автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Методы создания и анализа информационных ресурсов оптических информационных систем

■х-1

Шумилов Юрий Петрович

На правах рукописи.

Методы создания и анализа информационных ресурсов оптических информационных систем.

Специальность 05.13.17. -теоретические основы информатики.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятие «НПО Астрофизика».

Научный консультант - доктор технических наук, профессор Бакут П. А.

Официальные оппоненты:

Зайцева Ж.Н, доктор технических наук, академик РАЕН, профессор.

Рождествин В.Н., доктор технических наук, профессор Никонов В.Г., доктор технических наук

Ведущая организация:

Научный Совет по комплексной проблеме «Кибернетика» РАН.

Защита состоится 17 ноября 1998г. в Ючас. ООмин. на заседании диссертационного совета Д038.05.01 в РосНИИ ИТ и АП по адресу: 129090, г. Москва, ул. Щепкина, 22.

С диссертацией можно ознакомиться в диссертационном совете Рос. НИИ ИТ и АП.

Автореферат разослан 14_октября 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Штрик А. А.

ОБЩАЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Состояние вопроса и актуальность проблемы. Информационные ресурсы (ИР) сравнительно давно определены как экономическая категория в монографии В.Г. Громова. ИР относится к тем немногим ресурсам, которые являются возобновляемыми. Информация является источником ИР. И, несмотря на то, как отмечено в работе Е.П. Велихова, что фундаментальная революция происходит не в ядерной физике, микроэлектронике, ..., а в области информации, исследований, посвященных проблеме создания и анализа ИР, практически нет.

В работах A.A. Харкевича, P.JL Стратоновича, М.М. Бонгарда разрабатываются начала теории ценности информации, где понятие ценности информации в конечном счете сводится к оценке уменьшения неопределенности при получении информации в сигнале. В последующих работах, Б.А. Гришанина, А.Н. Ефимова, В.И. Поповского, базирующихся на этом подходе, строятся модель учета стоимости в теории ценности информации, количественная оценка старения информации, и определение ценности информации в рамках подхода при различных условиях наблюдения. В исследовании Б.П. Ивченко, JI.A. Мартыненко, M.JI. Монастырского лишь констатируется вопрос о необходимости определения достаточного информационного ресурса при проведении испытаний сложных систем. В фундаментальной монографии В.Г. Горшкова предлагается оценка запасов информации в биоте и цивилизации и рассматривается вопрос об уменьшении этих запасов в связи с деятельностью человека. Более конкретным, но опять же носящим описательный характер являются исследования К. Колина по использованию ИР в образовании, А. Коробкина по классификации ИР и О. Бачило, посвященные правовым вопросам, касающимся собственности на ИР.

Таким образом, анализ показывает, что практически отсутствуют количественные оценки ИР, основанные на их представлении и оценке, и что в данный момент может быть более важно, внятное определение ИР. Отсутствует словарь информационных терминов и мониторинг этого словаря. Кроме того, попытки описать всю информацию в единых единицах так и не нашли обобщений и, так или иначе, привязаны к конкретным задачам.

Исследование законов создания ИР, их использования, оценки их состояния и стоимости является актуальной и глобальной задачей. Особенно ее решение важно для наукоемких направлений человеческой деятельности. Одним из таких направлений является разработка оптических информационных систем (ОИС).

Многообразие оптических информационных систем велико. Их информационные возможности и выходные характеристики зачастую дублируют друг друга с превышением необходимой надежности, что не рационально и дорого. Однако нет до сих пор обобщающего понятия информационного ресурса. Нет основы - теории информационных ресурсов (ТИР). Далее, создание ИР, а точнее создание/обнаружение информации для создания информационных ресурсов - это самостоятельная задача. Здесь необходимо отметить, что имеется множество методов создания ИР, которые известны, однако новые задачи требуют новых методов создания/обнаружения информации для ИР, основанных на новых моделях и новых решениях. К примеру, модель собственной внешней атмосферы космического аппарата, или точное решение уравнения переноса для слоистых сред.

Соединение знания методов создания/обнаружения информации для формирования информационных ресурсов, с одной стороны, знание законов изменения и методов анализа ИР с другой позволяют найти количественное описание ИР, в данном случае ОИС, что в свою очередь, позволяет найти надежный оптимальный безызбыточный потенциал ИР ОИС. Все это логично подводит к постановке данной работы.

Цель и основные задачи. С учетом актуальности перечисленных направлений исследований цель диссертационной работы - решение проблемы представления и оценки информационных ресурсов по результатам исследований методов создания и анализа информационных ресурсов оптических информационных систем и введение их в общую структуру формирования ИР.

Для достижения поставленной цели основные задачи проводимых исследований заключались в следующем:

1. Разработка и обоснование теоретических основ работы с ИР

ОИС.

2. Разработка новых методов создания/ обнаружения информации для ИР ОИС,

3. Разработка новых методов анализа информации для ИР ОИС.

При решении задач применялись методы теории вероятностей,

математической статистики, теории информации, теории переноса излучения, статистической радиофизики и оптики, методы решения дифференциальных и интегральных уравнений.

Научная новизна,

1. Разработаны основы теории информационных ресурсов оптических информационных систем, которая позволяет развить методы представления и анализа ИР и ранее отсутствовала.

2. Разработан новый метод оценки деградации информации, который позволяет впервые оценить потери информации в зависимости от обобщенного фактора.

