридов
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы")
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") filed Critical Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы")
Application granted granted Critical
Publication of RU2575538C1 publication Critical patent/RU2575538C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention can be used in astronomy and optical location to obtain atmospherically undistorted images of small-size space objects.
EFFECT: high diffraction resolution of the obtained images of small-size space objects and high accuracy of recovering the atmospherically undistorted modulus and phase of the spatial spectrum thereof.
6 dwg

Description

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в астрономии и оптической локации для получения неискаженных атмосферой изображений малоразмерных космических объектов.The invention relates to the field of optical instrumentation and can be used in astronomy and optical location to obtain undistorted atmosphere images of small space objects.

Известен способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, основанный на телескопическом формировании искаженного атмосферой длинно-экспозиционного изображения космического объекта и его последующей пространственной фильтрации для получения неискаженного атмосферой изображения. Этот способ описан в статье R.B. Leighton «Concerning the problem of making sharper photographs of the planets», Sci. Am., v. 194, p. 156, 1956.There is a method of obtaining images of a space object observed through a turbulent atmosphere, based on the telescopic formation of a long-exposure image of a space object distorted by the atmosphere and its subsequent spatial filtering to obtain an image undistorted by the atmosphere. This method is described in article R.B. Leighton "Concerning the problem of making sharper photographs of the planets", Sci. Am., V. 194, p. 156, 1956.

Недостатком этого способа является потеря мелких деталей изображения при усреднении атмосферных искажений в процессе регистрации изображений за время, большее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций. Этот способ, предложенный в астрономии, используется для получения изображений протяженных пространственно-инвариантных областей космического пространства.The disadvantage of this method is the loss of small image details when averaging atmospheric distortions in the process of recording images for a time longer than the interval of time correlation of atmospheric fluctuations. This method, proposed in astronomy, is used to obtain images of extended spatially invariant regions of outer space.

Известен способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, основанный на регистрации голограммы с опорным пучком, прошедшим через ту же турбулентность, что и свет от объекта, и последующем восстановлении из голограммы неискаженного изображения объекта. Этот способ описан в статье J.D. Gaskill «Imaging through a randomly inhomogeneous medium wavefront reconstruction», J. Opt. Soc. Am., v. 58, p. 600, 1968.A known method of obtaining images of a space object observed through a turbulent atmosphere, based on the registration of a hologram with a reference beam passing through the same turbulence as the light from the object, and the subsequent restoration of the undistorted image of the object from the hologram. This method is described in J.D. Gaskill "Imaging through a randomly inhomogeneous medium wavefront reconstruction", J. Opt. Soc. Am., V. 58, p. 600, 1968.

Недостатком этого способа является необходимость наличия в одной с объектом области изопланатичности опорного точечного источника, а также необходимость когерентного лазерного подсвета как наблюдаемого объекта, так и опорного точечного объекта, например уголкового отражателя.The disadvantage of this method is the need for a reference point source in the isoplanatic region of the isoplanarity, as well as the need for coherent laser illumination of both the observed object and the reference point object, for example, an angular reflector.

Известен способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, основанный на регистрации в телескопе серии спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений объекта, искаженных турбулентной атмосферой, преобразовании их по Фурье в область пространственного спектра, квадратичном детектировании пространственных спектров, усреднении их по серии и получении неискаженного атмосферой квадрата модуля пространственного спектра от объекта при нормировании среднего квадрата модуля пространственного спектра изображения на квадрат модуля оптической передаточной функции системы атмосфера-телескоп.A known method of obtaining images of a space object observed through a turbulent atmosphere, based on the registration in a telescope of a series of spectrally-filtered, short-exposure images of an object distorted by a turbulent atmosphere, converting them according to the Fourier into the region of the spatial spectrum, quadratic detection of spatial spectra, averaging them over the series and obtaining the square of the spatial spectrum modulus undistorted by the atmosphere from the object when normalizing the mean square of the the natural spectrum of the image per square module of the optical transfer function of the atmosphere-telescope system.

Этот способ описан в статье A. Labeyrie «Spekle interferometry and possible extensions» Astron and Astrophys, Suppl. Ser., v. 15, p. 464, 1974.This method is described in A. Labeyrie's article "Spekle interferometry and possible extensions" Astron and Astrophys, Suppl. Ser., V. 15, p. 464, 1974.

Недостатком этого способа является то, что при обратном Фурье преобразовании от квадрата модуля пространственного спектра объекта восстанавливается только автокорреляция изображения объекта, а не само изображение. Невозможность получения изображения объекта обусловлена потерей при обработке фазы пространственного спектра, что ограничивает класс объектов, наблюдаемых этим способом, только центрально-симметричными. Этим способом в астрономии определены угловые диаметры многих звезд и разрешены двойные звездные структуры.The disadvantage of this method is that when the inverse Fourier transform of the square module of the spatial spectrum of the object is restored only the autocorrelation of the image of the object, and not the image itself. The impossibility of obtaining an image of an object is caused by the loss in processing of the phase of the spatial spectrum, which limits the class of objects observed in this way to only centrally symmetric. In this way, in astronomy, the angular diameters of many stars are determined and binary star structures are allowed.

Указанный недостаток потери фазы устранен в способе получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, описанном в статье K.T. Knox., B.G. Thompson «Recovery of images from atmospherically degraded short exposure photographs» Astron J, v. 193, p L 45, 1974 и взятом здесь в качестве прототипа.This drawback of phase loss has been eliminated in the method for acquiring images of a space object observed through a turbulent atmosphere described in K.T. Knox., B.G. Thompson "Recovery of images from atmospherically degraded short exposure photographs" Astron J, v. 193, p L 45, 1974 and taken here as a prototype.

Этот способ основан на формировании наземным телескопом искаженного атмосферой изображения объекта, его спектральной фильтрации и квадратичном детектировании за время, меньшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций, регистрации серии из N таких спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений, преобразовании их по Фурье в область пространственного спектра и статистической обработке компонент пространственных спектров зарегистрированных изображений серии, при которой восстановление неискаженного квадрата модуля пространственного спектра от объекта осуществляют методом A. Labeyrie (предыдущий аналог), а для восстановления фазы пространственного спектра от объекта формируют двойные корреляции пространственных спектров изображений и восстанавливают разностные фазы, «сшивая» которые от начала пространственно-частотной области, восстанавливают неискаженную атмосферой фазу пространственного спектра наблюдаемого космического объекта. Комбинируя далее восстановленные модуль и фазу, формируют пространственный спектр, при обратном Фурье преобразовании, от которого получают неискаженное атмосферой изображение наблюдаемого космического объекта.This method is based on the formation by a ground telescope of an atmospheric image of the object, its spectral filtering and quadratic detection for a time shorter than the time correlation interval of atmospheric fluctuations, registration of a series of N such spectrally-filtered, short-exposure images, their Fourier transform to the spatial spectrum and statistical processing the components of the spatial spectra of the recorded images of the series, in which the restoration of the undistorted quad This module of the spatial spectrum from the object is carried out by the A. Labeyrie method (previous analogue), and to reconstruct the phase of the spatial spectrum from the object, double correlations of the spatial spectra of images are formed and the difference phases are restored, “stitching” them from the beginning of the space-frequency region and restoring the phase undistorted by the atmosphere spatial spectrum of the observed space object. Combining further the reconstructed modulus and phase, they form the spatial spectrum, with the inverse Fourier transform, from which the image of the observed space object is undistorted by the atmosphere.

Недостатком прототипа является дифракционное ограничение достигаемого разрешения

Figure 00000001
/D, определяемое диаметром приемной апертуры телескопа D. Действительно, преодолев в прототипе ограничения на разрешение, накладываемые турбулентностью атмосферы
Figure 00000001
/r0, где r0 - пространственный радиус корреляции атмосферных флуктуаций (так называемый параметр Фрида), сталкиваемся с проблемой ограниченного углового разрешения апертуры формирующего телескопа. Это ограничение препятствует получению информативных изображений малоразмерных космических объектов.The disadvantage of the prototype is the diffraction limit of the achieved resolution
Figure 00000001
/ D, determined by the diameter of the receiving aperture of the telescope D. Indeed, overcoming in the prototype resolution restrictions imposed by atmospheric turbulence
Figure 00000001
/ r0where r0 is the spatial radius of the correlation of atmospheric fluctuations (the so-called Fried parameter), we are faced with the problem of limited angular resolution of the aperture of the forming telescope. This limitation prevents the obtaining of informative images of small-sized space objects.

Заявленный способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, в отличие от известных способов и прототипа, основан на решении проблемы ограниченного углового разрешения одноапертурных оптических систем на базе технологий апертурного синтеза при формировании и регистрации изображений с последующим решением проблемы «видения» через турбулентную атмосферу на базе статистической обработки модулей и фаз пространственных спектров зарегистрированных изображений.The claimed method for obtaining images of a space object observed through a turbulent atmosphere, in contrast to the known methods and prototype, is based on solving the problem of limited angular resolution of single-aperture optical systems based on aperture synthesis technologies in the formation and recording of images with the subsequent solution to the problem of "vision" through a turbulent atmosphere based on the statistical processing of the modules and phases of the spatial spectra of the recorded images.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение дифракционного разрешения формируемых изображений малоразмерного космического объекта и повышение точности восстановления неискаженных атмосферой модуля и фазы его пространственного спектра.The technical result of the claimed invention is to increase the diffraction resolution of the generated images of a small space object and to increase the accuracy of restoration of the module undistorted by the atmosphere and the phase of its spatial spectrum.

