• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Пути максимального извлечения информации из изображений астрономического объекта

Рубрика: 
СТАТИЧЕСКАЯ РАДИОФИЗИКА
Корниенко, ЮВ, Скуратовский, СИ
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
ss_snake@urk.net
https://doi.org/10.15407/rej2018.04.037
Язык: русский
Аннотация: 

Предмет и цель работы. Информация, получаемая в результате физического эксперимента, обычно оказывается частично разрушенной воздействием различных шумовых факторов. Природа этих факторов зависит от условий эксперимента, однако подход к преодолению их влияния во многих случаях оказывается весьма сходным. Исследования, проводимые в группе обработки изображений ИРЭ НАНУ в последние десять лет, были направлены на поиск методов максимального извлечения информации из астрономических наблюдений и космических экспериментов. Исследования велись в нескольких направлениях. При наблюдении с поверхности Земли задачей было преодоление атмосферных фазовых искажений и синтез антенных конфигураций для телескопов и интерферометров в различных участках электромагнитного спектра. При космических наблюдениях ставился вопрос об оптимальной интерпретации их результатов, в частности, получении рельефа поверхности планет и обработке изображений с эффектом гравитационного линзирования.

Методы и методология. Общей чертой разработанных методов является статистический подход, т. е. применение математической статистики и теории оптимальных статистических решений. Данная работа раскрывает как общие черты его использования, так и специфику получаемых решений в случае конкретных задач обработки астрономических изображений.

Результаты работы. В результатом проведенных исследований были разработаны следующие методы: метод накопления полных фаз фурье-компонент для подавления атмосферного фазового шума; метод оптимальной оценки интенсивности точечного источника при наблюдении его сквозь гравитационное поле удаленной галактики; метод учета альтиметрической информации при фотоклинометрическом определении рельефа поверхности планеты;
а также ряд методов синтеза антенных конфигураций для телескопов и интерферометров.

Заключение. Статистический подход к обработке экспериментальных данных позволил использовать информацию, содержащуюся в серии изображений астрономического объекта, для реконструкции единственного, более точного его изображения. Благодаря ему стало возможным оптимальным образом объединить информацию, содержащуюся в изображениях поверхности и альтиметрических данных, для получения рельефа поверхности с высоким разрешением и привязкой к реальным значениям высоты. При работе с гравитационными миражами стало возможным отделение наблюдаемого источника от фона. Результаты демонстрируют, что баесовский статистический подход является мощным инструментом в руках исследователя.
Ключевые слова: антенные решетки, астрономические изображения, накопление фаз, рельеф поверхности, статистический подход, фотоклинометрия

Статья поступила в редакцию 27.09.2018
PACS: 42.30.Va:95.75.Pq
УДК 52-12:535.39
Radiofiz. elektron. 2018, 23(4): 37-54

Полный текст (PDF)

