Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
5.1. Области практического использования систем оптической обработки информации
5.1.1. Ещё одним из направлений, обеспечивающим развитие инновационной модели экономики и переход на шестой уровень технологического уклада, является, как показано в разделе 1, применение оптоэлектроники в качестве нового «ядра» информационных технологий. При этом расширение возможностей радиотехнических систем может быть обеспечено путём использования в них оптических систем обработки информации, являющихся составной частью комплексной оптоэлектронной системы обработки информации или высокопроизводительного устройства, включающих как электронные, так и оптические компоненты [5.1, 5.2]. Областями практического использования систем оптической обработки информации являются [5.3]:
– устройства выделения слабых сигналов на фоне пассивных и активных помех;
– радиолокационные станции с синтезированной апертурой;
– мобильные системы распознавания и обработки изображени;
– бортовые системы ориентации и наведения в военной технике;
– высокопроизводительные вычислительные машины;
– метрология;
– робототехника;
– неразрушающий контроль.
В настоящее время расширяются области применения оптикоэлектронных методов и средств (фотоники) в антенной технике для сверхширокополосной и сверхширокоимпульсной радиолокации [5.4]. Причём использование фотоники радикальным образом изменяет не только архитектуру радаров, но и принципы построения их основных функциональных устройств и элементов.
Оптоэлектронные методы и средства в антенной технике применяются для формирования диаграммы направленности и её азимутально-угломестного сканирования в режиме реального масштаба времени [5.4]. Формирование и управление диаграммой направленности при этом осуществляется с помощью быстродействующих фотоэлектронных контроллеров. В качестве их достоинств необходимо отметить унификацию функциональных узлов и возможность применения интегрально-оптических технологий для изготовления матриц полупроводниковых лазеров, электрооптических модуляторов, фотоприёмников, фазовращателей, а также интегральных сборок широкополосных микроволновых усилителей. В работе [5.4] также отмечается, что специальные фотоэлектронные контроллеры позволяют синтезировать в реальном масштабе времени необходимые волновые формы излучаемых импульсных сигналов, которые согласованы с приёмной и передающей антеннами. Это исключает проявление антенной дисторсии, т.е. дисперсионного расширения импульса. Кроме того, использование интегрально-оптических технологий при производстве основных функциональных узлов обеспечивается надёжность работы всей системы в целом. Эффект фотоиндуцированного микроволнового излучения, создаваемого специальными легированными плёнками при их облучении мощными оптическими импульсами, может быть использован при построении малогабаритного облучателя зеркальных антенн.
Среди основных достоинств систем оптической обработки информации выделяют большую информационную ёмкость, многоканальность, высокое быстродействие, многофункциональность.
5.1.2. Общая структурная схема оптических систем обработки информации приведена на рис. 5.1 из [5.3]. В зависимости от типа источника света оптические системы обработки информации подразделяются на системы с применением некогерентных (светодиоды, лампы накаливания, газоразрядные источники) и когерентных (лазеры) источников света.
Следует отметить, что в последнее время когерентные оптические методы приобрели широкое распространение. Это обусловлено несколькими причинами. Во-первых, голограммы, используемые в качестве источника информации в данных системах, обладают информационной ёмкостью, избыточностью и помехоустойчивостью. Во-вторых, голография позволяет создавать новые типы оптических элементов и систем, имеющих такие функциональные характеристики, которые трудно, а в ряде случаев и невозможно, реализовать с помощью традиционной оптики. К ним относятся [5.3]: голографические дифракционные решетки, отличающиеся от обычных более низким уровнем светорассеяния, голограммные линзы, обладающие изображающими свойствами бесконечно тонких линзовых компонентов, спектрально-селективные элементы для проецирования информации в поле зрения оператора, формирователи точных волновых фронтов, зеркала телескопов, несущие на своей поверхности голограммную структуру и обладающие за счет этого двумя эффективными центрами кривизны и т.д.
Рис. 5.1. Общая структурная схема оптических систем обработки информации: 1 – источник света; 2 – источник информации; 3 – устройство ввода информации; 4 – оптический процессор; 5 – устройство памяти; 6 – устройство вывода информации; 7 – компьютер; 8 – устройство отображения информации
5.1.3. В качестве элементов оптических информационных систем могут применяться статические пропускающие решётки, преобразующие излучение в режиме дифракции Брэгга [5.3, 5.4]. Такие дифракционные решётки изготавливаются методами голографии в различных регистрирующих средах (галоидосеребряные фотоэмульсии, фотополимеры, фоторефрактивные кристаллы, фотохромные материалы и др.) [5.5–5.15]. Голограммные фильтры и преобразователи сложных световых волн изготавливаются на основе как плоских, так и объёмных пропускающих дифракционных решеток (фокусирующие голограммные оптические элементы, спектральные и поляризационные светоделители, мультиплексоры и др.). При интерференции распространяющихся навстречу друг другу когерентных световых волн одинаковой частоты в области наложения пучков образуется объёмная интерференционная картина, которая может быть зарегистрирована, например, в результате экспозиции объёмной фотоэмульсии. При химической обработке и отбеливании такого фотоматериала изготавливается фазовый оптический транспарант-голограмма, применяемый для заданного преобразования структуры (формы волнового фронта) световой волны.
Для осуществления оптической пространственной фильтрации поступаемых сигналов может быть использована пространственная фильтрация. При этом она базируется на использовании различных амплитудных, фазовых или амплитудно-фазовых оптических фильтров (светофильтров, фазовых пластинок, диафрагм, голограмм и др.), размещаемых в области локализации фурье-спектра передаваемого через оптическую систему изображения. В результате двумерный фурье-спектр передаваемых сигналов изменяется заданным образом, что и обуславливает требуемое изменение формы сигналов на выходе оптической системы.
Рис. 5.2. Схема оптической пространственной фильтрации
Простейший пространственный фильтр для обработки изображений содержит две линзы с совмещенной задней (для первой линзы) и передней (для второй линзы) фокальными плоскостями, и фильтр-транспарант, расположенный в плоскости совмещения P2, как показано на рис. 5.2 из [5.3]. Особенностью функционирования данной системы является вопрос пространственного расположения плоскости фоточувствительных элементов относительно оптических осей интерферирующих когерентных световых потоков, направления которых могут измениться в процессе функционирования или настройки преобразователя [5.8–5.15].
Необходимыми условиями практического использования метода голографической интерферометрии для решения задачи обеспечения высоких характеристик является исследование влияния взаимного пространственного расположения отдельных конструктивных элементов в оптических схемах преобразователей на параметры интерферограммы, формируемой голографическим интерферометром, и детальный анализ этих параметров.