Energy conservation: a third constraint on the turbulent point spread function

Charnotskii, Mikhail

doi:10.1117/1.oe.52.4.046001

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“…Here, as shown in Fig. 1 A unique property of the imaging through refractive turbulence is the so-called "third PSF constraint" [5], first described in [12], or orthogonality of Green's functions, [13]. It can be formally represented as…”

Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

“…In [4] image fluctuations caused by translational shifts between image frames are used estimate the turbulent strength. Authors use the phase screen-based, and therefore isoplanatic [5], theory to support their technique, but in our opinion isoplanacity is not an essential constraint. Even the authors' naïve fluctuation model reflects the complex dependence of fluctuations on the local contrast: the large fluctuations areas associated are with the highcontrast areas of the scene.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

“…In Section 2 we formulate the imaging problem on terms of the Green's function of random medium between the target and imaging aperture. Based on so-called "third constraint" on the turbulent PSF [5] we introduce the normalized image that is insensitive to the target brightness and contrast, and is completely defined by the turbulence and imaging aperture. In Section 3 we use the phase screen (PS) imaging model to calculate the mean image and image variance and identify two asymptotic cases: perturbation theory (PT) and coherence channels (CC).…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

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Passive scintillometer: theory and field measurements

Charnotskii¹

2021

J. Opt. Soc. Am. A

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We propose design of a low-cost passive scintillometer that measures the strength of optical turbulence by analyzing scintillation in the image of a straight edge between the two areas of uniform, but distinct brightness. Two theoretical approaches to scintillations description are developed that are based on the phase screen and rigorous path integral propagation imaging models. Asymptotic analysis of both models leads to four distinctive imaging situations. We propose two uniform approximations that cover the most promising conclusion for the passive scintillometer applications. Both the strength of scintillation and the width of the area where scintillations exist can be used to estimate the turbulence strength. We present the results of the proof-of-concept experiment where images of the specifically made target were taken by a consumer grade camera equipped with a telephoto lens. We describe the image processing that separates the target characteristics from the turbulence scintillations. The spatial profiles of the image variances at three spectral bands and for several apertures were calculated. As was expected, scintillations are concentrated around the sharp edge and are absent at the uniformly bright parts of the target. Observed edge scintillation variances are within the theoretical limits, and provide reasonable estimates for the turbulence structure constant across the three spectral bands. However, the width of the scintillation area and dependence on the aperture are inconsistent with the thin lens imaging theory for larger apertures. We attribute this to the Additional bench tests on bar targets revealed that the camera and lens resolution are well below the nominal thin lens diffraction limit, and a different optical setup should be used in order to exploit the spatial distribution and aperture dependence of fluctuations.

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Section: Discussionmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Section: Introductionmentioning

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Passive scintillometer: theory and field measurements

Charnotskii¹

2021

J. Opt. Soc. Am. A

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“…Energy conservation is a fundamental property of the waves propagating through refractive random media [9]. It has profound implications on the imaging through turbulence [10], propagation of the conjugated waves [11], and the shape of the covariance function of irradiance [9]. Scintillation reduction for the partially coherent beams is intimately related to energy conservation.…”

Section: Model For Turbulent Effectsmentioning

confidence: 99%

Extended Huygens–Fresnel principle and optical waves propagation in turbulence: discussion

Charnotskii¹

2015

J. Opt. Soc. Am. A

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Extended Huygens-Fresnel principle (EHF) currently is the most common technique used in theoretical studies of the optical propagation in turbulence. A recent review paper [J. Opt. Soc. Am. A31, 2038 (2014)JOAOD60740-323210.1364/JOSAA.31.002038] cites several dozens of papers that are exclusively based on the EHF principle. We revisit the foundations of the EHF, and show that it is burdened by very restrictive assumptions that make it valid only under weak scintillation conditions. We compare the EHF to the less-restrictive Markov approximation and show that both theories deliver identical results for the second moment of the field, rendering the EHF essentially worthless. For the fourth moment of the field, the EHF principle is accurate under weak scintillation conditions, but is known to provide erroneous results for strong scintillation conditions. In addition, since the EHF does not obey the energy conservation principle, its results cannot be accurate for scintillations of partially coherent beam waves.

