Лазерно отдалечаване, доплер изображения и синтез на бленда

Ъгловата разделителна способност е най-важната характеристика на всяка телескопична система. Оптиката твърди, че тази резолюция е уникално свързана с дължината на вълната, при която се извършва наблюдението, и с диаметъра на входния отвор на телескопа. Известно е, че големите диаметри са голям проблем. Едва ли някога ще бъде построен телескоп, по-голям от този.
Един от начините за значително увеличаване на разделителната способност е методът за синтезиране на големи и свръх големи отвори, използвани в радиоастрономията и радарите. В милиметровия диапазон се обещава да бъде оформен най-големият отвор - 14 км - с 66 антени от проекта ALMA в Чили.

синтез

Прехвърлянето на методите за синтез на апертура в оптичния регион, където дължините на вълните са с няколко порядъка по-малки от тези на радарите, е свързано с развитието на технологията за лазерно хетеродиниране.

1. Физическа основа на изображенията.

Не би било погрешно да се каже, че изображението във всяко оптично устройство се формира от дифракцията на светлината на входния отвор и нищо друго. Нека да разгледаме изображението на обекта от центъра на блендата. Ъгловото разпределение на яркостта на изображението на безкрайно отдалечен точков източник на светлина (както всъщност и всеки друг) ще бъде еднакво за обектив и камера с отвори с равен диаметър. Разликата между лещата и обскурата се крие само във факта, че лещата прехвърля изображението, образувано от апертурата му, от безкрайността към фокалната си равнина. Или, с други думи, той извършва фазова трансформация на входната равнина на вълновия фронт в сферично сближаваща се. За отдалечен точков източник и кръгла бленда изображението е добре познатият модел на пръстена Airy.

лазерно

Ъгловият размер на диска Airy може по принцип да бъде намален и, като че ли, разделителната способност може да бъде увеличена (според критерия на Релей), ако диафрагмата е диафрагмена по специален начин. Има такова разпределение на предаването по радиуса, при което централният диск теоретично може да бъде произволно малък. В този случай обаче светлинната енергия се преразпределя върху пръстените и контрастът на сложното изображение пада до нула.

От математическа гледна точка процедурата за формиране на дифракционно изображение се свежда до двумерно преобразуване на Фурие на входното светлинно поле (в скаларното приближение полето се описва чрез сложна функция от координати и време). Всяко изображение, записано от окото, екрана, матрицата или друг квадратичен по интензитет приемник, не е нищо повече от двуизмерен амплитуден спектър на светлинното поле с ограничен отвор, излъчвано от обекта. Лесно е да получите една и съща Airy картина, ако вземете квадратна матрица от едни и същи комплексни числа (имитираща равнинен фронт на вълната от отдалечена точка), "изрежете" от нея кръгла "апертура", нулирайки краищата и извършите Фурие преобразуване на цялата матрица.

Накратко, ако по някакъв начин напишете полето (синтезирате апертурата) на достатъчно голяма площ, без да губите амплитуда и фазова информация, тогава за да получите изображение, можете да направите без гигантски огледала на съвременни телескопи и мегапикселови матрици, просто като изчислите Фурие преобразуване на получения масив от данни.

2. Местоположение на сателитите и супер-резолюция.

Ще наблюдаваме стабилизиран обект, движещ се през зрителната линия, осветена от непрекъснат кохерентен лазерен източник. Отразеното от него лъчение се регистрира от хетеродин фотодетектор с малка апертура. Записването на сигнала по време на t е еквивалентно на реализиране на едномерна апертура с дължина vt, където v е тангенциалната скорост на обекта. Лесно е да се оцени потенциалната резолюция на такъв метод. Нека да разгледаме околоземния спътник с горно удължение, летящ на височина 500 км със скорост 8 км/сек. За 0,1 секунди от записа на сигнала получаваме „едномерен телескоп“ с размер 800 метра, теоретично способен да изследва сателитни детайли във видимия диапазон от част от милиметъра. Не е лошо за това разстояние.

Разбира се, отразеният сигнал на такива разстояния е отслабен с много порядъци. Приемането на хетеродин (кохерентно смесване с референтно лъчение) до голяма степен компенсира това затихване. Всъщност, както е известно, изходният фототок на приемника в този случай е пропорционален на произведението на амплитудите на еталонното излъчване и входящия сигнал. Ще увеличим частта от еталонното излъчване и по този начин ще усилим целия сигнал.