References: 
  1. Laplace P. S. Memoire sur la probabilité des causes par les événements. Oeuvres Complètes. Vol. 8. Paris: Gauthier-villars, 1891. P. 27–65.
  2. Legendre A. M. Nouvelles methodes pour la determination des orbites des cometes. Second supplement. Paris, 1820. P. 79–80.
  3. Гаусс К. Ф. Теория движения небесных тел, вращающихся вокруг Солнца по коническим сечениям. Избранные геодезические сочинения. Под общ. ред. С. Г. Сударова. Пер. с лат. и нем.Н. Ф. Булаевского. М.: Изд-во геодезической лит., 1957. Т. 1. С. 104.
  4. Gauss C. F. Werke. Vol. 8. Göttingen, 1900. S. 116–147.
  5. Вальд А. Статистические решающие функции. Позиционные игры. М.: Наука, 1967. С. 300–522.
  6. Де Гроот М. Оптимальные статистические решения. Пер. с англ. А. Л. Рухина. М.: Мир, 1974. 491 с.
  7. Усиков А. Я., Акимов Л. А., Бабичев А. А., Бугаенко Л. А., Бугаенко О. И., Дзюбенко М. И., Дудинов В. Н., Егоров А. Д., Еремка В. Д., Корниенко Ю. В., Кругов В. Д., Нестриженко Ю. А., Парусимов В. Г., Старунов Н. Г. Светолокация поверхности луны с помощью рубинового лазера. Радиофизика и электрон.: cб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2004. Т. 9, спец. вып. С. 10–41.
  8. Корниенко Ю. В. Оптимальный прием сигнала при светолокации астрономического объекта. Успехи современной радиоэлектроники. 2004. № 1. С. 39–45.
  9. Колмогоров А. Н. Основные понятия теории вероятности. М.-Л.: ОНТИ, 1936. 80 с.
  10. Колмогоров А. Н. Локальная структура турбулентности в несжимаемой жидкости при очень больших числах Рейнольдса. Докл. АН СССР. 1941. Т. 30, № 4. С. 299–303.
  11. Колмогоров А. Н. Рассеяние энергии при локально изотропной турбулентности. Докл. АН СССР. 1941. Т. 32, № 1. С. 19–21.
  12. Labeyrie A. Attainment of diffraction limited resolution in large telescopes by fourier analysing speckle patterns in star images. Astron. Astrophys. 1970. Vol. 6, N 1. P. 85–87.
  13. Fienup J. R. Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform. Opt. Lett. 1978. Vol. 3, Iss. 1. P. 27–29. DOI:https://doi.org/10.1364/OL.3.000027
  14. Корниенко Ю. В. О возможности восстановления изображения слабого объекта, искаженного влиянием земной атмосферы. Докл. АН УССР. Сер. А. 1977. № 10. С. 931–933.
  15. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. О реконструкции изображения объекта по модулю его фурье-образа. Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2008. Т. 13, № 1. С. 130–141.
  16. Содин Л. Г. О возможности достижения дифракционного предела разрешения при работе телескопа в турбулентной атмосфере. Письма в астрономический журн. 1976. Т. 2. С. 554–558.
  17. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. О реконструкции неискаженного изображения объекта по серии его изображений, искаженных средой со случайными неоднородностями показателя преломления. Доп. НАН України. 2010. № 2. С. 83–89.
  18. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Накопление фаз фурье-компонент при наблюдении сквозь турбулентную атмосферу. I. Кинематика и физика небесных тел. 2011. Т. 27, № 6. С. 52–63.
  19. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Накопление фаз фурье-компонент при наблюдении сквозь турбулентную атмосферу II. Кинематика и физика небесных тел. 2012. Т. 28, № 2. С. 45–58.
  20. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Механизм разрушения информации при наблюдении сквозь неоднородную среду. Радиофизика и радиоастрономия. 2012. Т. 17, № 1. С. 39–48.
  21. Fizeau M. H. Recherches sur les modifications que subit la vitesse de la lumiere dans le verre et plusieurs autres corps solides sous l'influence de la chaleur. Annales de chimie et de physique. 1862. Vol. 66. P. 429–482.
  22. Michelson A. A. On the application of interference methods to astronomical measurements. Philosophical magazine. Ser. 5. 1890. Vol. 30, Iss. 182. P. 1–21.
  23. Корниенко Ю. В., Уваров В. Н. Накопление сигнала при наблюдении астрономического объекта сквозь турбулентную атмосферу. Докл. АН УССР. Сер. А. 1987. № 4. С. 60–63.
  24. Roddier F. Redundant versus nonredundant beam recombination in an aperture synthesis with coherent optical arrays. J. Opt. Soc. Am. A. 1987. Vol. 4, N 8. P. 1396–1401. DOI:https://doi.org/10.1364/JOSAA.4.001396
  25. Rhodes W. Т., Goodman J. W. Interferometric technique for recording and restoring images by unknown aberration. J. Opt. Soc. Am. 1973. Vol. 63, N 6. P. 647–657. DOI:https://doi.org/10.1364/JOSA.63.000647
  26. Уваров В. Н. О возможности получения изображений с диффракционным разрешением при наблюдении сквозь неоднородную среду. Докл. АН УССР. Сер. А. 1979. № 10. С. 839–841.