Заявленный технический результат достигается тем, что способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу,The claimed technical result is achieved in that the method of obtaining images of a space object observed through a turbulent atmosphere,

основанный на формировании наземной оптической системой искаженных атмосферой изображений космического объекта,based on the formation of a terrestrial image of a space object by a ground-based optical system,

их спектральной фильтрации в полосе ∆λ<∆λА=

Figure 00000002
δθ и квадратичном детектировании каждого за время экспонирования
Figure 00000003
, меньшее
Figure 00000004
- интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций, через промежутки времени
Figure 00000005
, большие
Figure 00000004
,their spectral filtering in the band Δλ <Δλ A =
Figure 00000002
δ θ and quadratic detection of each during exposure
Figure 00000003
less
Figure 00000004
- interval of time correlation of atmospheric fluctuations, at intervals
Figure 00000005
large
Figure 00000004
,

регистрации серий из N таких независимых по атмосферным искажениям, спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений, registration of series of N such atmospheric distortion independent spectrally filtered, short exposure images,

преобразовании каждого из них по Фурье в область пространственного спектраtransforming each of them according to Fourier into the region of the spatial spectrum

и статистической обработке модулей и фаз пространственных спектров зарегистрированных изображений серии для восстановления неискаженных атмосферой модуля и фазы пространственного спектра наблюдаемого космического объекта,and the statistical processing of the modules and phases of the spatial spectra of the recorded images of the series for restoring the atmosphere undistorted module and phase of the spatial spectrum of the observed space object,

формировании по ним неискаженного атмосферой пространственного спектра объекта и получении при обратном Фурье преобразовании от него неискаженного атмосферой изображения наблюдаемого космического объекта, отличающийся тем,the formation on them of the spatial spectrum of the object, undistorted by the atmosphere, and obtaining, with the inverse Fourier transform, the image of the observed space object, undistorted by the atmosphere, from it, characterized in

что формирование искаженных атмосферой изображений космического объекта осуществляют когерентной матрицей из М наземных подвижных телескопов диаметра D в процессе пространственно-временного апертурного синтеза,that the formation of atmospheric images of a space object distorted by the atmosphere is carried out by a coherent matrix of M ground-based mobile telescopes of diameter D in the process of space-time aperture synthesis,

при котором сначала отдельные телескопы матрицы располагают по кругу у центра матрицы, если объект в зените, или вдоль эллипса когерентности, являющегося пересечением плоскости апертурного синтеза с параболоидом вращения, направленным на объект наклонного наблюдения,in which at first the individual matrix telescopes are arranged in a circle at the center of the matrix, if the object is at the zenith, or along the coherence ellipse, which is the intersection of the aperture synthesis plane with the rotation paraboloid aimed at the oblique observation object,

затем для получения серий независимых, спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений наблюдаемого космического объекта осуществляют синхронное перемещение подвижных телескопов матрицы от ее центра к периферии, сохраняя их взаимное расположение вдоль эллипсов когерентности, then, to obtain a series of independent, spectrally-filtered, short-exposure images of the observed space object, synchronous movement of the matrix’s moving telescopes from its center to the periphery is carried out, preserving their relative position along coherence ellipses,

а для обеспечения плавности перемещения и устранения толчков осуществляют непрерывное движение телескопов матрицы по рельсовым путям, идущим радиально от центра матрицы к ее периферии,and to ensure smooth movement and eliminate jolts, continuous movement of the matrix telescopes along rail tracks extending radially from the center of the matrix to its periphery,

при этом ориентацию каждого телескопа матрицы относительно центра матрицы поддерживают неизменной и направляют комбинируемые субпучки от подвижных телескопов вдоль рельсовых путей к центру матрицы,while the orientation of each matrix telescope relative to the center of the matrix is maintained unchanged and the combined sub-beams are directed from movable telescopes along rail tracks to the center of the matrix,

где размещают неподвижную базовую станцию, в которой осуществляют как когерентное комбинирование радиально распространяющихся субпучков в процессе апертурного синтеза формируемых изображений, так и квадратичное детектирование сформированных и спектрально отфильтрованных изображений, с их последующей регистрацией и обработкой,where a fixed base station is located, in which both coherent combination of radially propagating sub-beams is performed during the aperture synthesis of the generated images, and quadratic detection of the generated and spectrally filtered images, with their subsequent registration and processing,

при этом регистрируют серии из N независимых, спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений наблюдаемого космического объекта для каждого k-го взаимного расположения подвижных телескопов матрицы,while registering a series of N independent, spectrally-filtered, short-exposure images of the observed space object for each k-th relative position of the moving matrix telescopes,

при статистической обработке модулей и фаз пространственных спектров серий зарегистрированных искаженных атмосферой изображений используют островной характер оптической передаточной функции (ОПФ) матрицы вдоль эллипсов когерентности и полуострова ее ОПФ в радиальном направлении, простирающимся от центра пространственно-частотной области до частоты отсечки синтезируемой апертуры диаметра DЭ, и восстанавливают неискаженную атмосферой фазу пространственного спектра от объекта в островах и полуостровах, разворачивая ее от центра к периферии,in the statistical processing of the modules and phases of the spatial spectra of a series of recorded images distorted by the atmosphere, use the island nature of the optical transfer function (OPF) of the matrix along the coherence ellipses and its OPF peninsula in the radial direction, extending from the center of the space-frequency region to the cutoff frequency of the synthesized aperture of diameter D E , and restore the atmosphere-undistorted phase of the spatial spectrum from the object in the islands and peninsulas, deploying it from the center to peripherals

осуществляют сшивание радиально восстановленных фаз по всей пространственно-частотной области апертурного синтеза методом тройных корреляций с разворачиванием уравнений замкнутых фаз вдоль эллипсов когерентности

Figure 00000006
carry out the stitching of the radially reduced phases over the entire spatial frequency region of the aperture synthesis using the triple correlation method with the unfolding of the equations of the closed phases along the coherence ellipses
Figure 00000006

при этом для малоразмерных космических объектов, не разрешаемых отдельными телескопами матрицы (θ0<

Figure 00000007
перед корреляционным усреднением статистической обработки, сглаживают все тройные произведения в пределах островов по всем возможным тройкам замкнутых частот
Figure 00000008
и,in this case, for small-sized space objects not resolvable by individual matrix telescopes (θ 0 <
Figure 00000007
Before correlation averaging of statistical processing, all triple products within the islands are smoothed over all possible triples of closed frequencies
Figure 00000008
and,

осуществляя аналогичное сглаживание при статистической обработке квадратов модулей пространственных спектров зарегистрированных изображений, восстанавливают неискаженные атмосферой фазу и модуль пространственного спектра объекта,by performing a similar smoothing during statistical processing of the squares of the spatial spectrum moduli of the recorded images, the phase and the spatial spectrum modulus of the object are undistorted by the atmosphere,

комбинируя которые, формируют пространственный спектр объекта и при обратном Фурье преобразовании от него получают неискаженное атмосферой изображение наблюдаемого космического объекта.combining these, they form the spatial spectrum of the object and, when the Fourier transform is inverse, they receive from it an undistorted image of the observed space object.

Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами.The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by drawings.

На Фиг. 1 представлена возможная схема реализации предлагаемого способа, где:In FIG. 1 presents a possible implementation scheme of the proposed method, where:

1 - ровная площадка в горной местности (диаметра 100 м) для размещения матрицы апертурного синтеза;1 - a flat area in the highlands (diameter 100 m) for placement of the aperture synthesis matrix;

2 - рельсовые пути для радиального движения подвижных телескопов матрицы;2 - rail tracks for the radial movement of movable matrix telescopes;

3 - укрытия для подвижных телескопов матрицы, защищающие телескопы от неблагоприятных погодных условий;3 - shelters for movable matrix telescopes, protecting telescopes from adverse weather conditions;

4 - ветровая защита матрицы и ее отдельных элементов, уменьшающая ветровые нагрузки на телескопы матрицы в процессе их работы вне укрытий;4 - wind protection of the matrix and its individual elements, reducing wind loads on the telescopes of the matrix in the process of their work outside the shelters;

5 - подвижные телескопы матрицы диаметром D =3÷5 м на двухосной «альт-альт» монтировке;5 - movable telescopes of a matrix with a diameter of D = 3 ÷ 5 m on a biaxial "alt-alt" mount;

5* - комбинируемые субпучки от подвижных телескопов;5 * - combinable sub-beams from movable telescopes;

6 - базовая станция матрицы.6 - matrix base station.

На Фиг. 2 представлены эллипсы когерентности взаимного расположения подвижных телескопов матрицы при формировании изображений апертурного синтеза, где:In FIG. 2 shows the coherence ellipses of the relative position of the moving matrix telescopes during imaging of aperture synthesis, where:

7 - эллипсы когерентности;7 - ellipses of coherence;

8 - объект наблюдения;8 - object of observation;

9 - наклонная линия наблюдения;9 - oblique line of observation;

10 - параболоид вращения.10 - paraboloid of rotation.

На Фиг. 3 представлены возможные варианты «альт-альт» монтировок подвижных телескопов матрицы - 5, где:In FIG. 3 presents possible alt-alt mountings of movable matrix telescopes - 5, where:

а) рамка;a) frame;

б) вилка.b) plug.

На Фиг. 4 представлена схема построения оптико-механического тракта (ОМТ) подвижного элемента - матрицы апертурного синтеза, где:In FIG. 4 presents a diagram of the construction of the optical-mechanical path (OMT) of the moving element - the matrix of aperture synthesis, where:

11 - телескоп подвижного элемента матрицы диаметра D;11 - telescope of a movable element of a matrix of diameter D;

12 - система стабилизации положения фокуса - 13;12 - focus stabilization system - 13;

13 - фокус;13 - focus;

14 - дихроический фильтр с полосой пропускания ∆λ = 1000 Å;14 - dichroic filter with a passband ∆λ = 1000 Å;

15 - телевизионное гидирующее устройство;15 - television guiding device;

16 - блок управления приводами телескопа - 11;16 - control unit for telescope drives - 11;

17 - реколлимирующая оптика;17 - recollecting optics;

18 - компенсатор вращения пучка;18 - beam rotation compensator;

19 - дихроический расщепитель;19 - dichroic cleavage;

20 - блок слежения за ИК направляющим пучком от центральной станции - 6;20 - block tracking infrared guide beam from the central station - 6;

21 - блок управления угловым положением пучка;21 - control unit for the angular position of the beam;

22 - блок управления угловым положением пучка 5*;22 - control unit of the angular position of the beam 5 *;

23 - выход подвижного элемента матрицы.23 - output of the movable matrix element.

На Фиг. 5 представлена схема построения оптико-механического тракта (ОМТ) неподвижной базовой станции - 6 матрицы апертурного синтеза, где:In FIG. 5 is a diagram of the construction of an optical-mechanical path (OMT) of a fixed base station — 6 aperture synthesis matrices, where:

24 - оптический вход неподвижного элемента матрицы;24 - optical input of a fixed element of the matrix;

25 - компенсатор разностей хода;25 - compensator differences of stroke;

26 - интерферометр;26 - interferometer;

27 - компенсатор дрожания изображений;27 - compensator jitter images;

28 - перископическая система;28 - periscope system;

29 - формирующий телескоп;29 - forming telescope;

30 - дихроический фильтр с полосой пропускания ∆λ=200 Å;30 - dichroic filter with a passband ∆λ = 200 Å;

31 - затвор;31 - shutter;

32 - датчик углового положения и ориентации;32 - sensor angular position and orientation;

33 - компенсатор вращения изображений;33 - image rotation compensator;

34 - квадратичный детектор изображений;34 is a quadratic image detector;

35 - ЭВМ для регистрации и обработки изображений;35 - computer for registration and image processing;

36 - алгоритмическое обеспечение предлагаемого способа - последовательность операций над зарегистрированными сериями спектрально-отфильтрованных, короткоэкспозиционных изображений, обеспечивающих компенсацию атмосферных искажений.36 - algorithmic support of the proposed method is a sequence of operations on registered series of spectrally-filtered, short-exposure images that compensate for atmospheric distortions.

