автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое обеспечение и алгоритмы обработки геофизической информации в частично когерентных оптико-электронных вычислительных системах

Ы;

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Математическое обеспечение и алгоритмы обработки геофизической информации в частично когерентных оптико - электронных вычислительных системах

05.13.11. Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем

На правах рукописи

Орлов Олег Викторович

и сетей

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель : к.т.н., доцент Иванченков В.П.

ТОМСК - 99

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВФ - весовая функция

И К А - источник с кодируемой апертурой

КП - коэффициент пропускания

К У - коэффициент улучшения

КФ - корреляционная функция

КЧФ - контрастно-частотная функция

О ВС - оптическая вычислительная система

ОН - оптический процессор

ОПФ - оптическая передаточная функция

ОС - оптическая система

ОСП - оператор свободного пространства

ООН - отношение сигнал/шум

ОЦВК - оптико-цифровой вычислительный комплекс

ОЭВС - оптико-электронная вычислительная система

11ВМС - прос гранствснно-временной модулятор света

НВФ - приведенная весовая функция

ПЧХ - приведенная частотная характеристика

СКФ - спектральная корреляционная функция

СПФ - система пространственной фильтрации

СФИ - система формирования источника

УЮТ - усредненный коэффициент пропускания

ФВИ - функция взаимной интенсивности

ФВК - функция взаимной корреляции

ФВСП - функция взаимной спектральной плотности

ФРИ - функция распределения интенсивности

ФСПМ - функция спектральной плотности мощности

ч/к - частично когерентный

ЭГ1Ф - эквивалентная передаточная функция

ПОЛРРЖАНИР

Введение...................................................................................................................................5

1. Состояние и перспективы развития оптико- электронных вычислительных систем обработки изображений........................................................................................................11

1.1. Основные особенности и проблемы реализации оптических преобразований в ОЭВС..................................................................................................................................11

1.2. Математические основы для описания частично когерентных оптических процессоров........................................................................................................................20

1.2.1 .Передача когерентности через ОП....................................................................20

1.2.2. Источники излучения.........................................................................................26

2.Анализ частично когерентных оптических процессоров ОЭВС..................................30

2.1. Операторное описание частично когерентных ОЭВС..........................................30

2.1.1. Определение операторов....................................................................................30

2.1.2. Свойства операторов..........................................................................................40

2.1.3. Примеры применения операторного описания...............................................42

2.2.Анализ системы пространственной фильтрации изображений............................49

2.2.1. Математическое описание СПФ.......................................................................49

2.2.2.Частотный анализ частично когерентных СПФ...............................................54

2.2.3.Эквивалентная передаточная функция СПФ....................................................65

2.2.4. Системные характеристики частично когерентных СПФ.............................73

2.3.Спектральный анализ сигналов в частично когерентных ОВС............................80

3. Сравнительный анализ пространственной фильтрации изображений в частично когерентных ОВС при наличии шумов..............................................................................85

3.1 .Операторное описание порядка {т,п) частично когерентных ОВС с шумами ... 86

3.2. Исследование помехоустойчивости частично когерентной СПФ при наличии входных шумов..................................................................................................................92

3.2.1. Входной амплитудный шум............................................................................... 92

3.2.2. Входной фазовый шум.......................................................................................99

3.3. Исследование фильтрации изображений при наличии шумов пространственного фильтра...........................................................................................105

4. Управление параметрами частично когерентных ОП. Синтез алгоритмов и

процедур обработки геофизической информации в ОЭВС...........................................112

4.1 .Структура оптико-цифрового вычислительного комплекса для обработки геолого-геофизической информации............................................................................112

4.2. Управление параметрами частично когерентных оптических процессоров в ОЦВК................................................................................................................................116

4.3.Синтез управляемого источника излучения для оптического процессора ОЦВК................................................................................................................................121

4.3.1 .Структурная схема ИКА....................................................................................122

4.3.2. Выделение огибающей ИКА путем дефокусировки изображения источника.....................................................................................................................124

4.4. Разработка и исследование процедур гибридной обработки геофизической информации.....................................................................................................................131

4.4.1. Алгоритм разделения волновых полей и прослеживания волн на основе перестраиваемой узкополосной фильтрации...........................................................132

4.4.2 Адаптивный алгоритм разделения и прослеживания сейсмических волн . 137

4.4.3.Реализация алгоритмов.....................................................................................141

4.5. Экспериментальное исследование и применение алгоритмов фильтрации в частично когерентном ОП ОЦВК.................................................................................147

4.5.1. Частотная фильтрация......................................................................................149

4.5.2. Направленное оконтуривание.........................................................................154

4.5.3. Алгоритмы разделения и прослеживания сейсмических волн...................156

Заключение..........................................................................................................................170

Литература............................................................................................................................173

Приложение 1. Свойства операторов............................................................................182

Приложение 2. Операторное описание ОВС, содержащих цилиндрическую оптику.

