Оптоинформационный метод субдифракционных угловых измерений

 Борейшо А.С., Савин А.В., Страхов С.Ю., Ершов А.Г., Суханов Г.А., Джгамадзе Г.Т., Сотникова Н.В. Оптоинформационный метод субдифракционных угловых измерений // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 12. С. 13–23. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-13-23

Boreisho A.S., Savin A.V., Strakhov S.Yu., Ershov A.G., Sukhanov G.A., Jgamadze G.T., Sotnikova N.V. Optoinformation method of subdiffraction angular measurements [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 12. P. 13–23. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-12-13-23

Предмет исследования. Оптико-информационный метод измерения углов между лазерным лучом и нормалью к плоской поверхности с погрешностью порядка 1% дифракционного предела и менее. Цель работы. Установление достижимых метрологических характеристик оптико-информационного метода субдифракционных угловых измерений и их зависимости от объёма обрабатываемых изображений, от пространственного разрешения, дискретизации по уровню сигнала и от соотношения сигнал/шум. Метод. Математическое моделирование интерференционных картин и макетирование алгоритма их обработки. Численное и аналитическое решение уравнений, определяющих угловые отклонения лазерных пучков. Результаты. В работе предлагается метод измерения углового положения лазерного пучка относительно нормали к плоской поверхности, в принципе обеспечивающий погрешность на уровне 1/10–1/100 дифракционного предела. Метод основан на применении специальных алгоритмов математической обработки массива двумерных интерференционных картин, создаваемых интерферометром Майкельсона с подвижным уголковым отражателем. Такая оптическая схема не требует больших продольных размеров, как в автоколлимационном методе, и в принципе нечувствительна к вибрации. Предлагаемый метод по сути является оптоинформационным, поскольку для его реализации необходимы массивные вычисления, основанные на математической модели процесса измерения. Описано схемное решение и алгоритм обработки данных. Приведены результаты численного моделирования процесса измерений. Показано, что за счёт математической обработки массива интерференционных картин, создаваемых интерферометром Майкельсона с уголковым отражателем при модуляции разности хода, возможно измерение углов отклонения пучков с погрешностью, существенно меньшей дифракционного предела. Описан адаптивный алгоритм обработки данных. Построена математическая и численная модель процесса измерений. Проведено численное моделирование процесса измерений. Установлены основные количественные параметры, характеризующие метрологические свойства и возможности метода. Так, установлено, что для лазерного пучка с 1/e2-диаметром 2 мм и длиной волны 0,63 мкм минимальный измеряемый угол отклонения пучка от номинального положения оценивается величиной 1/2 угловых секунды. Показано, что алгоритм работает даже для сильно зашумлённых данных и даёт ощутимый выигрыш в точности даже при невысоком пространственном разрешении изображений. Эффект достигается за счёт увеличения количества обрабатываемых интерференционных картин и соответствующего уменьшения полосы пропускания измерительной системы. Практическая значимость. Полученные в работе соотношения позволяют разработать практическую реализацию субдифракционного измерителя углов и соответствующую методику измерений.

работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (НИР «Разработка и исследование методов управления группами автономных беспилотных летательных аппаратов на основе перспективных систем информационного обеспечения и взаимодействия между отдельными аппаратами в группе», FZWF-2024-0002)