Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. - Оптическая томография (1989)

УДК 681.327.12.001.362:535 Левин Г. Г., Вишняков Г. Н. Оптическая томография. — Мл Радио и связ 1989. — 224 с..' ил. — 15ВХ 5-256-00362-3, Тол~ография — это новый метод внутривиденпя, позволяющий получатт высококачественныс изображения скрытых структур трехмерных объектов. Зо~ дпрование объекта оптическим излучением позволило расширить область пр мепспия томографпческих прнципов на исследование пространственного распр делешгя показателя преломлсния, коэффициентов поглощения, экстпнкци и т, д.

Класс объектов и процессов, которые исследуются с помощью оптичсског зондирования, как правило лазерного, чрсзвычайно широк. К ним относнтсс плазма, газо- и гидродинамические потоки, стеиловоло«па, процессы горени взрыва и т. д. В книге рассматриваются особенности использования оттического излучспи для получения томограмм. Описываются методы и устройства для получснп проскционных данных: интерференциопные, голографичсс«ие, поляризацнончы и т. п. Ппиводятся методы обработки проекций, как цифровые, так и а алог вые, а также различныс схемы оптических процессоров для восстановленп томограмм. Анализируются томографические системы с преобразованием волпг ного фронта. сочетающие в себс оптичссхие системы сбора и обработки инфо мании о проекциях. Описывается применение топографических принципов для получения и о работки изображений.

Рассматриваются вопросы использования преобразовапп Радона для анализа многомерных сигналов. Развиваются принципы постпоени голографических томографов для объемного отображсния скрытых структу Для научных работников, занимающихся разработкой опгичсских мгтодо измерений и приборов, их реализующих, а также для специалистов, применя щих томографию в различных областях науки и техники.

Табл. 2. Ил. 80. Библиогр. 160 назв, Рецензенты: Н. Н. Троицкий, А. А. Кегкович Редакция литературы но информатике н вычислитеяьной технике Л 2403000000-142 040(01)-39 1ЗВ515-256-00362-3 Издательство «Радио и связь», !98 ПРЕДИСЛОВИЕ Возможность применения томографии в различных областях науки и техники привлекла к ией внимание широкого круга исследователей, что способствовало достаточно быстрому ее развитию как самостоятельной науки.

Количество публикаций, посвященных решению различных задач как научного, так и методического характера, непрерывно растет. При этом помимо статей и обзоров и у нас в стране, и за рубежом появляются книги, посвященные различным направлениям томографии. Однако в них в основном рассмотрена томография рентгеновского диапазона, имеющая свою специфику как с точки зрения взаимодействия проникающего излучения с веществом, так и с точки зрения информационного анализа. В настоящей книге рассматриваются вопросы, связанные с особенностями использования оптического излучения для получения томограмм, Зондирование объекта оптическим излучением позволяет распространить томографические принципы на исследование оптических характеристик внутренней структуры объекта.

Так, например, в последние годы томографические методы нашли широкое применение для оптической диагностики плазмы стекловолокна, газо- и гидродинамических потоков, явлений тепло- и массообмена и т, д. В то же время, несмотря на интересные результаты, полученные при этом, оптические томографы как у нас, так и за рубежом по-прежнему не выходят за рамки редких лабораторных макетов.

На наш взгляд, причина этого кроется в самих принципах построения томографических систем оптического диапазона. Известные томографические системы, в том числе использующие оптическое излучение в качестве зондирующего, построены на последовательном выполнении обоих этапов томографического анализа объектов: они требуют регистрации прошедшего или эмиссионного излучения и последующей его обработки в процессоре. Подобное двухэтапное восстановление снижает ценность получаемой информации, так как возникает разрыв во времени между регистрацией проекций и визуализацией требуемого изображения. Это особенно существенно сказывается при анализе быстРопротекающих процессов, Так, при диагностике плазмы на эмиссионном томографе регистрируется до 1000 наборов проекций ежесекундно, причем это число может быть увеличено при использовании более высокоскоростных регистраторов, а время полной обработки одного кадра на ЭВМ (с учетом ввода и коррекции 3 искажений различных каналов) составляет — 1 мнн.