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“…Al capturar imágenes con luz incoherente que ha atravesado una atmósfera turbulenta, la intensidad de la imagen (en el plano del receptor) fluctuará más en los bordes de alto contraste [152] y apenas lo hará en las regiones uniformes; por lo tanto, la representación visual de σ 2 I i,j se verá como un filtro de borde aplicado a la imagen del objetivo. Para poder localizar y contar solamente los píxeles con un centelleo relativamente alto, se puede aplicar un valor umbral τ a la representación del índice de centelleo definiendo un conjunto…”

Section: Introductionunclassified

Estadística de la propagación de luz en atmósferas turbulentas

Gulich¹

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En este trabajo realizamos estudios experimentales sobre la la propagación de luz por atmósfera turbulenta empleando como herramienta principal de análisis el estudio de la fractalidad y multifractalidad de las series temporales registradas. En la primera parte desarrollamos principalmente herramientas para estimar la fractalidad y el grado de multifractalidad de series temporales (Capítulo 2). En concreto, hacemos una implementación propia del algoritmo de multifractal detrended fluctuation analysis (MF-DFA), del cual el detrended fluctuation analysis (DFA, usualmente empleado para estimar el exponente de Hurst H) resulta ser un caso particular. Un estudio crítico de este método permitió sugerir un criterio propio para determinar el rango óptimo de ajuste en esta técnica. Asimismo, mediante un detallado análisis numérico, se lograron identificar los efectos que los ruidos coloreados tienen sobre el espectro multifractal. Vale la pena remarcar que todo registro experimental es, en mayor o en menor medida, inevitablemente contaminado por este tipo de ruidos. En la segunda parte nos abocamos de lleno a la Óptica Atmosférica. Primero hacemos una rápida introducción al tema que desemboca en un método para la simulación de propagación de luz en atmósferas turbulentas (Capítulo 3). Luego aplicamos las técnicas desarrolladas en la primera parte a cuatro casos experimentales concretos, siendo cada uno de ellos fruto de la investigación desarrollada durante el Doctorado. En el primer caso (Capítulo 4) estudiamos la presencia de correlaciones de largo alcance en las fluctuaciones de ángulo de arribo para luz proveniente de fuentes estelares y confirmamos un comportamiento no-Kolmogorov fundamentado por la estimación del exponente de Hurst. Las demás experiencias tratan sobre propagación de luz a través de una turbulencia atmosférica controlada en laboratorio empleando un generador de turbulencias isotrópicas (turbulador). En este aparato es bien conocida y configurable la constante de estructura para el índice de refracción (C_n^2), la cual es una medida de la intensidad de la turbulencia que sirve entonces como parámetro para los experimentos. En el segundo caso (Capítulo 5) se estudia el exponente de Hurst del bailoteo (wandering) de un haz láser en diversas condiciones de turbulencia controlada. En esta experiencia también confirmamos desviaciones respecto del valor de H esperado para el modelo de Kolmogorov. En el tercer caso (Capítulo 6) se aborda la formación de secuencias de imágenes (video) a través de turbulencia atmosférica de diversas intensidades aprovechando situaciones en las que el objetivo presenta regiones de alto contraste. Hacemos una nueva definición del índice de centelleo para un estudio píxel por píxel y, después de seleccionar sólo las regiones de mayor contraste, encontramos que la cantidad de píxeles con centelleo por arriba del ruido presenta una muy buena correlación con C_n^2, haciendo de éste un método útil para estimar la constante de estructura con un arreglo experimental muy sencillo. A esto se le suma un estudio de correlaciones temporales estimando el H de cada píxel de la secuencia en todas las condiciones de turbulencia. Finalmente, estudiamos el efecto de la turbulencia atmosférica cuando por ésta se propaga un haz láser gaseoso en condiciones de caos (Capítulo 7). Estudiamos en este caso el exponente de Hurst y el rango multifractal versus la intensidad de la turbulencia. Dejamos para los apéndices los siguientes aspectos: los detalles de las rutinas implementadas para el análisis de multifractalidad (Apéndices A y B), un breve repaso de técnicas básicas para caracterizar la caoticidad de una serie temporal (Apéndice C) con las rutinas desarrolladas a tal efecto (Apéndice D), y finalmente la caracterización del turbulador (Apéndice E).

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Energy conservation: a third constraint on the turbulent point spread function

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Passive scintillometer: theory and field measurements

Passive scintillometer: theory and field measurements

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