На Фиг. 6 представлена блок-схема алгоритма обработки зарегистрированных изображений и получения неискаженного атмосферой изображения наблюдаемого космического объекта, где:In FIG. 6 is a flowchart of an algorithm for processing registered images and obtaining an undistorted image of the observed space object, where:

37 - выбор из блока памяти ЭВМ - 35 зарегистрированных серий из N искаженных атмосферой изображений наблюдаемого космического объекта;37 - selection from a computer memory unit — 35 recorded series of N atmospheric images of an observed space object distorted by the atmosphere;

38 - преобразование каждого зарегистрированного изображения в серии по Фурье в область его пространственного спектра;38 - transformation of each registered image in a Fourier series into the region of its spatial spectrum;

39 - формирование корреляционных произведений пространственных спектров изображений в «островах» вдоль эллипсов когерентности и вдоль радиальных полуостровов;39 — formation of correlation products of spatial spectra of images in “islands” along coherence ellipses and along radial peninsulas;

40 - усреднение корреляционных произведений (21) и формирование двойных корреляций пространственных спектров изображений;40 - averaging of correlation products (21) and the formation of double correlations of spatial spectra of images;

41 - выделение фазы усредненных корреляционных произведений и получение разностных фаз;41 - phase separation of the averaged correlation products and obtaining differential phases;

42 - сшивание разностных фаз, восстановление неискаженной фазы пространственного спектра объекта в островах и полуостровах в соответствии с уравнением одномерного сшивания прототипа;42 - stitching of differential phases, restoration of the undistorted phase of the spatial spectrum of the object in the islands and peninsulas in accordance with the equation of one-dimensional stitching of the prototype;

43 - сглаживание всех тройных произведений в пределах островов по всем возможным тройкам замкнутых частот;43 - smoothing of all triple products within the islands for all possible triples of closed frequencies;

44 - формирование уравнения замкнутых фаз (25) метода тройных корреляций;44 — formation of the equation of closed phases (25) of the triple correlation method;

45 - восстановление фазы пространственного спектра от объекта

Figure 00000009
0(
Figure 00000010
;45 - restoration of the phase of the spatial spectrum from the object
Figure 00000009
0 (
Figure 00000010
;

46 - восстановление квадрата модуля пространственного спектра от объекта

Figure 00000011
46 - restoration of the square modulus of the spatial spectrum from the object
Figure 00000011

47 - сглаживание в пределах островов средних квадратов модулей пространственных спектров изображений;47 — smoothing within the islands of the mean square modules of the spatial image spectra;

48 - формирование оценки неискаженного атмосферой квадрата модуля пространственного спектра объекта;48 — formation of an estimate of the square of the spatial spectrum module of the object undistorted by the atmosphere;

49 - формирование оценки пространственного спектра объекта;49 - formation of an estimate of the spatial spectrum of the object;

50 - получение неискаженного атмосферой изображения наблюдаемого космического объекта

Figure 00000012
0 при обратном (20) Фурье преобразовании.50 - obtaining an undistorted atmosphere image of an observed space object
Figure 00000012
0 under the inverse (20) Fourier transform.

Дадим обоснование предлагаемого способа и рассмотрим его реализацию в соответствии со схемами, представленными на Фиг. 1÷6.Let us justify the proposed method and consider its implementation in accordance with the schemes presented in FIG. 1 ÷ 6.

Проведенные ранее исследования (см. Бакут П.А., Свиридов К.Н., Троицкий И.Н., Устинов Н.Д. «Исследование оптимальных условий регистрации голограмм интенсивности и оптических изображений», Квантовая электроника, т. 2, № 8, с. 1688, 1975) свидетельствуют о том, что для эффективного распознавания объектов наблюдения с вероятностью P = 0,998 при отношении сигнал/шум в элементе разрешения q = 10 требуемое число пространственных элементов разрешения в изображении (или, что тоже, на объекте наблюдения) должно быть равно 100, то есть для объекта с размерами S0 = (2x2) м2 величина δ пространственного элемента разрешения приемной апертуры телескопа диаметра Dэ на дальности до объекта R, определяемая какPrevious studies (see Bakut P.A., Sviridov K.N., Troitsky I.N., Ustinov N.D. “Study of optimal conditions for recording holograms of intensity and optical images”, Quantum Electronics, v. 2, No. 8 , p. 1688, 1975) indicate that for the effective recognition of objects of observation with a probability of P = 0.998 with a signal-to-noise ratio in the resolution element q = 10, the required number of spatial resolution elements in the image (or, what is also, on the object of observation) must be equal to 100, that is, for an object with dimensions S 0 = (2x2) m 2, the value of δ of the spatial resolution element of the receiving aperture of the telescope of diameter D e at a distance to the object R, defined as

Figure 00000013
Figure 00000013

должна быть порядка δ ≤ δтр = 20 см. Подобное разрешение высокоорбитального космического объекта на дальности R = 36000 км при средней длине волны оптического излучения Солнца, подсвечивающего объект,

Figure 00000001
= 0,55 мкм требует размера приемной апертуры телескопической системы Dтр = 100 м.should be of the order of δ ≤ δ tr = 20 cm. A similar resolution of a high-orbit space object at a distance of R = 36000 km at an average wavelength of the optical radiation of the Sun illuminating the object,
Figure 00000001
= 0.55 μm requires the size of the receiving aperture of the telescopic system D Tr = 100 m

Очевидно, что сегодня и в ближайшем обозримом будущем приемная апертура оптической системы с подобным диаметром может быть создана только на базе апертурного синтеза, способного путем соответствующего комбинирования информации от двух и более малых субапертур с диаметром D < Dтр, извлекать информацию об объекте с дифракционным разрешением, характерным для одной большой синтезированной апертуры Dэ ≥ Dтр.Obviously, today and in the foreseeable future, the receiving aperture of an optical system with a similar diameter can be created only on the basis of aperture synthesis, capable of combining information from two or more small subapertures with a diameter D <Dtr, extract information about an object with a diffraction resolution characteristic of one large synthesized aperture Duh ≥ Dtr.

На основании сравнительного анализа существующих концепций построения оптических систем апертурного синтеза, а именно сегментного телескопа, многозеркального телескопа (МЗТ) и матрицы отдельных телескопов, описанных, например, в книге «Оптические и инфракрасные телескопы 90-х годов», под редакцией А. Хьюнта, изд. Мир, М.: 1983, очевидно, что в силу технологических, эксплуатационных и финансовых проблем сегодня только матрица отдельных телескопов с базами до 100 м и более способна обеспечить требуемое разрешение малоразмерных объектов наблюдения.Based on a comparative analysis of existing concepts for constructing optical systems for aperture synthesis, namely, a segmented telescope, a multi-mirror telescope (MZT) and an array of individual telescopes, described, for example, in the book “Optical and infrared telescopes of the 90s”, edited by A. Hunt, ed. Mir, Moscow: 1983, it is obvious that due to technological, operational and financial problems today only a matrix of individual telescopes with bases up to 100 m or more is able to provide the required resolution of small-sized objects of observation.

Достижение высокого углового разрешения ~

Figure 00000001
/Dэ основано здесь на комбинировании преддетекторной динамической обработки поля светового информационного сигнала искаженного атмосферой изображения, формируемого при пространственно-временном апертурном синтезе в наземной матрице, и последетекторной статистической обработки модулей и фаз пространственных спектров зарегистрированных в матрице изображений для восстановления модуля и фазы неискаженного атмосферой пространственного спектра наблюдаемого космического объекта.Achieving High Angle Resolution ~
Figure 00000001
/ D e here is based on a combination of pre-detector dynamic processing of the field of the light information signal of the image distorted by the atmosphere, formed during space-time aperture synthesis in the ground-based matrix, and post-detector statistical processing of the modules and phases of the spatial spectra of the images recorded in the matrix to reconstruct the module and phase of the spatial atmosphere undistorted by the atmosphere spectrum of the observed space object.

Принцип работы заявленного способа заключается в следующем.The principle of operation of the claimed method is as follows.

Рассмотрим особенности формирования и обработки изображений в предлагаемом способе, иллюстрируемом Фиг. 1÷6.Consider the features of image formation and processing in the proposed method, illustrated in FIG. 1 ÷ 6.

Здесь подвижные телескопы матрицы - 5 предназначены для приема светового излучения от объекта наблюдения - 8 с любых направлений - 9 небесной полусферы, формирования субпучков - 5* и сведения их в базовую станцию - 6, которая, в свою очередь, предназначена для когерентного комбинирования субпучков - 5* и формирования изображений объекта наблюдения - 8 при различных положениях подвижных элементов матрицы - 5.Here the movable telescopes of the matrix - 5 are designed to receive light radiation from the object of observation - 8 from any direction - 9 of the celestial hemisphere, the formation of sub-beams - 5 * and their information in the base station - 6, which, in turn, is intended for coherent combination of sub-beams - 5 * and imaging of the object of observation - 8 at various positions of the moving elements of the matrix - 5.

Подвижный элемент матрицы - 5 телескоп диаметра D = 3÷5 м на двухосной «альт-альт» монтировке размещен на подвижном основании, которое должно непрерывно двигаться по рельсовому пути - 7 от центра матрицы к ее периферии со скоростью, определяемой диаметром апертуры телескопа и количеством отдельных короткоэкспозиционных регистраций изображений, производимых для каждой пространственной частоты. Так, например, при времени экспонирования τэ = 10-2 с, меньшем времени «замороженности» турбулентностей атмосферы, и требуемом числе регистраций в серии N = 102 или 103, номинальная скорость непрерывного движения телескопа диаметра D = 3 м должна быть соответственно 3 м/с или 0,3 м/с.The movable element of the matrix - 5 telescope of diameter D = 3 ÷ 5 m on a biaxial "alt-alt" mount is placed on a movable base, which must continuously move along the rail track - 7 from the center of the matrix to its periphery with a speed determined by the diameter of the telescope aperture and the number separate short-exposure recordings of images produced for each spatial frequency. So, for example, when the exposure time τ e = 10 -2 s, less than the time of “freezing” of atmospheric turbulences, and the required number of registrations in the series N = 10 2 or 10 3 , the nominal speed of continuous movement of a telescope of diameter D = 3 m should be, respectively 3 m / s or 0.3 m / s.

