Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Решение ряда задач астрономии связано с исследованием пространственной структуры объектов с максимальным разрешением. Возможности, открывающиеся с повышением углового разрешения, продемонстрированы Космическим Телескопом Хаббла. на котором получены высококачественные снимки разнообразных астрономических источников. Однако астрономические наблюдения на орбитальных телескопах не могут в полной мере заменить наземные наблюдения. Более того, они с неизбежностью расширяют круг задач астрономии и стимулируют развитие новых методов получения высокого пространственного разрешения при регулярных наземных наблюдениях. Этим определяется актуальность данной диссертационной работы.
Помимо технических способов повышения разрешающей способности телескопа, таких как адаптивные оптические системы [1] и методы формирования лазерной опорной звезды вблизи объекта [2]. атмосферные искажения можно полностью устранить, используя интерферометри-ческие свойства телескопа. Такие свойства проявляются при экспозициях, сравнимых со временем заморожен-ности фазовых искажений, возникающих при прохождении оптической волны сквозь турбулентную атмосферу. Эта идея легла в основу уже ставшего классическим метода спекл-интерферометрии [3]. Метод дает возможность измерить модуль пространственного спектра распределения интенсивности по объекту на частотах вплоть до гранич-
ной частоты телескопа. Однако информация о фазе пространственного спектра оказывается полностью утраченной, и восстановление изображения становится невозможным.
В 1985 году общепринятого метода восстановления изображений по спекл-интерферометрическим данным не сушествовало. Но наметились основные два подхода к решению задачи:
-
Восстановление фазы непосредственно из измеренного модуля пространственного спектра на основе использования аналитических свойств спектра [4. 5. 6].
-
Непосредственное восстановление фазы с помощью вычисления корреляционных функций высоких порядков (больших второго) [7. 8].
На протяжении ряда лет нами разрабатывался метод экспоненциальных множителей, который позволяет однозначно решать задачу восстановления изображений с дифракционным разрешением на основе измерения корреляционных функций второго порядка.
Второе направление диссертационной работы связано с изучением возможностей получения изображений с помощью систем, которые разбивают входной зрачок телескопа на набор элементов меньшего размера. Эти элементы затем или объединяются интерферометрически (системы апертурного синтеза) [9]. или используются независимо (системы сегментации зрачка) [10]. Актуальность развития и практической реализации таких методов определяется следующими обстоятельствами:
-
Интерферометрическое объединение безызбыточно расположенных элементов более выгодно при наблюдении ярких объектов, для которых основным искажающим фактором является атмосферный шум [11].
-
Будущие крупные наземные и космические инструменты будут строиться на принципах оптического апертурного синтеза [12].
-
Иитерферометрические методы применимы только для достаточно ярких объектов. Поэтому существенный интерес представляет возможность повышения чувствительности этих методов, пусть даже иеной некоторой потери в разрешении (системы сегментации зрачка).
Цель работы.
Пели диссертационной работы включают в себя:
Разработку и обоснование метода восстановления изображений поданным спекл-интерферометрических наблюдений.
Создание систем сегментации и безызбыточной апо-дизаиии входного зрачка телескопа.
Разработку методики и алгоритмов обработки наблюдательных данных для каждого из этих методов.
Экспериментальное исследование возможностей методов при работе с реальными наблюдательными данными.
Научная новизна.
В диссертационной работе предложен и обоснован метод экспоненциальных множителей, который позволяет получать астрономические изображения с дифракционным разрешением. С помощью предложенного метода впервые получено изображение астероида 4 Веста с разрешением 0."1. Результат восстановления через несколько лет был подтвержден наблюдениями на Космическом Телескопе Хаббла.
Впервые в отечественной астрономической практике созданы и применены в реальных астрономических наблюдениях системы безызбыточной аподизаиии и сегментации входного зрачка телескопа.
Практическая ценность.