Нецентрированные ОВС................................................................................................185

Приложение 3. Дискретность и временная когерентность ИКА...............................193

Приложение 4. Исследование алгоритмов разделения и прослеживания

сейсмических волн на реальном материале (Графические иллюстрации)..............205

Приложение 5. Акты внедрения результатов диссертационной работы..................212

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Во многих областях науки и техники и в частности, в геофизике, встает задача изучения объектов, исходная информация о которых регистрируется в виде пространственно-временных полей. При этом объемы информации достигают больших размеров, а сложность решаемых задач повышается. Перспективы обработки таких полей связывают с развитием высокопроизводительных вычислительных систем и созданием на их основе новых технологий обработки. В этой связи, наряду с дальнейшим развитием цифровой техники, все больший теоретический и практический интерес вызывают оптико-электронные вычислительные системы (ОЭВС), позволяющие комплексно сочетать достигнутые возможности в оптике и электронике при обработке больших массивов информации. Сейчас опубликовано уже достаточно много работ, в которых освещаются исследования, направленные на создание таких систем (1,4-10, 12-15, 17. 18, 39.40,61, 107 и др.]. ОЭВС обладают рядом специфических особенностей в принципах действия и структуре построения, что позволяет выделить их в самостоятельный класс вычислительных систем обработки информации.

Среди перспективных направлений развития ОЭВС большое внимание уделяется ОЭВС с частично когерентными оптическими процессорами (ОП). Интерес к ним первоначально был вызван известными трудностями при практических вычислениях в когерентных оптических системах, обусловленных высокими требованиями к их технической реализации и существенному влиянию внутренних шумов ОП. Тогда как в частично когерентных ОЭВС данные трудности оказывают значительно меньшее воздействие. В течение последних лет работы по созданию и исследованию частично когерентных ОЭВС велись научными и производственными коллективами, как за рубежом, так и в нашей стране [19-27, 29-34, 36, 56, 77, 78, 80, 91, 96, 108, 109, 112]. Однако внедрение и практическое применение таких ОЭВС сдерживается вследствие трудностей математического характера, связанных с вопросами их анализа. В свою очередь это приводит к отсутствию простых методов описания ОЭВС с частично когерентным оптическим процессором в процессе синтеза элементов ОП, создания м ате м ати чес ко го обеспечения ОЭВС и алгоритмов частично когерентной обработки информации.

Состояние вопроса. Известно, что частично когерентные ОН обладают рядом особенностей, затрудняющих их использование. К числу таких особенностей в первую очередь относятся следующие:

1. При решении многих практических задач математическое описание частично когерентных оптических систем достаточно проводить в рамках скалярной теории частичной когерентности. Но и в этом случае даже при анализе простейших систем возникают существенные трудности, связанные с необходимостью выполнения трудоемких преобразований для определения тех или иных статистических характеристик преобразуемых случайных полей (см. например [42]). Аналогичные проблемы существуют и при математическом описании когерентных ОП. Вследствие этого получили развитие методы операторного описания когерентных оптических систем [46-51, 53-55], существенно упрощающие их анализ. В то же время операторное описание частично когерентных оптических систем до сих пор практически не рассматривалось, хотя математические модели последних описываются более сложными по сравнению с когерентными системами соотношениями.

2. При практическом использовании ОЭВС с частично когерентным оптическим процессором отсутствуют простые методы их анализа. Как следствие этого, часть методов обработки изображений возникла на основе эвристических и интуитивных соображений [1,2, 24, 63]. Тем не менее, известно множество различных подходов к математическому описанию преобразований, реализуемых в таких системах, с позиций теории частичной когерентности второго порядка [20, 25-36]. К недостаткам таких описаний следует отнести отсутствие системного подхода к рассмотрению работы частично когерентною ОП в общем случае, а также отсутствие методики простого и наглядного анализа ОП. Кроме того, наличие системных методов анализа и синтеза частично когерентных ОН предоставляет возможность решения важной задачи, заключающейся в управлении параметрами ОП за счет программного изменения когерентных свойств источника излучения, а также в разработке методов обработки данных с учетом новых возможностей частично когерентных ОП.

3. Качество оптических вычислений существенно зависит от когерентности излучения. При этом большое значение приобретают оценки влияния основных шумовых факторов на точность обработки информации и исследование путей снижения их

уровня. Решение этих вопросов в свою очередь требует развития методов анализа преобразований оптических сигналов в частично когерентных ОВС со случайными шумами.

Цель работы:

1. Разработка математических методов описания частично когерентных ОП.

2. Применение системного подхода к рассмотрению частично когерентных ОП с целью введения системных характеристик, упрощающих их анализ и синтез.