  27. Kopilovich L. E. Construction of non-redundant masks over square grids using difference sets. Opt. Commun. 1988. Vol. 68, N 1. P. 7‑10. DOI:https://doi.org/10.1016/ 0030-4018(88)90003-X
  28. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Накопление фаз фурье-компонент при наблюдении сквозь турбулентную атмосферу. III. Кинематика и физика небесных тел. 2013. Т. 29, № 2. С. 69–80.
  29. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И., Копилович Л. Е., Луценко В. И., Масалов Д. С., Бондаренко Н. В., Дулова И. А., Дудинов В. Н., Пугач В. В., Мазуренко О. В., Ло Иян, Стулова Л. В. Развитие методов и средств оптики и квазиоптики для установления закономерностей и особенностей взаимодействия терагерцевого излучения с физическими и биологическими объектами: отчет по НИР «ОРЕОЛ». Кн. 2. Ин-т радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины; рук. М. И. Дзюбенко. Харьков, 2016. 345 с. № ГР 0111U010479.
  30. Корниенко Ю. В. Обработка изображений в ИРЭ НАН Украины. Радиофизика и электрон.: cб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2008. Т. 13, спец. вып. С. 423–445.
  31. Sanders J., Kendrot E. CUDA by example. Moscow: DMK press, 2013. 232 p.
  32. Lyashenko I., Skuratovskiy S. I., Kornienko Yu. V., Dulova I. A., Pugach V. V., Stulova L. V. On the possibility of image processing acceleration with the graphic processing unit. 2016 II Int. Young
    Scientists Forum on Applied Physics and Engineering     (YSF). Kharkiv, Ukraine, 10–14 Oct. 2016. IEEE. DOI:https://doi.org/10.1109/YSF.2016.7753840
  33. Lyashenko I., Kornienko Yu. V. Studying a Simple Generator of Pseudo-Random Numbers for Modeling the Astronomical Observation System. 2017 IEEE Int. Young Scientists Forum on Applied Physics and Engineering (YSF). Lviv, Ukraine, 17–20 Oct. 2017. IEEE. DOI:https://doi.org/10.1109/YSF.2017.8126645
  34. Van Diggelen J. A photometric investigation of the slopes and the heights of the ranges of hills in the Maria of the Moon. Bull. Astron. Inst. Neth. 1951. Vol. 11, N 423. P. 283–289.
  35. Парусимов В. Г., Корниенко Ю. В. Об отыскании наиболее вероятного рельефа поверхности планеты по ее оптическому изображению. Астрометрия и астрофизика. 1973. Вып. 19. С. 20–24.
  36. Корниенко Ю. В., Дулова И. А., Нгуен Суан Ань. Винеровский подход к определению оптических характеристик поверхности планеты по результатам фотометрических наблюдений. Кинематика и физика небесных тел. 1994. Т. 10, № 5. С. 69–76.
  37. Дулова И. А., Корниенко Ю. В. Случайная погрешность определения рельефа поверхности по ее радиояркости. Радиофизика и радиоастрономия. 2001. Т. 6, № 4. C. 310–316.
  38. Дулова И. А., Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Определение рельефа поверхности клинометрическим методом при избытке или недостатке исходных данных. Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2007. Т. 12, № 2. С. 408–415.
  39. Дулова И. А., Скуратовский С. И. , Бондаренко Н. В., Корниенко Ю. В. Восстановление рельефа поверхности по одиночным изображениям с помощью фотометрического метода. Астрономический вестник. 2008. Т. 42, № 6. С. 555–569.
  40. Дулова И. А., Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Совмещение изображений при определении рельефа поверхности фотоклинометрическим методом. Радиофизика и радиоастрономия. 2015. Т. 20, № 1. С. 30–36. DOI:https://doi.org/ 10.15407/rpra20.01.030
  41. Бондаренко Н. В., Дулова И. А., Корниенко Ю. В. Топография полигональных структур на Марсе в месте посадки КА «Phoenix» по результатам вычисления рельефа с помощью метода улучшенной фотоклинометрии по изображениям HIRISE. Астрономический вестник. 2014. Т. 48, № 4. С. 263–279. DOI:https://doi.org/10.1134/S0038094614040030
  42. Bondarenko N. V., Dulova I. A., Kornienko Yu. V. High-resolution albedo and relief of the lunar surface with the improved photoclinometry method for the topography reconstruction from a set of images. 49th Lunar and Planetary Science Conference (LPSC) (The Woodlands, Texas, USA, 19–23 March 2018). LPI Contribution N 2459.
  43. Dulova I. A., Kornienko Yu. V. Photometric method for determining a planetary surface relief. Int. Conf. “Solar system bodies: from optics to geology”. Kharkov, Ukraine, 26–29 May 2008. P. 67–68.
  44. Dulova I. A., Kornienko Yu. V., Bondarenko N. V. Involvement of Altimetric Information into Relief Reconstruction from Images with Improved Photoclino-metry. The 50th Vernadsky/Brown Microsymposium on Comparative Planetology. Moscow, Russia, 12–14 Oct. 2009. Abstr. N m50_10.
  45. Dulova I. A., Kornienko Yu. V., Bondarenko N. V. Involvement of altimetric information into planet surface relief reconstruction from a set of images. 2010 Int. Kharkov Symp. Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW’2010) (Kharkov, Ukraine, 21–26 June 2010). DOI:https://doi.org/10.1109/MSMW.2010.5546107