Схема построения оптико-механического тракта (ОМТ) подвижного телескопа матрицы - 5 представлена на Фиг. 4. Из нее видно, что пучок света от телескопа - 11 подвижного элемента матрицы - 5, выведенный к фокусу Ф - 13, расщепляется дихроическим фильтром - 14, и часть излучения отражается в приемник - 15 системы слежения за объектом наблюдения - 16, а часть излучения полосы ∆λ ~ 1000 Å около

Figure 00000001
~ 5500 Å пропускается дихроическим фильтром - 14 в базовую станую матрицы - 6 для последующего формирования изображения апертурного синтеза. Эта часть света реколлимируется в - 17 до диаметра d = 0,15 м при D = 3 м, то есть масштаб принимаемого телескопом светового излучения χ уменьшается в поперечном сечении в 20 раз. Вследствие ряда отражений, испытываемых субпучком при его доставке к неподвижному фокусу Ф - 13, сжатый пучок диаметра d = 0,15 м при сопровождении объекта наблюдения - 8 вращается вокруг своей оси. Величина поворота пучка однозначно определяется ориентацией телескопа и может быть скомпенсирована надлежащим поворотом К-образного зеркала - компенсатора вращения пучка - 18. В единице подвижного элемента - 5 К-образное зеркало должно осуществлять грубую компенсацию вращения субпучка. Тонкая коррекция эффектов вращения субпучков - 5* выполняется при их комбинировании в базовой станции матрицы - 6, рассматриваемой ниже. После компенсатора вращения реколлимированный параллельный субпучок отражается от зеркал двухосевого стабилизатора его углового положения - 22 и передается через выходной порт подвижного элемента матрицы - 23 вдоль направления его рельсового движения к входному порту базовой станции матрицы - 6. Чтобы обеспечить точное попадание субпучка во входной порт единицы неподвижного элемента, из этого входного порта - 24 к выходному порту подвижного элемента - 23 передается направляющий пучок ИК диапазона, наблюдаемый в подвижном элементе через стабилизатор углового положения пучка - 22 одновременно с реколлимированным субпучком оптического диапазона, который совмещается с ним системой управления стабилизатором углового положения, состоящей из устройств 20 и 21.The construction scheme of the optical-mechanical path (OMT) of the moving matrix telescope - 5 is shown in FIG. 4. It can be seen from it that the light beam from the telescope - 11 of the moving element of the matrix - 5, brought to the focus of F - 13, is split by a dichroic filter - 14, and part of the radiation is reflected in the receiver - 15 of the tracking system for the observation object - 16, and part emission band ∆λ ~ 1000 Å about
Figure 00000001
~ 5500 Å is passed through a dichroic filter - 14 into the base camp of the matrix - 6 for subsequent imaging of aperture synthesis. This part of the light recolimates at -17 to a diameter of d = 0.15 m at D = 3 m, that is, the scale of the light radiation received by the telescope χ decreases in the cross section by 20 times. Due to a number of reflections experienced by the subbeam during its delivery to the fixed focus F - 13, a compressed beam of diameter d = 0.15 m accompanied by the observation object - 8 rotates around its axis. The magnitude of the beam rotation is uniquely determined by the orientation of the telescope and can be compensated by proper rotation of the K-shaped mirror - beam rotation compensator - 18. In the unit of the movable element - 5, the K-shaped mirror should provide rough compensation of the rotation of the sub-beam. Subtle correction of the effects of rotation of the sub-beams - 5 * is performed when they are combined in the base station of the matrix - 6, discussed below. After the rotation compensator, the recolimized parallel subbeam is reflected from the mirrors of the biaxial stabilizer of its angular position - 22 and transmitted through the output port of the movable matrix element - 23 along the direction of its rail movement to the input port of the matrix base station - 6. In order to ensure that the subbeam accurately hits the input port of the fixed unit element, from this input port - 24 to the output port of the movable element - 23 is transmitted a directing beam of the IR range, observed in the movable element through a hundred the beam angularizer - 22 at the same time as the reclaimed subbeam of the optical range, which is combined with it by the angular position stabilizer control system, consisting of devices 20 and 21.

Неподвижный элемент матрицы является ее основной и наиболее сложной частью. Именно здесь отдельные субпучки - 5* от подвижных телескопов матрицы - 5 сводятся вместе, выравниваются в 27 относительно друг друга по углу (поперечно), обеспечивая их наведение, и по длине трассы в - компенсатор разностей хода 25 (продольно), обеспечивая их фазирование, а затем комбинируются в 28, 29 на общей фокальной плоскости, обеспечивая их фигуризацию при формировании изображения. Центральный элемент (базовая станция) матрицы - 6 определяет и устанавливает положение подвижных элементов матрицы - 5 вдоль упомянутого ранее эллипса когерентности - 7 в зависимости от углового положения - 9 наблюдаемого объекта - 8. Эти установки пар подвижных элементов, расположенных диаметрально противоположно относительно центрального элемента матрицы, стремятся, в обеспечение когерентности матрицы, уравнять длину трасс между двумя комбинируемыми субпучками. Для обеспечения этого грубого выравнивания расстояния между неподвижными и подвижными элементами постоянно измеряются. Точное выравнивание длин оптических путей комбинируемых субпучков - 5* осуществляется с помощью компенсатора разностей хода - 25. В целом схема построения оптико-механического тракта (ОМТ) неподвижного элемента матрицы представлена на Фиг. 5. Из нее видно, что компенсатор разностей хода - 25 располагается в одном из двух комбинируемых субпучков, а сигнал для ее управления формируется с помощью интерферометра белого света - 26. Этот интерферометр запитывается двумя узкими пучками света, выделенными из комбинируемых субпучков. Диаметры выделенных субпучков имеют порядок r0/2 на приемных апертурах - 11 подвижных элементов матрицы - 5, а с учетом коэффициента масштабирования χ субпучков они равны r0/2χ = 2,5 мм, при χ = 20 и r0 = 10 см.The fixed element of the matrix is its main and most complex part. It is here that the individual sub-beams - 5 * from the movable telescopes of the matrix - 5 are brought together, aligned at 27 relative to each other in angle (transverse), ensuring their guidance, and along the length of the path в - compensator for the travel differences 25 (longitudinally), ensuring their phasing, and then they are combined in 28, 29 on a common focal plane, providing for their figurization during image formation. The central element (base station) of the matrix - 6 determines and sets the position of the moving elements of the matrix - 5 along the coherence ellipse mentioned above - 7 depending on the angular position - 9 of the observed object - 8. These settings are pairs of moving elements located diametrically opposite to the central element of the matrix , seek, in ensuring the coherence of the matrix, to equalize the length of the traces between the two combined sub-beams. To ensure this rough alignment, the distances between the fixed and moving elements are constantly measured. The exact alignment of the optical path lengths of the combined sub-beams - 5 * is carried out using a path difference compensator - 25. In general, a diagram of the construction of an optical-mechanical path (OMT) of a fixed matrix element is presented in FIG. 5. It can be seen from it that the path difference compensator - 25 is located in one of two combined sub-beams, and the signal for its control is generated using a white light interferometer - 26. This interferometer is powered by two narrow beams of light isolated from the combined sub-beams. The diameters of the order allocated subpuchkov r 0/2 on the receiving apertures - the movable elements 11 of the matrix - 5, and with the scale factor χ subpuchkov they are equal to r 0 / 2χ = 2,5 mm, with χ = 20 and r 0 = 10 cm.

Исходное фазирование субпучков компенсатора разностей хода - 25 должно быть выполнено при неподвижном состоянии подвижных элементов матрицы - 5 после их грубого установочного расположения вдоль минимального эллипса когерентности - 7. При достижении выравнивания для всех пар субпучков матрицы - 5 подвижные телескопы матрицы начинают свое движение в обеспечение апертурного синтеза. Для формирования изображений объектов дальнего космоса в системе апертурного синтеза диаметра Dтр = 100 м и f/100 необходимо при фигуризации осуществлять масштабное моделирование в том смысле, что реально апертура - 29, фокусирующая субпучки и формирующая изображения, имеет диаметр Dэм = 1 м, то есть в 100 раз меньше, с эквивалентным фокусным расстоянием Fэ = 100 м, Для обеспечения надлежащего масштабного моделирования комбинируемые субпучки, сжатые в реколлиматорах - 17 подвижных элементов матрицы - 5 в 20 раз, должны быть еще дополнительно уменьшены в поперечном сечении в 5 раз. Уменьшенные в неподвижном элементе - 6 до диаметра 0,03 м субпучки направляются через компенсаторы их дрожания - 27 в соответствующие плечи перископической системы - 28, обеспечивающей масштабирование их взаимного расположения, а с нее направляются в упомянутую выше зеркальную фокусирующую систему - 29 диаметра Dэм = 1 м с эквивалентным фокусом Fэ = 100 м.The initial phasing of the sub-beams of the path difference compensator - 25 should be performed when the moving elements of the matrix - 5 are stationary after their rough installation along the minimum coherence ellipse - 7. Upon reaching alignment for all pairs of the sub-beams of the matrix - 5, the moving matrix telescopes begin their movement to provide an aperture synthesis. To form images of deep space objects in an aperture synthesis system with a diameter of D tr = 100 m and f / 100, it is necessary to carry out large-scale modeling during figurization in the sense that real aperture is 29, focusing the sub-beams and forming images, has a diameter of D em = 1 m, i.e. 100 times smaller than with the equivalent focal distance F e = 100 m, to ensure proper scale modeling combinable subpuchki compressed in rekollimatorah - 17 the movable elements of the matrix - 5 to 20 times, should be even further reduced cross section is 5 times. Reduced in the fixed element - 6 to a diameter of 0.03 m, the sub-beams are sent through compensators for their trembling - 27 to the corresponding shoulders of the periscope system - 28, which provides scaling of their relative positions, and from it are sent to the aforementioned mirror focusing system - 29 of diameter D em = 1 m with equivalent focus F e = 100 m

Для обеспечения правильного поперечного комбинирования субпучков и наложения их субизображений, а также для их правильный ориентации относительно друг друга, неподвижный элемент матрицы содержит в каждом плече компенсатор дрожания изображений - 27 и компенсатор вращения изображений - 33. Для обеспечения работы этих компенсаторов часть фокусируемого излучения отделяется дихроическим фильтром - 30 и направляется в фокальную плоскость системы слежения за угловым положением субизображений и их ориентацией - 32. При этом дихроический фильтр осуществляет спектральную фильтрацию и пропускает для формирования изображения узкую полосу ∆λ = 200 Å, а остаток излучения в полосе 1000 Å отклоняется к детектору следящей системы - 32. Используя около детектора следящей системы высокоскоростной затвор - 31, позволяющий попеременно наблюдать каждый из комбинируемых субпучков, а точнее их субизображения, можно оценить ошибки углового положения каждого из субизображений, а затем скомпенсировать их подстройкой зеркал компенсатора дрожания - 27 в канале данного субпучка.To ensure the correct transverse combination of the sub-beams and the superimposition of their sub-images, as well as for their correct orientation relative to each other, the fixed matrix element contains in each arm an image shake compensator - 27 and an image rotation compensator - 33. To ensure the operation of these compensators, a part of the focused radiation is separated by dichroic filter - 30 and is sent to the focal plane of the tracking system for the angular position of the sub-images and their orientation - 32. In this case, the dichroic filter o there is spectral filtering and passes a narrow band Δλ = 200 Å for the formation of the image, and the remainder of the radiation in the band 1000 Å deviates to the detector of the servo system - 32. Using a high-speed shutter - 31 near the detector of the servo system, which allows you to alternately observe each of the combined sub-beams, or rather their sub-images, you can estimate the angular position errors of each of the sub-images, and then compensate them by adjusting the mirrors of the jitter compensator - 27 in the channel of this subbeam.