3. Разработка простой методики анализа помехоустойчивости частично когерентных ОП на основе операторного описания.

4. Разработка методики управления параметрами пространственных фильтров частично когерентных ОП за счет изменения свойств источника излучения. Применение данной методики в задачах обработки геофизической информации.

Методы исследований. Основными методами в работе были методы дифракционной и статистической оптики, оптической обработки информации, методы теории линейных систем и численного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на оптико-цифровом вычислительном комплексе.

Научная новизна:

1. Операторное описание когерентных оптических систем распространено на случай частично когерентного излучения. Разработана методика формального определения операторов оптических элементов; определены операторы основных элементов; получен широкий набор правил операторных вычислений и свойств операторов.

2. Получены системные характеристики частично когерентных ОП, упрощающие их анализ и синтез.

3. Операторное описание частично когерентных ОП распространено на оптические системы с шумами. С этой целью обобщено определение коэффициента пропускания оптического элемента по отношению к спектральной корреляционной функции и дополнены правила вычисления операторных выражений.

4. На основе введенного системного анализа разработаны методы управления параметрами частично когерентных ОН, входящих в состав оптико-электронных вычислительных систем. Данные методы заключаются в управлении пространственным фильтром за счет изменения свойств источника излучения.

5. Решена задача синтеза источника с кодируемой апертурой на базе арсенидогалие-вых светодиодов.

6. Осуществлен синтез двух алгоритмов детализации сложных геофизических полей путем использования возможностей управления пространственными фильтрами в частично когерентных ОЭВС.

Практическая ценность работы. Результаты диссертационной работы имеют практическую ценность при разработке оптических процессоров, входящих в состав ОЭВС.

Практическая реализация. На основе результатов д иссертационной работы создан частично когерентный ОП (в составе оптико-цифрового вычислительного комплекса 186-91]) с управляемым источником излучения, характеристики которого могут оперативно перестраиваться при гибридной обработке данных только за счет изменения когерентности используемого излучения. Предложенные в работе процедуры перестраиваемой и адаптивной фильтрации нашли практическое применение при детализации сложных геофизических полей и автоматическом прослеживании сейсмических волн.

На защиту выносятся следующие положения:

1. На основе теории когерентности света и теории линейных систем разработано операторное описание частично когерентных ОП порядка (т, п).

2. Введены системные характеристики частично когерентных ОП, оценены границы

их применимости. Рассмотрены способы оценки параметров системных характеристик.

3. Предложена методика оценки помехоустойчивости частично когерентных ОП на базе операторного описания порядка (т. п). По данной методике исследована по-

мехоустойчивость системы пространственной фильтрации изображений.

4. Разработана методика управления параметрами пространственных фильтров в частично когерентных ОН за счет изменения статистических свойств и параметров источника излучения.

5. Разработан управляемый источник излучения в составе ОЭВС. Выявлена специфика его использования.

6. На основе результатов диссертационной работы осуществлен синтез новых алгоритмов выделения и прослеживания сейсмических волн.

Апробация работы. Материалы докладывались:

1 Всесоюзная школа «Физические и математические методы в геофизике» Пущине, 1983

2 15-я всесоюзная школа по когерентной оптике и голографии Минск, 1983

3 6-я всесоюзная школа-семинар по оптической обработке информации Фрунзе, 1986

4 2-й всесоюзный семинар по пространственно - временным модуляторам света и оптико-электронным системам: обработки изображений Ленинград, 1987

5 1-я всесоюзная конференция по оптической обработке информации Ленинград, 1988

6 3-й всесоюзный семинар по пространственно - временным модуляторам света и оптико-электронным системам обработки изображений и сигналов в реальном времени Львов, 1989

7 7-я всесоюзная школа-семинар по оптической обработке информации Тбилиси, 1989

8 2-я всесоюзная конференция по оптической обработке информации Фрунзе, 1990

9 Международная конференция «Обработка изображений и дистанционные исследования» Новосибирск, 1990

10 14-я международная конференция по когерентной и нелинейной оптике Ленинград, 1991

11 First Korea-Russia International Symposium on Science and Technology. (KORUS'97) Korea, 1997

12 Третий Сибирский Конгресс по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98) Новосибирск, 1998

Публикации. Материалы диссертации отображены в 16 печатных работах.

Объем и структура диссертации. Текст изложен на 180 страницах. Работа содержит 98 рисунков и 9 таблиц. Структура диссертации состоит из введения, четырех глав (разделов), заключения, списка литературы и приложения. Во введении описывается постановка задачи, ее актуальность, научная новизна и практическая значимость. В первой главе проведен сравнительный анализ оптико-электронной частично когерентной обработки изображений и рассмотрены методы математического описания частично когерентных оптических вычислительных систем. В результате конкретизированы задачи диссертационной работы и способы их решения. Втор