Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В последние десятилетия широкое распространение получили когерентные оптические методы извлечения информации о характеристиках движения, формы и микрорельефа поверхности тел. Эти методы основаны на использовании когерентного освещающего пучка и регистрации рассеянного излучения. В случае движения освещаемого рассеивателя или освещающего пучка образуется динамическая спекл-картина, в которой параметры рассеянного поля представляют собой пространственно-временной случайный процесс. С одной стороны, такая структура рассеянного поля может быть источником помех, так как, являясь шумовым процессом, . искажает изображения, затрудняет измерения параметров исследуемого объекта. С другой стороны, динамическая спекл-картина содержит информацию о характеристиках объектов и может служить для измерения параметров перемещения, вибраций, и т.д.
В связи с этим актуально исследование статистических характеристик динамических спекл-картин с точки зрения возможностей получения информации о характеристиках движения тел, а также с точки зрения изучения шумовых характеристик рассеянного когерентного излучения.
В то время как методы двухэкспозиционной спекл-интерферо-метрии, применяемые для бесконтактного измерения' смещений и деформаций объектов, для анализа вибраций и др. достигли стадии промышленной зрелости, проблемы извлечения информации о характеристиках движения тел из статистических характеристик динамических спекл-картин находятся в стадии изучения. Несмотря на то, что известно несколько способов определения параметров движения тел путем анализа флуктуации интенсивности рассеянного излучения, статистические характеристики динамических спекл-картин изучены недостаточно.
Так. например, данные о спектре флуктуации интенсивности были получены только для случая равномерного движения освещаемого тела Ш. Исследованы корреляционные функции флуктуации интенсивности для равномерного вращения [2,3]. Однако, структура спектра не была исследована.
Для случая сканирования когерентным пучком по шероховатой поверхности неподвижного тела отсутствовали данные о статистических характеристиках рассеянного излучения в зависимости от
- 4 -параметров сканирующего пучка, что не позволяло оптимизировать схемы сканирования при построении изображений.
Характеристики динамических спекл-картин изучались главным образом лишь для равномерного движения или вращения [3]. Случаи движения рассеивателя с переменной по величине скоростью и, в частности, колебательное движение почти не рассматривались. Последнее, очевидно, обусловлено сложностью описания и измерения характеристик нестационарных процессов, каковыми являются сигналы, формируемые при колебательном движении. Тем не менее, исследования таких процессов представляют особый интерес с точки зрения определения параметров вибраций из статистических характеристик рассеянного когерентного излучения.
Подавляющее число известных работ посвящено нормально развитым спекл-картинам, т.е. таким, когда в формировании поля в точке наблюдения участвует множество микрорассеивателей, находящихся в пределах освещенного пятна. Случаи малого числа рассеи-вателей, когда статистика поля отлична от гауссовой, изучены недостаточно [4].
Сказанное определило круг вопросов, рассматриваемых в данной работе.
Целью работы являлось изучение статистических характеристик динамических спекл-картин и анализ их информационных и шумовых свойств в случае периодического движения рассеивателя или освещающего пучка. Программа исследований предусматривала решение следующих задач:
-
Исследование корреляционных свойств и спектра флуктуации интенсивности в динамической спекл-картине при равномерном периодическом движении рассеивающего тела или освещающего пучка.
-
Исследование спектра флуктуации интенсивности при рассеянии когерентного пучка на поверхности тела, совершающего механические колебания в направлении, перпендикулярном направлению освещающего пучка.
-
Исследование шумовых характеристик интенсивности при рассеянии когерентного пучка на поверхности вращающегося диска, определение возможностей формирования случайно модулированного по интенсивности излучения с гауссовой и негауссовой статистикой рассеянного поля.
Поставленные задачи решаются теоретически и экспериментально. В теоретическом рассмотрении в качестве модели освещающего
- 5 -когерентного пучка принят гауссов пучок, который характерен для большинства реальных одномодовых лазеров. Для описания рассеянного когерентного излучения используется принцип Гюйгенса-Френеля. Модель фотоприемного устройства - квадратичный детектор с последующим линейным преобразованием.