Аналогичные проблемы возникают при исследовании турбулентности в газо- н гидродинамических потоках методом голографической интерферометрии реального времени, экспресс-анализе стекловолокна и т. д. Преодоление указанных трудностей оказалось возможным в рамках такого подхода к решению задачи получения количественных данных в оптико-физических измерениях, при котором ряд необходимых математических операций осуществлялся над волновыч фронтом непосредственно в процессе исследования.

Ряд разделов книги посвящен аналиву томографических систем с преобразованием волнового фронта, позволяющих производить прямые измерения распределений показателей преломления либо ослабления в сечении объекта, что представляется нам важным н актуальным, так как позволит сократить время обработки и расширить область применения томографических методов. Но этим не ограничивается круг задач, связанных с оптической томографией.

Другой важной задачей оптической томографии, рассмотренной в книге, является построение оптических вычислительных машин, позволяющих восстанавливать томограммы по результатам зондирования оптическим нли неопгическнм излучением. Такие оптические процессоры, более быстродействующие и экономичные, позволяют решить задачу автоматизации томографических исследований для различных видов проникающего излучения (рентгеновского, звукового (УЗВ), СВЧ н т, д ) Это дает возможность широко внедрить методы томографии в народное хозяйство, что существенно повысит возможности контроля качества самой различной продукции.

Так, применение рентгеновских и УЗВ-томографов в сочетании с оптическим процессором позволит автоматизировать процесс поиска скрытых дефектов в крупных отливках (корпуса котлов, трубы большого диаметра и т. д.). Трудно даже перечислить все многообразие объектов исследования (от тысячетонных стальных конструкций до сыра), оперативный контроль которых томографическими методами позволит повысить их качество. Третьим важным направлением оптической томографии, которое также рассмотрено в книге, является применение томографических принципов для получения и обработки изображений, Основное внимание при этом мы будем уделять связи голографического и томографнческого отображений информации. Привлечение голографических принципов в томографическне исследования позволяет анализировать задачу получения трехмерного изображения внутренней структуры объекта, т.

е. строить так называемый голографический томограф. Вопросы применения преобразования Радона для анализа многомерных сигналов, соответствующие алгоритмы обработки и оптико-электронные схемы, их реализующие, мы рассмотрим лишь кратко, 4 Решению очерченного круга задач оптической томографии посвящена наша книга. В основном мы будем опираться на результаты собственных исследований, полученные за последние десять лет в области томографии оптического диапазона.

Авторы благодарят В. В. Пикалова за любезное предоставление некоторых расчетных материалов. А — амплитуда световой волны Š— комплексная амплитуда световой волны г(и, о, щ) — пространственный спектр объекта Г(х, у, х) — пространственное распределение искомой физической величины в объекте — одномерная проекция — спектр одномерной проекции Ь: ф) )(ан ф) )(у: к) 6 )т 1 К, а л Аг Р % )с( 1 5(и, о, щ) 5(х, у,,х) Х, У, 2 Е, р Х оо о, Ф(х, у; В,ф) Ф (и, о; й, |р) Ф(х, у; Е, р) зр ( ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ вЂ” «фильтрованная» одномернай проекция — восстанав тивающий частотный фильтр — искалщющий фильтр пространственных частот — интенсивность световой волны — коэффициент поглощения — показатель преломления — яисло ракурсов зондирования — параметры нормального уравнения прямой — оператор преобразования Радона — спектр суммарно~о изображении — суммарное изображение — частотные координаты — пространственные координаты — коэффициент эмиссии — полярный и азимутальньгй углы — длина волны излучения — полное сечение рассеяния, коэффициент экстинкции — дифференциальное сечение рассеяния — двумерная планарная проекция — спектр двумерной планарной проекции — «фильтрованнаяэ двумерная планарная проекция — оператор преобразования Фурье ВВЕДЕНИЕ В.1.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В настоящее время известно большое количество методов измерений, достаточно полно и достоверно описывающих исследуемые объекты и процессы. Однако возрастающие требования к ускорению научно-технического прогресса, повышению эффективности научных исследований приводят к необходимости разработки новых методов и средств измерений.