Разработанные методы и алгоритмы обработки изображений могут использоваться для получения дифракционных изображений объектов, наблюдаемых через турбулентную среду. Это имеет важное значение как при исследовании астрономических объектов, так и в других областях (обратные задачи теории рассеяния, кристаллография, геофизика).
Предложенный метод моделирования атмосферных фазовых искажений может использоваться для моделирования произвольных случайных процессов с известной спектральной мощностью, в частности, для стационарных процессов и случайных процессов со стационарными прира-
шениями.
Результаты моделирования работы различных оптических систем позволяют оценить потенциальные возможности инструментов и методов, разрабатываемых для получения высококачественных изображений астрономических объектов (адаптивные системы, системы параллельной регистрации волнового фронта, системы формирования искусственного точечного источника, длинно базовая оптическая интерферометрия и др.).
Созданная система сегментации зрачка может применяться для получения астрономических изображений и для прямого измерения характеристик атмосферы, определяющих качество астрономических изображений.
Спекл-интерферометрия астероидов в отличие от фотометрических и радиометрических измерений является прямым методом измерения их размеров, формы и распределения альбедо по поверхности. Результаты интерферометрии астероида 4 Веста значительно дополняют данные, полученные этими методами, и дают важную информацию о характеристиках этого астероида и других безатмосферных тел Солнечной системы.
Личный вклад.
Работы, положенные в основу диссертации, выполнены автором в соавторстве с сотрудниками Астрономической обсерватории Харьковского университета. Специальной астрофизической обсерватории РАН и лично. Автору принадлежат следующие результаты:
Предложен метод экспоненциальных множителей восстановления изображений по данным спекл-интерфе-рометрии. В одномерном и двумерном случаях доказана теорема единственности восстановления изображения объекта с помошыо предложенного метода. Разработана методика получения дифракционно-ограниченных изображений и написано программное обеспечение по обработке полученного наблюдательного материала.
По данным спекл-интерферометрических наблюдений, проведенных В.Н. Дудиновым. В.Г. Вакуликом и А.П. Железняком (АО ХГУ). восстановлено изображение астероида 4 Веста.
Предложен новый метод моделирования атмосферных фазовых искажений, подчиняющихся Колмогоровской статистике. Автором написаны программы для численного моделирования работы различных оптических систем при наличии турбулентной атмосферы и проверено численное моделирование работы системы с безызбыточной аподизашіей входного зрачка и системы сегментации зрачка телескопа.
Проведены наблюдения с системой безызбыточной аподизании входного зрачка 1-метрового телескопа САО РАН. Написано программное обеспечение, выполнена обработка наблюдений и проведен анализ полученных результатов.
Автор участвовал в разработке и создании системы сегментации зрачка 1-метрового телескопа САО РАН; принимал участие в наблюдениях, проводил обработку и анализ полученных результатов. Работы по безызбыточной аподизации и сегментации входного зрачка телескопа проводились в соавторстве с Ю.Ю.Балегой. В.А. Васюком и А.Ф. Максимовым (САО РАН).
Основные результаты, выносимые автором на защиту.
-
Разработка метода экспоненциальных множителей, обеспечивающего однозначное восстановление астрономических изображений по данным спекл-интерферо-метрических наблюдений.
-
Результаты спекл-интерферометрических наблюдений астероида 4 Веста в оппозицию 1988 года: восстановление изображения с разрешением 0."1 с использованием метода экспоненциальных множителей.
-
Практическая реализация основанного на принципах апертурного синтеза метода построения изображений с помошью пары апертурных масок, установленных на зрачке телескопа.
-
Получение изображений на телескопе с применением системы сегментации зрачка.
Апробация.
Результаты работы были представлены и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
Всесоюзной школе молодых астрономов (Свердловск 1986):
12 и 16 советско-американских микросимпооиумах по планетологии в Институте геохимии и аналитической химии им. Вернадского АН СССР (Москва 1990; 1992):
семинарах Астрономической обсерватории Харьковского университета:
семинаре Специальной астрофизической обсерватории РАН:
конкурсах научных работ Специальной астрофизической обсерватории РАН (1994. 1997).