Введение к работе
Актуальность работы. Разработка методов минимизации погрешности схемы измерений координат пятен гартманограммы в датчике волнового фронта является частью крупной научно-технической проблемы достижения потенциальной точности оценки мгновенных состояний волнового фронта, прошедшего через турбулентную атмосферу.
Актуальность работы обусловлена потребностью практики астрономических наблюдений в получении изображений звезд дифракционного качества и предельной звездной величины, определяемых главным зеркалом телескопа. В наземных оптических телескопах качество изображения ограничено искажениями волнового фронта, вносимыми атмосферой.
Потенциальная точность оценки волнового фронта определяется погрешностью, вносимой элементами измерительной системы-датчика волнового фронта. Структура датчика волнового фронта включает; анализатор и систему обработки, формирующую в реальном масштабе времени оценки измерения координат пятен гартманограммы. В работе рассматривается динамический метод Гартмана, реализованный по схеме Гартмана-Шака. При измерениях по этому методу точность оценки искажений волнового фронта полностью определяется точностью измерений пятен гартманограммы.
Случайных характер фазовых искажений волнового фронта позволяет описать флуктуации пятен гартманограммы в плоскости фотоприемника как случайный процесс, характеристики которого определяются измерительной системой в процессе обучения. Актуальной задачей при анализе случайного процесса флуктуации пятен гартманограммы является разработка адаптивных методов минимизации ошибки измерения координат путем нахождения компромисса между шумовыми и динамическими ее составляющими.
Повышение точности оценки искажений волнового фронта актуально как для анализа атмосферных искажений, так и для задач адаптивной оптики.
Целью работы является разработка методов уменьшения ошибок измерения координат пятен гартманограммы разными путями, в первую очередь:
1. Согласованием спектральной характеристики оптического тракта со
спектром опорной звезды и спектральной и свет-сигнальной
характеристиками фотоприемника.
2. Согласованием пространственно-временной дискретизации в
оптико-электронном тракте с яркостью опорной звезды и с динамикой
флуктуации волнового фронта.
Методы исследования. Теоретические исследования оснозапы на теории оценивания в части статистического синтеза по критерию минимума среднеквадратической ошибки при ряде ограничений.
При экспериментальных исследованиях использовался метод статистических испытаний.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Осуществлена совместная оптимизация пространственно-
временной дискретизации волнового фронта по критерию минимума
среднеквадратической ошибки.
-
Выявлена взаимосвязь между временными и пространственными параметрами дискретизации волнового фронта. Выявлена зависимость оптимальной пространственной дискретизации не только от пространственных параметров волнового фронта, но и от временных, а также зависимость оптимальной кадровой частоты не только от временных параметров, но и от пространствешшх.
-
Показано, что при оптимальном интервале дискретизации, значение скоростного смаза должно быть равно размеру пятна гартманограммы,
деленному на отношение сигнал/шум в сигнальном пятне, т.е. должно быть много меньше элемента разложения.
4. Осуществлена оптимизация ширины спектрального диапазона по
критерию минимума среднеквадратической ошибки при ограниченном
динамическом диапазоне фотоприемника.
5. При оптимальной ширине спектрального диапазона
среднеквадратическая ошибка оценки координат зависит от освещешюсти в
гоггае гартманограммы.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Для повышения точности оценивания координат центров тяжести пятен гартманограммы следует совместно оптимизігоовать параметры пространственно-времетюй дискретизации волнового фронта диафрагмой Гартмана-Шака и временной (покадровой) дискретизации в телевизионной измерительной системе на матричном фотоириемнике.
-
Оптимальное число парциальных пучков зависит не только от пространственных параметров волнового фронта, но и от временных, а оптимальное время кадра зависит не только от временных параметров волнового фронта, но и от пространственных.
-
При оптимальной по критерию минимума среднеквадратической ошибки дискретизации волігового фронта, значение скоростного смаза должно быть равно размеру пятна гартманограммы, деленному на отношение сигнал/шум в сигнальном пятне, т.е. должно быть много меньше элемента разложения.
-
Оптимальный спектральный диапазон при оценке координат пятен гартманограммы должен вычисляться исходя из спектральных характеристик сигнала и фотоприемника, а также с учетом ограниченного динамического диапазона фотоприемника.
Практическая ценность работы.
1.Совместная оптимизация пространственной и временной
дискретизации по критерию минимума среднеквадратической ошибки позволила достичь выигрыша в точности определения координат гартманограммы до 4 раз .
2.Для выбранной ширины полосы пропускания фильтра достигнуто двукратное уменьшение среднеквадратического радиуса сигнального пятна и среднеквадратического значения ошибки измерения координат пятен гартманограммы.
3.Разработана методика адаптации параметров телевизионной измерительной системы к яркости и спектральному классу звезды-ориентира и оцененным на этапе обучения параметрам атмосферных искажений волнового фронта.
Личный вклад автора. Диссертация написана по результатам теоретических исследований и работ по созданию комплекта телевизионного оборудования астрономического применения, выполненных лично автором или при его непосредственном участии. Автором выполнены исследования, определившие защищаемые положения в части разработки метода оптимальной спектральной фильтрации по критерию минимума среднеквадратической ошибки и проведены экспериментальные работы по анализу эффективности применешія данного метода. Разработана методика расчета зависимости скоростного смаза от отношенит сигнал/шум. Е соавторстве получены зависимости оптимального числа линз в диафрагме Гартмана-Шака и оптимального числа кадров телевизиошюй измерительной системы.
Реализация результатов работы
Материалы диссертации использованы при разработке комплекта телевизионного оборудования астрономического применения «Рапид», изготовленного по заказу Института Астрономии UNAM (Мексика), о чем имеется акт внедрения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
И Научно-технической конференции профессорско-
преподавательского состава СПбГЭТУ (ЛЭТИ) - Санкт-Петербург, 24-5 февраля 2000 г.
Н 55-ой Научно-технической конференции СПбГЭТУ (ЛЭТИ) - Санкт-Петербург, апрель 2000г.
Н Международной конференции «Телевидение : передача и обработка изображений», Санкт-Петербург, 20-22 июня 2000г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работая состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Работа содержит 102 страницы, включая 12 таблиц и 18 рисунков; список использованных источников содержит 81 наименование.