Для обеспечения правильной ориентации комбинируемых субпучков и формируемых субизображений необходимо скорректировать ошибки любого остаточного вращения субпучков около их оси в процессе слежения за объектом наблюдения - 8. Для этого осуществляют медленное покачивание подвижных телескопов - 5 и, попеременно блокируя затвором - 31 фокусируемые субпучки, наблюдают качания соответствующих субизображений. Амплитуда качаний может быть, например, в пределах нескольких угловых секунд, а направление качания субизображения управляется соответствующим компенсатором вращения изображений К-образным зеркалом - 33 базовой станией матрицы - 6 так, чтобы качания субизображений от различных подвижных телескопов осуществлялись вдоль одной и той же или, хотя бы параллельных линий. После выполнения указанных коррекций ориентации и положения субпучков рассматриваемая система апертурного синтеза в целом готова к детектированию сформированных изображений в квадратичном детекторе изображений - 34 и их регистрации и обработке в ЭВМ для регистрации и обработки изображений - 35.To ensure the correct orientation of the combined sub-beams and the generated sub-images, it is necessary to correct the errors of any residual rotation of the sub-beams around their axis during tracking of the observation object - 8. To do this, slowly move the telescopes - 5 and, alternately locking the shutter - 31 focusable sub-beams, observe the swings of the corresponding subimages. The amplitude of the swings can be, for example, within a few angular seconds, and the sway direction of the sub-image is controlled by the corresponding compensator for rotation of the images with a K-shaped mirror - 33 by the base station of the matrix - 6 so that the swings of the subimages from different movable telescopes are carried out along the same or, at least parallel lines. After performing the indicated corrections in the orientation and position of the sub-beams, the aperture synthesis system under consideration is generally ready to detect the generated images in a quadratic image detector - 34 and register them and process them in a computer for image registration and processing - 35.

При пространственно-временном апертурном синтезе происходит непрерывное изменение взаимного положения подвижных телескопов матрицы - 5 относительно друг друга и по отношению к базовой станции матрицы - 6. Рассмотрим динамику этого изменения в процессе формирования искаженных атмосферой изображений.In space-time aperture synthesis, a continuous change in the mutual position of the moving telescopes of the matrix - 5 relative to each other and relative to the base station of the matrix - 6 takes place. Consider the dynamics of this change during the formation of images distorted by the atmosphere.

В исходном для наблюдения положении подвижные телескопы матрицы - 5 устанавливаются вдоль эллипса когерентности - 7, определяемого положением - 9 объекта - 8 относительно матрицы апертурного синтеза. Перемещение подвижных телескопов матрицы из исходного положения должно осуществляться так, чтобы они, двигаясь радиально, постоянно находились вдоль соответствующих эллипсов когерентности - 7, что обеспечивает грубое фазирование и позволяет уменьшить диапазон подстройки компенсатора разностей хода - 25. Поэтому движение телескопов матрицы - 5 должно быть синхронным и в одном направлении. Учитывая, что при восстановлении изображения разворачивание фазы пространственного спектра осуществляют из области низких пространственных частот в область высоких пространственных частот, для обеспечения возможности одновременного осуществления процессов получения изображений и их обработки, движение телескопов матрицы осуществляют от центра матрицы к ее периферии. Выбрав направление движения, определив направление - 9 на объект - 8 и расположив подвижные элементы матрицы вдоль эллипса когерентности - 7 с минимальным расстоянием до неподвижного элемента матрицы - 6, равным диаметру апертуры D подвижного элемента (Lmin = 2D) при наличии когерентности субпучков, характеризуемой наличием интерференционных полос в изображении, начинают детектирование в 34 серий спектрально-фильтруемых в дихроическом фильтре с полосой пропускания ∆λ = 200 Å (30) короткоэкспозиционных изображений наблюдаемого космического объекта.In the initial position for observation, the movable telescopes of the matrix - 5 are installed along the coherence ellipse - 7, determined by the position - 9 of the object - 8 relative to the aperture synthesis matrix. Moving the matrix’s movable telescopes from the initial position should be carried out so that they, moving radially, are constantly along the corresponding coherence ellipses - 7, which provides coarse phasing and reduces the range of adjustment of the path difference compensator - 25. Therefore, the motion of the matrix telescopes - 5 should be synchronous and in one direction. Considering that during image restoration, the unfolding of the phase of the spatial spectrum is carried out from the region of low spatial frequencies to the region of high spatial frequencies, in order to enable simultaneous implementation of image acquisition and processing processes, the motion of the matrix telescopes is carried out from the center of the matrix to its periphery. Having chosen the direction of motion, determining the direction - 9 to the object - 8 and positioning the moving matrix elements along the coherence ellipse - 7 with a minimum distance to the fixed matrix element - 6, equal to the diameter of the aperture D of the moving element (L min = 2D) in the presence of coherence of subbunches characterized by by the presence of interference bands in the image, they begin to detect in 34 series of spectrally-filtered in a dichroic filter with a passband Δλ = 200 Å (30) short-exposure images of the observed space object a.

Если говорить о дискретных установках подвижных элементов матрицы, то, например, для системы наблюдения объектов дальнего космоса их должно быть, столько, чтобы в восстанавливаемом изображении геостационарного ИСЗ иметь не менее 100 упомянутых выше элементов разрешения. Учитывая, что требуемое число выборок пространственного спектра равно требуемому числу элементов разрешения восстанавливаемого изображения, получаем, что для рассматриваемой матрицы диаметра Dэ = 100 м должно быть не менее 10 выборок вдоль любого диаметра, то есть не менее 5 выборок вдоль каждого радиуса. Для получения этих выборок положения подвижных элементов матрицы можно было бы устанавливать дискретными шагами с промежутками 10 м. Однако во избежание толчков при изменениях режимов движения целесообразно работать с непрерывно движущимися телескопами - 5 и постоянным контролем эллиптичности связывающей их линии - 7, определяемой положением - 9 объекта - 8. Оценим характеристики этого движения.If we talk about discrete installations of moving matrix elements, then, for example, for a system for observing deep space objects, there should be so many that in the reconstructed image of a geostationary satellite there should be at least 100 resolution elements mentioned above. Considering that the required number of spatial spectrum samples is equal to the required number of resolution elements of the reconstructed image, we find that for the considered matrix of diameter D e = 100 m there should be at least 10 samples along any diameter, i.e. at least 5 samples along each radius. To obtain these samples, the positions of the moving elements of the matrix could be set in discrete steps at intervals of 10 m. However, to avoid jolts when changing the modes of motion, it is advisable to work with continuously moving telescopes - 5 and constant monitoring of the ellipticity of their connecting line - 7, determined by the position - 9 of the object - 8. Let us evaluate the characteristics of this movement.

Подвижные элементы матрицы - 5 будут непрерывно двигаться, чтобы в каждом кадре изображения детектировался немного отличный набор пространственных частот. В связи с тем, что для каждой пространственной частоты требуется в среднем N = 105 экспозиций, чтобы достичь предельного разрешения при обработке, скорость подвижных телескопов матрицы должна соответствовать смещению на D = 5 м в ста тысячах экспозиций продолжительностью 10 мс каждая, то есть эта скорость равна 5·10-3 м/с. С этой скоростью подвижные элементы матрицы - 5 будут совершать свое движение из исходного положения вдоль минимального эллипса когерентности - 7 у базовой станции матрицы - 6 в центре матрицы к ее периферии до тех пор, пока разделение между парами подвижным элементов - 5, расположенных диаметрально противоположно относительно базовой станции матрицы - 6, не достигнет величины Lm, соответствующей требуемому разрешению, определяемому угловым размером объекта наблюдения и допустимым временем апертурного синтеза. Следует заметить, что при непрерывном движении матрица имеет непрерывную полуостровную ОПФ в радиальных направлениях, что снижает уровень боковых лепестков ее ФРТ и увеличивает поле зрения матрицы, и островную ОПФ вдоль эллипсов когерентности, что облегчает замыкание фазы методом тройных корреляций, рассматриваемым ниже.The moving elements of the matrix - 5 will continuously move, so that in each frame of the image a slightly different set of spatial frequencies is detected. Due to the fact that for each spatial frequency an average of N = 10 is required5exposures, in order to achieve the maximum resolution during processing, the speed of the movable matrix telescopes must correspond to a displacement of D = 5 m in one hundred thousand exposures of 10 ms duration, i.e., this speed is 5 · 10-3 m / s With this speed, the moving elements of the matrix - 5 will move from the initial position along the minimum ellipse of coherence - 7 at the base station of the matrix - 6 in the center of the matrix to its periphery until the separation between the pairs of moving elements - 5 located diametrically opposite to the base station of the matrix is 6, will not reach the value Lm, corresponding to the required resolution, determined by the angular size of the object of observation and the acceptable time of aperture synthesis. It should be noted that during continuous motion, the matrix has a continuous peninsular OPF in radial directions, which reduces the level of the side lobes of its PSF and increases the field of view of the matrix, and the island OPF along coherence ellipses, which facilitates phase closure by the triple correlation method considered below.

Общее время экспонирования приобретаемых в матрице изображений определяется предельно достижимым разрешением и скоростью движения подвижных телескопов матрицы. Предельно достижимое разрешение в рассматриваемом случае наблюдения объектов дальнего космоса устанавливает максимальное расстояние в 50 м, которое должна пройти каждая подвижная апертура матрицы, при максимальном расстоянии между диаметрально противоположными апертурами Lmax = 100 м. При скорости движения подвижного телескопа матрицы - 5, равной Vт = 5 10-3 м/с при N = 105 экспозиций на каждой пространственной частоте, также определяемых предельным разрешением, общее время апертурного синтеза и приобретения изображений объекта составитThe total exposure time of the images acquired in the matrix is determined by the maximum achievable resolution and the speed of movement of the moving telescopes of the matrix. The maximum achievable resolution in the case of observation of deep space objects under consideration sets the maximum distance of 50 m that each movable aperture of the matrix must travel at the maximum distance between diametrically opposite apertures L max = 100 m. When the speed of the moving telescope of the matrix is 5, equal to V t = 5 10 -3 m / s at N = 10 5 exposures at each spatial frequency, also determined by the limiting resolution, the total time of aperture synthesis and acquisition of images of an object will be

Figure 00000014
Figure 00000014

(при N=107, VT=5·10-5 м/с, Т=280 часов=~12 суток)(at N = 10 7 , V T = 5 · 10 -5 m / s, T = 280 hours = ~ 12 days)

Для геостационарных ИСЗ на синхронных орбитах, вследствие их малой видимой угловой скорости перемещения, мы можем теоретически иметь неограниченное время для наблюдения, а следовательно, и приобретения требуемого числа N короткоэкспозиционных изображений. Таким образом, требуемое время апертурного синтеза (2) не является ограничивающим фактором в решении проблемы наблюдения малоразмерных объектов дальнего космоса.For geostationary satellites in synchronous orbits, due to their low apparent angular velocity of movement, we can theoretically have unlimited time for observation and, therefore, acquisition of the required number N of short-exposure images. Thus, the required aperture synthesis time (2) is not a limiting factor in solving the problem of observing small-sized objects in deep space.

Итак, сформировав и зарегистрировав в ЭВМ - 35 серии искаженных изображений объекта наблюдения, рассмотрим особенности обработки зарегистрированных изображений в предлагаемом способе для восстановления неискаженных атмосферой фазы и модуля пространственного спектра малоразмерного космического объекта и получения его неискаженного атмосферой изображения.So, having formed and registered in the computer - 35 a series of distorted images of the observation object, we consider the features of processing the recorded images in the proposed method for reconstructing the undistorted phase and the spatial spectrum modulus of a small space object and obtaining its undistorted image.

