Введение к работе
Акту_альность_темы.
Данная работа относится к оптической томографии. Целью работы является изучение возможности использования томографических методов для получения пространственного распределения не только яркости или поглощения оптического объекта, но и его спектральных характеристик.
Спектроскопия является мощным средством современной оптики, позволяющим давать ценную информацию о составе и свойствах различных физических объектов. Современные приборы для оптического спектрального анализа обладают высоким спектральным разрешением во всем оптическом диапазоне, однако, с их помощью можно получать спектрограммы лишь точечішх либо одномерных объектов. Существует большое количество объектов, при исследовании которых важно знать пространственное распределение их компонентов, обладающих различными спектральными свойства.
К таким объектам относятся различные виды плазмы, например, плазменные струи, используемые в динамической плазменной обработке материалов. Большой интерес представляет исследование пространственного распределения спектральных, компонент в многочисленных научных и промышленных установках, работающих с другими видами плазмы. Сюда же можно отнести различные вида пламени, образующиеся в результате работы реактивных двигателей, форсунок, горелок и других устройств.
К другим видам плазменных образований, которые широко исследуются спектральными методами, относятся искусственные ио-н^-осферные образования (ИИО). В этих исследованиях пространс-
- 4 -твенное распределение спектральных составляющих свечения ИИО представляет большой интерес.
К атому же классу относится задача спектрального анализа изображений, получаемых при наблюдении из космоса земной поверхности, озоносферы Земли; изображений поверхности Солнца, планет и других объектов. Эти задачи возникают в процессе научных исследований, геологической разведки, экологического мониторинга земной поверхности, контроля озонового слоя, и др.
Наличие столь широкого класса научных и прикладных задач для анализа пространственного распределения спектральных компонент не могло не привести к созданию ряда приборов для такого анализа.
Одним из наиболее простых способов решения данной задачи является введение акустооптического или обычного спектрального фильтра в оптический канал регистрации изображения. Используется такжёпространственное сканирование щелевым спектрографом. Эти приборы, получившие название видеоспектрометров, широко используются для получения спектрозональних изображений земной поверхности из космоса с высоким пространственным и спектральным разрешением. Основные недостатки описанных выше устройств связаны с тем, что в.них используется дискретная регистрация информации об объекте.
Дискретизация съема информации по пространству или по спектру неизбежно приводит к потере информации, ограничениям на время стационарности исследуемого объекта, ухудшению соотношения сигнал/шум.
Избежать этого можно, реализовав томографическую инте-
- 5 -гральную регистрацию, информации об объекте. Можно регистрировать не отдельные сечения х = const и X-const пространственно - спектрального объекта, а его двумерные проекции, несущие в себе интегральную информацию обо всех сечениях трехмерного объекта. Такая томографическая система, реализующая зондирование в пространстве (X, Y, х), может быть названа спектротомо-графом, а данный метод - спектротомографией. Разработка и развитие методов спектротомографии могут послужить основанием для создания нового поколения приборов для спектрального анализ;) протяженных объектов.
Цель_диссертационной_работы.
Целью данной работы явилось исследование и реализация томографических методов для анализа внутренней структуры полихроматических объектов, а также разработка и исследоваїше спектротомографа, использующего локальные алгоритмы томографической реконструкции.
Для этого необходимо было решить следующие задачи:
-
Определить общие характеристики спектротомографических проекций.
-
Разработать схемы сбора спектротомографических проекций.
-
Разработать методы предобработки спектротомографических проекций, позволяющие использовать для восстановления алгоритмы малоракурсной пространственной томографии.
-
Провести экспериментальную проверку метода спектротомографии на тест-объектах.
-
Исследовать особенности различных схем сбора СПТ- проекций.
-
Доказать возмошость проецирования по плоскости в спек-тротомографии.
-
Разработать схемы получения проекций, являющихся интегралами Радона по плоскости.
-
Разработать локальный алгоритм томографического восстановления для спектротомографии.
-
Разработать и исследовать комплекс программного обеспечения для предобработки спектротомографических проекций и последующей реконструкции с помощью локальных томографических алгоритмов.
10. Провести экспериментальную проверку локальной спектро
томографии.
11. Исследовать возможности применения метода локальной
спектротомографии для объектов различной физической природы.
иїчная^ошзна_и_защщаемие_пдложения.
-
Набор спектрограмм протяженного полихроматического объекта, полученных с помощью бесщелеЕого спектрографа с различными величинами дисперсии, представляет собой набор томографических проекций, причем тангенс угла зондирования пропорционален величине линейной дисперсии спектрографа. По такому набору проекций можно провести томографическую реконструкцию пространственно-спектральной структуры исследуемого объекта.