  46. Bondarenko N. V., Dulova I. A., Kornienko Yu. V. Polygons on Mars: Topography details recovered from images with the improved photoclinometry method. The Third Moscow Solar System Symposium (3M-S3). (Moscow, Russia, 8–12 Oct. 2012). Moscow, 2012. Abstr. N PS-42.
  47. Bondarenko N. V., Dulova I. A., Kornienko Yu. V. Improved Photoclinometry Method: Topography of Large-Scale Polygons at the Phoenix Landing Site from a set of Images. 44th Lunar and Planetary Science
    Conference     (LPSC) (The Woodlands, Texas, USA,
    18–22 March 2013). LPI Contribution N 1719. P. 2669.
  48. Bondarenko N. V., Dulova I. A., Kornienko Yu. V. Improved Photoclinometry Method: Topography of the Lunar Surface Area in Mare Imbrium from a Set of Images. 47th Lunar and Planetary Science Conference (LPSC) (The Woodlands, Texas, USA, 21–25 March 2016). LPI Contribution N 1903. P. 1860.
  49. Корниенко Ю. В., Пугач В. В., Скуратовский С. И. О возможности диагностики состояния атмосферы с помощью многолучевого интерферометра. Радио-физика и электрон. 2014. Т. 5(19), № 2. С. 16–21.
  50. Скуратовский С. И. Восстановление поля фазовых искажений по изображению точечного источника. Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2009. Т. 14, № 2. С. 222‑228.
  51. Корниенко Ю. В., Скуратовский С. И. Определение интенсивности точечного источника, наблюдаемого на фоне протяженного источника. Радиофизика и радиоастрономия. 2014. Т. 19, № 4. С. 317–323. DOI:https://doi.org/10.15407/rpra19.04.317
  52. Skuratovskiy S. I., Kornienko Yu. V. Determining the intensity of a point-like source, observed with an extended source as the background. Int. Young Scientists Forum on Applied Physics (YSF 2015). Dnipropet-rovsk, Ukraine, 29 Sept. – 2 Oct. 2015. IEEE. DOI:https://doi.org/10.1109/YSF.2015.7333256
  53. Skuratovskiy S. I., Kornienko Yu. V. Determining the intensity of a point-like source, observed with an extended source as the background: modeling and computer experiment. 9th Int. Kharkiv Symp. Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW). (Kharkiv, Ukraine, 20–24 June 2016). IEEE. DOI:https://doi.org/10.1109/MSMW.2016. 7538031
  54. Копилович Л. Е. Регулярный метод построения систем безызбыточных апертурных масок для наблюдения сквозь турбулентную атмосферу. Докл. АН УССР. Сер. А. 1983. № 10. С. 55–58.
  55. Корниенко Ю. В. Построение безызбыточных антенных конфигураций на квадратной решетке методом случайного поиска. Радиофизика и электрон.:
    сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2000. Т. 5, № 3. С. 148–154.
  56. Корниенко Ю. В. Построение безызбыточных антенных конфигураций на гексагональной решетке методом случайного поиска. Радиофизика и электрон.: сб. науч. тр. Ин-т радиофизики и электрон. НАН Украины. Харьков, 2002. Т. 7, № 1. С. 142‑153.
  57. Kopilovich L. E., 2008. Array antennas of size 8´8 based on Hadamard difference sets sets. Радиофизика и радиоастрономия. 2008. Т. 13, № 2. С. 210–215.
  58. Kopilovich L. E. Upper Estimates for the Element Number of Non-redundant Antenna Configurations on Square and Hexagonal Grids. Exp. Astron. 2010. Vol. 28, N 1. P. 1–9. DOI: https://doi.org/10.1007/s10686-010-9191-4
  59. Копилович Л. Е. Безызбыточные конфигурации элементов на квадратных и гексагональных решетках больших размеров. Радиофизика и электро-ника. 2014. Т. 5(19), № 1. С. 80–84.
  60. Kopilovich L. E., Sodin L. G. Multielement System Design in Astronomy and Radio Science. Springer, 2014. 204 p.
  61. Алексеев Г. А., Стулова Л. В. Об эстафетном взаимодействии ленточного электронного потока с бегущей волной при наличии поперечного магнитного поля. Радиофизика и электроника. 2010. Т. 1(15), № 3. С. 30–34.
  62. Алексеев Г. А., Стулова Л. В. Эксцентрический цилиндрический диод с током, ограниченным пространственным зарядом. Радиофизика и электроника. 2012. Т. 3(17), № 1. С. 85–91.
  63. Алексеев Г. А., Стулова Л. В. Эстафетное взаимодействие в приборах СВЧ. Радиофизика и электроника. 2013. Т. 4(18), № 2. С. 77–85.
  64. Alexeev G. A., Stulova L. V., Elementary theory of clinotron with distributed interaction of electron beam with orthogonal component of field. 24-я Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2014). Севастополь, Украина, 7–13 сент. 2014: материалы конф. в 2 т. Севастополь: Вебер, 2014. Т. 1. С. 171–172.
  65. Корниенко Ю. В., Масалов Д. С. Реализация метода Крылова–Боголюбова–Митропольского в системе компьютерной алгебры. Физические основы приборостроения. 2014. Т. 3, № 1. С. 70–83.