Упомянутый выше метод тройных корреляций является перспективным методом восстановления фазы пространственного спектра от объекта по серии его искаженных атмосферой короткоэкспозиционных изображений в наземных многоапертурных оптических системах. Этот метод описан в работе A.W. Lohmann, G. Weigelt, B. Wirnitzer, Appl. Opt., v. 22, p. 4028, 1983 и основан на формировании тройной корреляции изображений, определяемойThe triple correlation method mentioned above is a promising method for reconstructing the phase of the spatial spectrum from an object from a series of short-exposure images distorted by the atmosphere in terrestrial multi-aperture optical systems. This method is described in A.W. Lohmann, G. Weigelt, B. Wirnitzer, Appl. Opt., V. 22, p. 4028, 1983 and is based on the formation of triple correlation of images defined by

Figure 00000015
Figure 00000015

и получении при Фурье преобразовании от (3) пространственного спектра тройной корреляции, называемого биспектром.and obtaining a Fourier transform from (3) the spatial spectrum of a triple correlation, called the bispectrum.

Figure 00000016
Figure 00000016

где =

Figure 00000017
(
Figure 00000018
) - пространственный Фурье спектр изображения Iи(
Figure 00000019
), а пространственные частоты
Figure 00000018
1,
Figure 00000020
2 и -
Figure 00000018
1 -
Figure 00000018
2 образуют замкнутую тройку.where =
Figure 00000017
(
Figure 00000018
) - spatial Fourier spectrum of the image Iand(
Figure 00000019
), and spatial frequencies
Figure 00000018
one,
Figure 00000020
2and -
Figure 00000018
one-
Figure 00000018
2form a closed triple.

Усредняя биспектр по серии зарегистрированных изображений и выделяя его фазу, получаем уравнение замкнутых фаз в видеAveraging the bispectrum over a series of recorded images and isolating its phase, we obtain the equation of closed phases in the form

Figure 00000021
Figure 00000021

Это уравнение позволяет, используя алгоритм разворачивания уравнений замкнутых фаз, восстановить фазу пространственного спектра объекта по измеренной фазе биспектра изображения, как описано в работе H. Bartelt, A.W. Lohmann, B. Wirnitzer «Phase and amplitude recovery from bispectra», Appl. Opt., v. 23, p. 3121, 1984.This equation allows, using the algorithm for unfolding the equations of closed phases, to restore the phase of the spatial spectrum of the object from the measured phase of the bispectrum of the image, as described in H. Bartelt, A.W. Lohmann, B. Wirnitzer "Phase and amplitude recovery from bispectra", Appl. Opt., V. 23, p. 3121, 1984.

Рассмотрим модификацию метода тройных корреляций, предлагаемую в данном способе для наблюдения малоразмерных космических объектов.Consider a modification of the triple correlation method proposed in this method for observing small-sized space objects.

Типичной ситуацией для задач наблюдения космоса является такая, когда угловые размеры объекта θ0 оказываются меньшими углового разрешения отдельных субапертур, определяемого как

Figure 00000001
/D. При этом
Figure 00000022
пространственный спектр от объекта
Figure 00000023
практически не изменяется в пределах островов, создаваемых парами субапертур при каждом короткоэкспозиционном измерении, и для D > r0 можно существенно (в Nθ = (D/ro)2 раз) повысить точность оценки фазы
Figure 00000024
методом тройных корреляций, а также улучшить оценку модуля
Figure 00000025
пространственного спектра от объекта, получаемую по методу Лабейри (аналог).A typical situation for space observation problems is when the angular dimensions of the object θ 0 are smaller than the angular resolution of individual subapertures, defined as
Figure 00000001
/ D. Wherein
Figure 00000022
spatial spectrum from the object
Figure 00000023
practically does not change within the islands created by pairs of subapertures during each short-exposure measurement, and for D> r 0 it is possible to significantly (in N θ = (D / r o ) 2 times) increase the accuracy of phase estimation
Figure 00000024
triple correlation method, and improve the module estimate
Figure 00000025
spatial spectrum from the object, obtained by the Labeiree method (analogue).

Действительно, рассмотрим три безизбыточно расположенные, но избыточно большие субапертуры, такие, что на каждой их них укладывается по

Figure 00000026
областей корреляции атмосферных искажений.Indeed, we consider three redundantly located, but excessively large subapertures, such that each of them fits into
Figure 00000026
areas of correlation of atmospheric distortions.

Если теперь в соответствии с малоразмерностью объекта считать, что

Figure 00000027
является постоянным в пределах каждого острова размера 2D/
Figure 00000001
и равным
Figure 00000028
где
Figure 00000029
- центральная частота острова, то перед корреляционным усреднением (5) можно сгладить все тройные произведения (4) в пределах островов по всем возможным тройкам замкнутых частот, то есть осуществить интегрирование видаIf now, in accordance with the small size of the object, assume that
Figure 00000027
is constant within each island of size 2D /
Figure 00000001
and equal
Figure 00000028
Where
Figure 00000029
is the central frequency of the island, then before the correlation averaging (5) it is possible to smooth out all ternary products (4) within the islands over all possible triples of closed frequencies, i.e., integrate the form

Figure 00000030
Figure 00000030

где интегрирование производится по соответствующим островам области пространственных частот. Тогда уравнение замкнутых фаз метода тройных корреляций с учетом (6) преобразуется к видуwhere integration is carried out over the corresponding islands of the spatial frequency domain. Then the equation of closed phases of the triple correlation method, taking into account (6), is transformed to

Figure 00000031
Figure 00000031

где

Figure 00000032
=
Figure 00000033
Figure 00000034
) - фазы пространственного спектра от объекта на m островах.Where
Figure 00000032
=
Figure 00000033
Figure 00000034
) are the phases of the spatial spectrum from the object on m islands.

Оценим точность известного (5) и предлагаемого (6) способов в рамках модели атмосферных искажений Колмогорова-Обухова. Точность оценки есть величина, обратная отношению сигнал/шум, характеризующему эффективность восстановления и определяемому следующей величинойLet us evaluate the accuracy of the known (5) and proposed (6) methods within the framework of the Kolmogorov-Obukhov atmospheric distortion model. The accuracy of the estimate is the reciprocal of the signal-to-noise ratio, which characterizes the recovery efficiency and is determined by the following value

Figure 00000035
Figure 00000035

где N - число обрабатываемых короткоэкспозиционных изображений в серии, а угловые скобки <·> обозначают полное статистическое усреднение как по квантовой статистике процесса детектирования, так и по статистике атмосферных искажений.where N is the number of processed short exposure images in the series, and the angle brackets <·> indicate the full statistical averaging both in quantum statistics of the detection process and in statistics of atmospheric distortions.

Для известного метода тройных корреляций (5), осуществляя усреднение в (8) по статистике квантов и по атмосферным искажениям в асимптотике D >> r0, получаем выражение для точности восстановления фазыFor the well-known triple correlation method (5), averaging in (8) over the statistics of quanta and over atmospheric distortions in the asymptotics D >> r0, we get an expression for the accuracy of phase recovery

Figure 00000036
Figure 00000036

где параметр q( ) имеет смысл отношения сигнал/шум в одном изображении и определяетсяwhere the parameter q () makes sense of the signal-to-noise ratio in one image and is determined

Figure 00000037
Figure 00000037

а параметр η характеризует количество квантов, приходящих на один «спекл» изображения или, что тоже, на область корреляции искажений в плоскости апертуры, и определяетсяand the parameter η characterizes the number of quanta arriving at one “speckle” of the image or, which, also, at the correlation region of distortions in the aperture plane, and is determined

Figure 00000038
Figure 00000038

где < K > - среднее число детектируемых фотонов на одно изображение, а M - число подвижных телескопов в матрице.where <K> is the average number of detected photons per image, and M is the number of mobile telescopes in the matrix.

Очевидно, что здесь можно выделить два крайних случая:Obviously, two extreme cases can be distinguished here:

1) ярких объектов η >> 1 (q >> 1) и1) bright objects η >> 1 (q >> 1) and

2) слабых объектов η << (q << 1),2) weak objects η << (q << 1),

а) тогда в классическом случае наблюдения ярких космических объектов имеемa) then in the classical case of observing bright space objects, we have

Figure 00000039
Figure 00000039

б) в квантово-ограниченном случае наблюдения слабых объектов имеем b) in the quantum-limited case of observing weak objects, we have

Figure 00000040
Figure 00000040

Оценим эффективность предлагаемой модификации (6) метода тройных корреляций по сравнению с традиционным методом тройных корреляций (5). На основании модели Nθ фазовых ячеек

Figure 00000041
нетрудно видеть, что в тройном произведении (5) порядка
Figure 00000042
полезных членов на замкнутых частотах и около
Figure 00000042
шумовых слагаемых со случайной фазой. Поэтому отношение сигнал/шум в (12) и (13) было пропорционально
Figure 00000043
Let us evaluate the effectiveness of the proposed modification (6) of the triple correlation method in comparison with the traditional triple correlation method (5). Based on the N θ phase cell model
Figure 00000041
it is easy to see that in the ternary product (5) of order
Figure 00000042
useful members at closed frequencies and around
Figure 00000042
noise terms with random phase. Therefore, the signal-to-noise ratio in (12) and (13) was proportional
Figure 00000043

Теперь же интегрирование в предлагаемом способе (6) эквивалентно суммированию по

Figure 00000044
тройным произведениям спектров и, в результате, полезных членов становится ~
Figure 00000042
, и случайных шумовых ~
Figure 00000045
, а отношение сигнал/шум в (12) и (13) становится пропорциональным
Figure 00000046
и может быть представлено в видеNow, integration in the proposed method (6) is equivalent to summation over
Figure 00000044
triple products of spectra and, as a result, useful terms becomes ~
Figure 00000042
, and random noise ~
Figure 00000045
, and the signal-to-noise ratio in (12) and (13) becomes proportional
Figure 00000046
and can be represented as

а) для ярких космических объектов (η >> 1)a) for bright space objects (η >> 1)

Figure 00000047
Figure 00000047

б) для слабых космических объектов (η << 1)b) for weak space objects (η << 1)

Figure 00000048
Figure 00000048

Заметим, что аналогичное (6) сглаживание в пределах островов необходимо осуществлять и для получения оценки квадрата модуля пространственного спектра от объекта, которая при этом определяется какNote that similar smoothing (6) within the islands is necessary to carry out to obtain an estimate of the square of the modulus of the spatial spectrum from the object, which is then defined as

Figure 00000049
Figure 00000049

Здесь

Figure 00000050
- дифракционная ОПФ матрицы, интегралы берутся в пределах островов, а отношение сигнал/шум (8) преобразуется к видуHere
Figure 00000050
- diffraction OPF matrix, the integrals are taken within the islands, and the signal-to-noise ratio (8) is converted to

а) для ярких объектов (η >> 1)a) for bright objects (η >> 1)

Figure 00000051
Figure 00000051

б) для слабых объектов(η << 1)b) for weak objects (η << 1)

Figure 00000052
Figure 00000052

На основании полученных результатов (12)÷(18) можно сделать вывод, что при наблюдении малоразмерных объектов эффективность функционирования матрицы возрастает в (D/ro)2 раз. Повышается точность восстановления модуля и фазы пространственного спектра от объекта, что позволяет уменьшить в

Figure 00000053
раз требуемое число приобретаемых изображений. Точность восстановления увеличивается с ростом диаметра субапертуры D, но до тех пор, пока удовлетворяется неравенство
Figure 00000054
Based on the results obtained (12) ÷ (18), we can conclude that when observing small-sized objects, the matrix functioning efficiency increases (D / r o ) 2 times. The accuracy of reconstruction of the module and the phase of the spatial spectrum from the object is increased, which reduces
Figure 00000053
times the required number of acquired images. The accuracy of the restoration increases with increasing diameter of the subaperture D, but until the inequality
Figure 00000054

Положительный эффект от использования заявленного способа заключается в обеспечении когерентного комбинирования (наведения, фазирования и фигуризации) субпучков от отдельных субапертур диаметра D подвижных телескопов матрицы для достижения высокого углового разрешения

Figure 00000001
/Dэ, определяемого размером синтезируемой апертуры Dэ. The positive effect of using the inventive method is to ensure coherent combination (guidance, phasing and figure) of the sub-beams from individual subapertures of diameter D of the movable matrix telescopes to achieve high angular resolution
Figure 00000001
/ D e, defined by the aperture size of the synthesized D e.