Экспериментальные исследования проведены с лазерами непрерывного режима излучения на длинах волн 0.бЗмкм, І.Обмкм, 10. бмкм. Основной объем экспериментов выполнен с использованием одномодовых He-Ne лазеров, поскольку параметры последних достаточно стабильны и хорошо известны.
В качестве рассеивателей использовались пластины из стекла К-8 или плексигласа с одной шлифованной и одной полированной гранями, а также пластины из алюминиевых сплавов, шлифованные либо обработанные пескоструйным методом.
На защиту выносятся следующие положения.
-
Исследование особенностей спектра флуктуации интенсивности когерентного излучения, рассеянного вращающейся шероховатой поверхностью, как в свободном пространстве, так и в плоскости изображения оптической системы.
-
Исследование корреляции и спектра флуктуации рассеянного излучения при сканировании когерентным пучком по шероховатой поверхности в общем случае, когда радиус кривизны волнового фронта не равен расстоянию от источника до рассеивающей плоскости.
-
Метод подавления спекл-флуктуаций в изображении, формируемом при сканировании когерентным пучком.
-
Исследование корреляционной функции и спектра когерентного излучения, рассеянного на колеблющейся в своей плоскости поверхности.
-
Метод измерения параметров вибраций на основе измерения спектра флуктуации интенсивности рассеянного когерентного излучения.
-
Экспериментальное исследование функции плотности вероятности интенсивностей в спекл-картине, образуемой малым числом микрорассеивателей шероховатой поверхности.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые исследована структура спектра флуктуации интенсивности когерентного излучения, рассеянного вращающейся поверхностью как в свободном пространстве, так и в плоскости изображения оптической
- 6 -системы, показано, что спектр имеет линейчатую структуру с расстоянием между компонентами равным частоте вращения тела; исследована зависимость ширины спектра от утла наблюдения и радиуса кривизны волнового фронта освещающего сучка в свободном пространстве.
В работе впервые исследован спектр флуктуации интенсивности рассеянного сканирующего по шероховатой поверхности когерентного пучка в наиболее общем случае, когда радиус кривизны волнового фронта пучка на зондируемой поверхности не равен расстоянию до этой поверхности.
Впервые исследованы корреляция и спектр флуктуации интенсивности когерентного излучения, рассеянного на колеблющейся в своей плоскости шероховатой поверхности для гармонических и сложных механических колебаний.
Впервые экспериментально исследовано распределение интенсивности в спекл-картине, образуемой малым числом рассеива-телей. Показано, что в случае малого числа рассеивателей функция плотности вероятностей интенсивности в спекл-картине неплохо описывается К-распределением.
Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в том, что на основании проведенных исследований предложены новые способы определения частоты вращения или колебания тел, параметров вибраций, (НИЖИ ОЭП получены соответствующие патенты); предложен метод подавления флуктуации в когерентном изображении; предложен и испытан в условиях нагурной атмосферной трассы способ формирования случайно-модулированного по интенсивности излучения.
Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Республиканском научно-практическом семинаре "Голография в промышленности и научных исследованиях" (Гродно, 1989г.), 8-й Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1990г.), 6-й Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990г.), 14-й Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991г.), Международной конференции "Нетрадиционные и лазерные технологии" (Москва, 1992г.).
Основное содержание диссертации отражено в 9-ти статьях, по теме получено два патента и положительное решение по заявке.
Личный вклад автора. При непосредственном участии автора
определены пути решения задач исследования, проведен теоретический анализ, дана физическая интерпретация полученных результатов, разработаны новые способы измерения частоты вращения и параметров механических вибраций тел, способ шумовой модуляции интенсивности лазерного излучения.
Непосредственно автором разработана методика экспериментальных исследований, проведены экспериментальные измерения, позволившие получить новые результаты.
Участие руководителя при постановке работы, в разработке теоретических моделей и анализе результатов, а также одного из сотрудников лаборатории в проведении измерений отражено в совместных публикациях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитированной литературы. Изложена на 132 машинописных страницах, включая 22 рисунка и список литературы, содержащий 97 наименований.