-
Набор спектрограмм двумерного полихроматического объекта, полученных с помощью бесщелевого спектрографа в результате поворота исследуемого объекта относительно оптической оси спектрографа, представляет собой набор томографических проекідий такого объекта, для которых изменение угла зондирования
- 7 -равно углу поворота изображения, и позволяет провести томогра фическое восстановление его пространственно - спектральной структуры.
-
Спектрограмма трехмерного полихроматического объекта, описываемого функцией f(x,y,z,K), по-яученная с помощью бесщелевого спектрографа, является интегралом Радона по плоскости от функции f(x,y,z,x). Причем полярный и азимутальный углы в уравнении плоскости пропорциональны соответственно линейной дисперсии спектрографа и углу пространственного ракурса зондирования .
-
Набор одномерных проекций, полученных как интеграл Радона по плоскости в трехмерном пространстве, позволяет провести томографическую реконструкцию трехмерного объекта с помощью локальных алгоритмов.
П^актическая_ценность_работы.
Разработка и развитие метода спектротомографии могут по-слуэкить основанием для создания нового поколения спектральных приборов, в которых основное внимание уделяется обработке экспериментальных данных, полученных с помощью простых оптических схем.
Проведенные исследования позволили разработать приставку-спектротомограф для существующего комплекта аппаратуры для регистрации ИИО.
Полученные в работе результаты говорят о перспективности применения спектротомографии для исследования плазмы в установках ДПО. В настоящее время ведутся работы по реализации проекта создания такого спектротомографа.
Также представляется актуальным создание автоматизированной установки, включающей в себя спектротомограф, для разметки ювелирных алмазов.
Дальнейшее совершенствование метода четырехмерной спектре-томографии с применением локальных алгоритмов восстановления позволит создать спектротомографы, осуществляющие восстановление пространственно- спектральной структуры исследуемого объекта в реальном времени . Такие приборы могут найти широкое применение .например,для оперативной диагностики различных видов плазмы в научных и промышленных установках , а также других физических объектов.
Анробация_работы
Результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
IV Всесоюзный симпозиум по вычислительной томографии. Ташкент,
1989 г.
14 Всесоюзная научно-техническая конференция "Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекаюших процессов". Москва, 1989 г.
V Всесоюзный симпозиум по вычислительной томографии. Звениго
род, 1991 г.
Международный семинар по авроральной томографии, Швеция, Кируна, 1993 г.
Публикации Основные научные результаты диссертации опубликованы в одидадцати печатных работах, среди которых пять тезисов докладов, пять статей и одна заявка на изобретение.
- 9 -СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Стру_кту_ра_работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 126 страницах текста, содержит 58 рисунков, список литературы содержит 68 наименований.
Во введении указан широкий круг научных и прикладных задач для решения которых необходимо получать пространственное распределение различных спектралышх компонент исследуемых объектов. Проводится обзор существующих методов и приборов, традиционно используемых для этих целей. Анализ этих методов показывает, что основные недостатки этих устройств связаны с тем, что в них используется дискретная регистрация информации об объекте.
Например, реальное двумерное полихроматическое изображение можно представить, как трехмерный пространственно - спектральній объект /( X, У, х ) - где х длина волны оптического излучения, X,Y - пространственные координаты. Сама функция / описывает пространственное распределение яркости свечения или коэффициента поглощения. Тогда устройство с плавной или дис кретной перестройкой полосы пропускания в один момент времени регистрирует изображение /( X, Y, \=const ) - которое является сечением трехмерного объекта. Видеоспектрометр осуществляет пространственную дискретизацию, регистрируя одноврменно сечение /( X, Y=con3t, х ). Дискретизация съема информации по пространству или по спектру неизбежно приводит к потере информации, ограничениям на время стационарности исследуемого объек-
та, ухудшеїшю соотношения сигнал/шум.
Избежать этого можно, реализовав томографическую интегральную регистрацию информации об объекте. Можно регистрировать не отдельные сечения х = const и X=const пространственно - спектрального объекта, а его двумерные проекции, несущие в себе интегральную информацию обо всех сечениях трехмерного объекта. Такая томографическая система, реализующая зондирование в пространстве (X, У, \), может быть названа спектротомо-графом, а данный метод - спектротомографией.
На рис.1 изображена диаграмма, на которой представлены приборы, осуществляющие спектральный анализ протяженных объектов. Величина ах характеризует степень дискретизации по пространству, а дх - по спектру. Видно, что спектротомограф принципиально отличается от существующих приборов тем,, что позволяет осуществлять непрерывную регистрацию по пространственным и спектральным координатам.
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что разработка и создание спектротомографа - прибора, использующего томографические методы для анализа пространственно-спектральной структуры физических объектов, представляется весьма актуальной. Развитие методов спектротомографии могут послужить основанием для создания нового поколения приборов для спектрального анализа протяженных объектов.