Когерентная работа матрицы подвижных телескопов в процессе апертурного синтеза обеспечивает выигрыш в дифракционном разрешении в Dэ/D раз (Dэ/D >> 1) по сравнению с одноапертурной оптической системой наблюдения космоса диаметра D.The coherent operation of the matrix of mobile telescopes during the aperture synthesis provides a gain in diffraction resolution in Duh/ D times (Duh/ D >> 1) in comparison with a single-aperture optical system for observing space of diameter D.

Например, при наблюдении объектов дальнего космоса с Dэ= 100 м и D = 5 м этот выигрыш в разрешении составляет 20 раз.For example, when observing deep space objects with Duh= 100 m and D = 5 m, this gain in resolution is 20 times.

Другой положительный эффект от использования заявляемого способа заключается в повышении точности восстановления не искаженных атмосферой модуля и фазы пространственного спектра от объекта в (D/r0)2 раз предложенной процедурой сглаживания в островах по сравнению с традиционными методами восстановления модуля методом Лабейри (аналог) и фазы методом тройных корреляций.Another positive effect of the use of the proposed method is to increase the accuracy of reconstruction of the atmosphere-undisturbed module and phase of the spatial spectrum from an object by (D / r 0 ) 2 times the proposed smoothing procedure in the islands in comparison with traditional methods of module reconstruction by the Labeiri method (analogue) and phase triple correlation method.

Например, при D = 5 м и r0 = 0,1 м этот выигрыш равен 2500 раз и позволяет во столько же раз сократить требуемое число N регистраций в серии, сокращая общее время наблюдения (2).For example, with D = 5 m and r 0 = 0.1 m, this gain is 2500 times and allows the required number N of registrations in the series to be reduced by the same amount, reducing the total observation time (2).

В соответствии с предлагаемым алгоритмом - 36 обработки зарегистрированных в ЭВМ - 35 серий из N искаженных атмосферой изображений наблюдаемого космического объекта осуществляют следующую последовательность операций:In accordance with the proposed algorithm - 36 processing registered in the computer - 35 series of N atmosphere-distorted images of the observed space object carry out the following sequence of operations:

37) выбирают из блока памяти ЭВМ - 35 зарегистрированные серии из N искаженных атмосферой изображений наблюдаемого космического объекта37) choose from the computer memory block - 35 registered series of N images of the observed space object distorted by the atmosphere

Figure 00000055
Figure 00000055

полученных для каждого K-го взаимного расположения подвижных телескопов матрицы (k = 1, 2,……K);obtained for each Kth relative position of the moving telescopes of the matrix (k = 1, 2, ....... K);

38) преобразуют каждое зарегистрированное изображение в серии по Фурье в область его пространственного спектра38) transform each registered image in the Fourier series into the region of its spatial spectrum

Figure 00000056
Figure 00000056

где

Figure 00000057
(
Figure 00000058
неискаженной атмосферой пространственный спектр объекта, а
Figure 00000059
мгновенная ОПФ системы атмосфера-матрица для
Figure 00000060
-той регистрации и k-го расположения элементов матрицы;Where
Figure 00000057
(
Figure 00000058
undistorted atmosphere the spatial spectrum of the object, and
Figure 00000059
instant atmospheric-matrix opf for
Figure 00000060
-th registration and k-th arrangement of matrix elements;

39) формируют корреляционные произведения пространственных спектров изображений в «островах» вдоль эллипсов когерентности и вдоль радиальных полуостровов39) form the correlation products of the spatial spectra of images in the “islands” along the coherence ellipses and along the radial peninsulas

Figure 00000061
Figure 00000061

40) усредняют корреляционные произведения (21) и формируют двойные корреляции пространственных спектров изображений40) average correlation products (21) and form double correlations of spatial image spectra

Figure 00000062
Figure 00000062

41) выделяют фазу усредненных корреляционных произведений и получают разностные фазы41) isolate the phase of the averaged correlation products and get the differential phase

Figure 00000063
Figure 00000063

42) сшивая разностные фазы, восстанавливают неискаженную фазу пространственного спектра объекта в островах и полуостровах в соответствии с уравнением одномерного сшивания прототипа42) stitching the differential phases, restore the undistorted phase of the spatial spectrum of the object in the islands and peninsulas in accordance with the equation of one-dimensional crosslinking of the prototype

Figure 00000064
Figure 00000064

где

Figure 00000065
- узловые частоты на выбранном контуре «сшивания»
Figure 00000066
Where
Figure 00000065
- nodal frequencies on the selected loop "stitching"
Figure 00000066

С помощью алгоритма одномерного сшивания (24) можно развернуть фазу пространственного спектра от объекта только в пределах каждого острова или радиального полуострова.Using the one-dimensional stitching algorithm (24), it is possible to expand the phase of the spatial spectrum from an object only within each island or radial peninsula.

Для того чтобы связать фазы островов или полуостровов по всей пространственно-частотной области апертурного синтеза предлагается использовать метод тройных корреляций (3) с уравнением замкнутых фаз вида (5)In order to relate the phases of islands or peninsulas over the entire space-frequency region of aperture synthesis, it is proposed to use the triple correlation method (3) with the equation of closed phases of the form (5)

Figure 00000067
Figure 00000067

43) учитывая малоразмерность объекта наблюдения (

Figure 00000068
0<
Figure 00000001
D) перед корреляционным усреднением (25) ≡ (5) сглаживают все тройные произведения в пределах островов по всем возможным тройкам замкнутых частот, то есть осуществляют интегрирование (26) вида43) given the small size of the object of observation (
Figure 00000068
0 <
Figure 00000001
D) before correlation averaging (25) ≡ (5), all triple products within the islands are smoothed over all possible triples of closed frequencies, i.e., they integrate (26) of the form

Figure 00000069
Figure 00000069

44) с учетом (26) ≡ (6) формируют уравнение замкнутых фаз (25) метода тройных корреляций в виде44) taking into account (26) ≡ (6) form the equation of closed phases (25) of the triple correlation method in the form

Figure 00000070
Figure 00000070

где

Figure 00000071
- фазы пространственного спектра от объекта на
Figure 00000072
m островах.Where
Figure 00000071
- phases of the spatial spectrum from the object to
Figure 00000072
m islands.

45) восстанавливают фазу пространственного спектра от объекта

Figure 00000073
разворачивая уравнение замкнутых фаз (27) в соответствии с рекурсивным соотношением45) restore the phase of the spatial spectrum from the object
Figure 00000073
expanding the equation of closed phases (27) in accordance with the recursive relation

Figure 00000074
Figure 00000074

где

Figure 00000075
(
Figure 00000076
s,
Figure 00000076
h) фаза биспектра с учетом сглаживания (26),
Figure 00000077
а скобки [·] - обозначают целую часть.Where
Figure 00000075
(
Figure 00000076
s
Figure 00000076
h ) bispectrum phase, taking into account smoothing (26),
Figure 00000077
and brackets [·] - indicate the integer part.

На первом шаге фаза

Figure 00000078
0(
Figure 00000076
1) полагается равной нулю, а на h-ом шаге фаза
Figure 00000009
0(
Figure 00000076
h) выражается через фазы, оцененные на предшествующих шагах с помощью
Figure 00000079
соотношений типа (27).In the first step, the phase
Figure 00000078
0 (
Figure 00000076
1 ) it is assumed to be zero, and at the hth step, the phase
Figure 00000009
0 (
Figure 00000076
h ) expressed through phases evaluated in the previous steps with
Figure 00000079
relations of the type (27).

46) одновременно с восстановлением фазы пространственного спектра от объекта

Figure 00000009
0 восстанавливают квадрат модуля пространственного спектра от объекта
Figure 00000080
для чего сначала по зарегистрированным сериям искаженных изображений объекта, а точнее по их пространственным спектрам, формируют средний квадрат модуля пространственных спектров изображений как46) simultaneously with the restoration of the phase of the spatial spectrum from the object
Figure 00000009
0 restore the square of the modulus of the spatial spectrum from the object
Figure 00000080
why first, according to the registered series of distorted images of the object, and more precisely according to their spatial spectra, form the average square of the module of the spatial spectra of the images as

Figure 00000081
Figure 00000081

47) учитывая малоразмерность объекта наблюдения

Figure 00000082
аналогично (6), осуществляют сглаживание в пределах островов средних квадратов модулей пространственных спектров изображений47) given the small size of the object of observation
Figure 00000082
similarly to (6), smoothing within the islands of the mean square modules of the spatial spectra of images

Figure 00000083
Figure 00000083

48) и формируют оценку неискаженного атмосферой квадрата модуля пространственного спектра объекта как48) and form an estimate of the undistorted by the atmosphere square modulus of the spatial spectrum of the object as

Figure 00000084
Figure 00000084

где

Figure 00000085
- дифракционная ОПФ матрицы для k-го расположения ее подвижных элементов, а интегралы берутся в пределах
Figure 00000086
островов.Where
Figure 00000085
- diffraction OPF matrix for the k-th location of its moving elements, and the integrals are taken within
Figure 00000086
islands.

49) по восстановленным оценкам фазы и модуля пространственного спектра от объекта формируют оценку пространственного спектра объекта49) according to the restored estimates of the phase and the spatial spectrum modulus from the object, an estimate of the spatial spectrum of the object

Figure 00000087
Figure 00000087

50) получают неискаженное атмосферой изображение наблюдаемого космического объекта

Figure 00000012
0 при обратном (20) Фурье преобразовании от
Figure 00000088
50) receive an undistorted atmosphere image of the observed space object
Figure 00000012
0 with the inverse (20) Fourier transform of
Figure 00000088

Figure 00000089
Figure 00000089

Таким образом, предложенный способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу, позволяет повысить дифракционное разрешение формируемых изображений в Dэ/D раз и точность восстановления неискаженных атмосферой модуля и фазы пространственного спектра объекта в (D/r0)2 раз, тем самым обеспечивая возможность эффективного визуального контроля состояния геостационарных космических объектов и аппаратов системы ГЛОНАСС в условиях возможного отказа телеметрических каналов связи, а также позволяет осуществлять контроль малоразмерного космического мусора естественного (астеройдно-кометного) происхождения.Thus, the proposed method for obtaining images of space object observed through a turbulent atmosphere, allows to increase the diffraction resolution of formed images in D e / D time and accuracy of reconstruction undistorted module atmosphere and phase spatial spectrum object (D / r 0) 2 times, thus providing the possibility of effective visual monitoring of the state of geostationary space objects and devices of the GLONASS system in the conditions of a possible failure of telemetric communication channels, and also allows to control small space debris of natural (asteroid-comet) origin.

Claims (1)

Способ получения изображений космического объекта, наблюдаемого через турбулентную атмосферу,
основанный на формировании наземной оптической системой искаженных атмосферой изображений космического объекта,
их спектральной фильтрации и квадратичном детектировании каждого за время экспонирования, меньшее интервала временной корреляции атмосферных флуктуаций,
регистрации серий из N таких спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений,
преобразовании каждого из них по Фурье в область пространственного спектра
и статистической обработке модулей и фаз пространственных спектров зарегистрированных изображений серии для восстановления неискаженных атмосферой модуля и фазы пространственного спектра наблюдаемого космического объекта,
формировании по ним неискаженного атмосферой пространственного спектра объекта и получении при обратном Фурье преобразовании от него неискаженного атмосферой изображения наблюдаемого космического объекта, отличающийся тем,
что формирование искаженных атмосферой изображений космического объекта осуществляют когерентной матрицей из М наземных подвижных телескопов диаметра D в процессе пространственно-временного апертурного синтеза,
при котором сначала отдельные телескопы матрицы располагают по кругу у центра матрицы, если объект в зените, или вдоль эллипса когерентности, являющегося пересечением плоскости апертурного синтеза с параболоидом вращения, направленным на объект наклонного наблюдения,
затем для получения серий независимых, спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений наблюдаемого космического объекта осуществляют синхронное перемещение подвижных телескопов матрицы от ее центра к периферии, сохраняя их взаимное расположение вдоль эллипсов когерентности,
а для обеспечения плавности перемещения и устранения толчков осуществляют непрерывное движение телескопов матрицы по рельсовым путям, идущим радиально от центра матрицы к ее периферии,
при этом ориентацию каждого телескопа матрицы относительно центра матрицы поддерживают неизменной и направляют комбинируемые субпучки от подвижных телескопов вдоль рельсовых путей к центру матрицы,
где размещают неподвижную базовую станцию, в которой осуществляют, как когерентное комбинирование радиально распространяющихся субпучков в процессе апертурного синтеза формируемых изображений, так и квадратичное детектирование сформированных и спектрально отфильтрованных изображений, с их последующей регистрацией и обработкой,
при этом регистрируют серии из N спектрально-фильтруемых, короткоэкспозиционных изображений наблюдаемого космического объекта для каждого взаимного расположения подвижных телескопов матрицы,
при статистической обработке модулей и фаз пространственных спектров серий зарегистрированных искаженных атмосферой изображений используют островной характер оптической передаточной функции (ОПФ) матрицы вдоль эллипсов когерентности и полуострова ее ОПФ в радиальном направлении, простирающихся от центра пространственно-частотной области до частоты отсечки синтезируемой апертуры диаметра DЭ, и восстанавливают неискаженную атмосферой фазу пространственного спектра от объекта в островах и полуостровах, разворачивая ее от центра к периферии,
осуществляют сшивание радиально восстановленных фаз по всей пространственно-частотной области апертурного синтеза методом тройных корреляций с разворачиванием уравнений замкнутых фаз вдоль эллипсов когерентности, при этом для малоразмерных космических объектов, не разрешаемых отдельными телескопами матрицы перед корреляционным усреднением статистической обработки, сглаживают все тройные произведения в пределах островов по всем возможным тройкам замкнутых частот и,
осуществляя аналогичное сглаживание при статистической обработке квадратов модулей пространственных спектров зарегистрированных изображений, восстанавливают неискаженные атмосферой фазу и модуль пространственного спектра объекта,
комбинируя которые, формируют пространственный спектр объекта и при обратном Фурье преобразовании от него получают неискаженное атмосферой изображение наблюдаемого космического объекта.
A method of obtaining images of a space object observed through a turbulent atmosphere,
based on the formation of a terrestrial image of a space object by a ground-based optical system,
their spectral filtering and quadratic detection of each during the exposure time, less than the interval of time correlation of atmospheric fluctuations,
registration of series of N such spectrally filtered, short exposure images,
transforming each of them according to Fourier into the region of the spatial spectrum
and the statistical processing of the modules and phases of the spatial spectra of the recorded images of the series for restoring the atmosphere undistorted module and phase of the spatial spectrum of the observed space object,
the formation on them of the spatial spectrum of the object, undistorted by the atmosphere, and obtaining, with the inverse Fourier transform, the image of the observed space object, undistorted by the atmosphere, from it, characterized in
that the formation of atmospheric images of a space object distorted by the atmosphere is carried out by a coherent matrix of M ground-based mobile telescopes of diameter D in the process of space-time aperture synthesis,
in which at first the individual matrix telescopes are arranged in a circle at the center of the matrix, if the object is at the zenith, or along the coherence ellipse, which is the intersection of the aperture synthesis plane with the rotation paraboloid aimed at the oblique observation object,
then, to obtain a series of independent, spectrally-filtered, short-exposure images of the observed space object, synchronous movement of the matrix’s moving telescopes from its center to the periphery is carried out, preserving their relative position along coherence ellipses,
and to ensure smooth movement and eliminate jolts, continuous movement of the matrix telescopes along rail tracks extending radially from the center of the matrix to its periphery,
while the orientation of each matrix telescope relative to the center of the matrix is maintained unchanged and the combined sub-beams are directed from movable telescopes along rail tracks to the center of the matrix,
where a fixed base station is located, in which both the coherent combination of radially propagating sub-beams during the aperture synthesis of the generated images and the quadratic detection of the generated and spectrally filtered images are carried out, with their subsequent registration and processing,
while registering a series of N spectrally-filtered, short-exposure images of the observed space object for each relative position of the moving telescopes of the matrix,
in the statistical processing of the modules and phases of the spatial spectra of a series of recorded images distorted by the atmosphere, use the island nature of the optical transfer function (OPF) of the matrix along the coherence ellipses and its OPF peninsula in the radial direction, extending from the center of the space-frequency region to the cutoff frequency of the synthesized aperture of diameter D E , and restore the atmosphere-undistorted phase of the spatial spectrum from the object in the islands and peninsulas, deploying it from the center to peripherals
radially reconstructed phases are stitched together over the entire spatial frequency region of the aperture synthesis using the triple correlation method with unfolding the equations of closed phases along coherence ellipses, while for small space objects not resolvable by individual matrix telescopes before correlation averaging of statistical processing, all triple products within the islands are smoothed out for all possible triples of closed frequencies and,
by performing a similar smoothing during statistical processing of the squares of the spatial spectrum moduli of the recorded images, the phase and the spatial spectrum modulus of the object are undistorted by the atmosphere,
combining these, they form the spatial spectrum of the object and, when the Fourier transform is inverse, they obtain an undistorted image of the observed space object from the atmosphere.
RU2014134182/28A 2014-08-21 Method of obtaining images of space object observed through turbulent atmosphere RU2575538C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2575538C1 true RU2575538C1 (en) 2016-02-20

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629925C1 (en) * 2016-09-13 2017-09-04 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Method of obtaining and processing images of remote earth sensing distorted by turbulent atmosphere

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4792231A (en) * 1987-06-25 1988-12-20 Fried David L Laser speckle imaging
RU2079156C1 (en) * 1991-06-15 1997-05-10 Товарищество с ограниченной ответственностью "Интеллект" Method of certification of telescope
SU1840633A1 (en) * 1987-10-28 2007-06-27 Научно-производственное объединение "Астрофизика" Method for determining internal scale of atmospheric turbulence
US8320630B2 (en) * 2009-10-14 2012-11-27 The Boeing Company Measuring turbulence and winds aloft using solar and lunar observable features

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4792231A (en) * 1987-06-25 1988-12-20 Fried David L Laser speckle imaging
SU1840633A1 (en) * 1987-10-28 2007-06-27 Научно-производственное объединение "Астрофизика" Method for determining internal scale of atmospheric turbulence
RU2079156C1 (en) * 1991-06-15 1997-05-10 Товарищество с ограниченной ответственностью "Интеллект" Method of certification of telescope
US8320630B2 (en) * 2009-10-14 2012-11-27 The Boeing Company Measuring turbulence and winds aloft using solar and lunar observable features

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2629925C1 (en) * 2016-09-13 2017-09-04 Акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (АО "Российские космические системы") Method of obtaining and processing images of remote earth sensing distorted by turbulent atmosphere

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0576264B1 (en) Full aperture image synthesis using rotating strip aperture image measurements
US7957608B2 (en) Image correction across multiple spectral regimes
Guyon et al. Exoplanet imaging with a phase-induced amplitude apodization coronagraph. I. Principle
JP6570991B2 (en) Diversification of lenslet, beam walk (BEAMWALK), and tilt for forming non-coplanar (ANISOLANATIC) images in large aperture telescopes
US8023117B2 (en) Establishing and maintaining focus in segmented-optic telescopes
US5350911A (en) Wavefront error estimation derived from observation of arbitrary unknown extended scenes
Saha Modern optical astronomy: technology and impact of interferometry
US20180249100A1 (en) High resolution multi-aperture imaging system
Turyshev et al. Spectrally resolved imaging with the solar gravitational lens
Rousset et al. Imaging with multi-aperture optical telescopes and an application
Berkefeld et al. Results of the multi-conjugate adaptive optics system at the German solar telescope, Tenerife
Ford et al. Geo light imaging national testbed (GLINT): past, present, and future
RU2575538C1 (en) Method of obtaining images of space object observed through turbulent atmosphere
RU2597144C1 (en) Method for remote earth probing
RU2653100C1 (en) Method for obtaining and processing images of earth&#39;s remote sensing deformed by turbulent air
Hart et al. Wavefront sensing with the differential optical transfer function
van Dam et al. Measuring segment piston with a dispersed fringe sensor on the Giant Magellan Telescope
Finger et al. Real-time image sharpening without adaptive optics by on-chip tracking
Garrel et al. The Subaru coronagraphic extreme AO (SCExAO) system: fast visible imager
Denolle et al. Real-time focal-plane wavefront sensing for compact imaging phased-array telescopes: numerical and experimental demonstration
Merkle et al. Spatial interferometry with the European VLT
Mountain et al. Comparison of optical observational capabilities for the coming decades: ground versus space
Kuwamura et al. Stellar spectral reconstruction from speckle spectroscopic data, 2
Calef Speckle imaging with a partitioned aperture: experimental results
Fienup et al. Transverse Translation Diversity in Image-Based Wavefront Sensing