3. Разработан метод расчета обновления информации, который позволяет на основе требований к качеству информации определить закон ее обновления.

4. Развит теоретико-информационный подход к оценке сигналов, впервые получены оценки необходимой информации в сигнале и информации, получаемой в конкретной ОИС, и проведено сравнение на основе введенного информационного критерия, разработаны методы оценки потерь информации за счет аберраций и дефокусировки в ОИС.

Разработаны следующие новые методы создания/обнаружения и ценки информации для ИР, которые позволили осуществить и реализовать:

5. Статистический синтез алгоритма измерения угловых координат с помощью матричного приемника.

6. Синтез алгоритма обнаружения- измерения координат при наблюдении через собственную атмосферу космического аппарата.

7. Метод учета влияния дрожания платформы космического аппарата и синтез алгоритма компенсации дрожания.

8. Метод нижних границ для оценки информации случайной природы, на основании которого получены новые нижние границы для средних квадратов ошибок нового алгоритма измерения угловых координат объекта, измерений параметров объектов при наблюдении через собственную внешнюю атмосферу космического аппарата, алгоритма компенсации дрожания платформы телескопа, точности восстановления голограмм.

9. Метод оценки эффективности неэквидистантных приемников.

10. Метод поиска плоскости наилучшей резкости спеклов для прецизионного измерения дальности.

11. Метод расчета энергетики искусственной лазерной звезды, позволяющий качественно расширить представление о ее информационных возможностях.

12. Точное решение одномерного уравнения переноса, являющееся теоретической основой методов синтеза и диагностики сложных рассеивающихся сред.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика создания информационных ресурсов на основе

ТИР.

2. Метод оценки деградации и обновления информации для ИР.

3. Результаты потенциальных оценок ИР случайной природы.

4. Модели собственной атмосферы космического аппарата и дрожания платформы телескопа.

5. Методика расчета энергетики искусственной лазерной звезды.

6. Теоретические основы синтеза и диагностики слоистых сред.

Достоверность. Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается:

• подтверждением ряда выводов работы более поздними исследованиями зарубежных авторов, в частности, по результатам потерь информации в ОИС за счет дефокусировки и аберраций;

• согласованностью полученных результатов с проведенными численными и полунатурными экспериментами, в частности, по модели собственной внешней атмосферы космического аппарата;

• строгостью и непротиворечивостью основных положений теории и согласовании их с современными представлениями о методах создания информации и о распространении оптических волн.

Практическая ценность. Решение поставленных в диссертации задач обеспечивает создание методических основ разработки ИР ОИС нового поколения в оптимальных, в смысле безизбыточности и стоимости, объемах, создание методик оценки нематериальных активов, разработку ОИС нового поколения для сопровождения космических объектов и их использование в различных отраслях науки, производства и управления, занимающихся разработкой информационных технологий, оценкой их эффективности и технологическим менеджментом.

Апробация^Основные результаты исследований по диссертации докладывались и представлялись на Всесоюзной конференции «Применение ОКГ в приборостроении и медицинской технике» (Москва, 1976), I Всесоюзном симпозиуме по оптическому приборостроению и голографии (Львов, 1976), Всесоюзном семинаре «Современные элементы оптоэлектроники для передачи и хранения информации» (Симферополь, 1976), VII Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации (Вильнюс, 1978), III Республиканской научно-технической конференции по радиофизике (Вильнюс, 1979), V Всесоюзной конференции по голографии (Рига, 1985), Всесоюзной конференции научно-технической конференции «Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов» (Киев, 1985), Всесоюзной конференции «Лазеры в народном хозяйстве» (Москва, 1986), Совещании «Проблемы физики верхней атмосферы и динамики искусственных спутников Земли» (Якутск, 1987), Всесоюзной научно-

технической конференции «Температура - 90» (Харьков, 1990), XXI, XXIII, XXIV Международных конференциях «Новые информационные технологии в науке, образовании, медицине и бизнесе» (Гурзуф, 1994, 1996, 1997), Международной конференции «Нейросетевые технологии обработки информации» (Гурзуф, 1996), XXXIX Юбилейной научно-технической конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики» (Долгопрудный, 1996), Международной конференции «Оптика в экологии» (Санкт-Петербург, 1997), XXV Юбилейной Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Гурзуф, 1998), Международной конференции «Imaging Through Air and Water» (San Diego, USA, 1998).

Публикации. Общее количество публикаций по теме - 40, среди них 15 статей в отечественных журналах и 2 статьи в тематических сборниках SPIE.

Личный вклад. Диссертация является обобщением работ по проблемам информационных оптических систем, оценки их ИР в период с 1976 по 1998гг. Эти работы автором выполнялись лично по инициативе его научного консультанта и по собственной инициативе или в соавторстве с сотрудниками, работающими под его непосредственным руководством. Результаты по распространению лазерного излучения в рассеивающих слоистых средах и расчету энергетики искусственной лазерной звезды получены совместно с научным консультантом.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из

введения, пяти глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 227 страниц текста, 52 рисунка, 1 таблица, 114 литературных ссылок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность, определяется цель работы, направления исследований, основные задачи, структура работы, научная новизна, теоретическая и практическая значимость, основные положения, выносимые на защиту и апробация работы.

Первая глава посвящается изложению сформулированных автором основных положений теории информационных ресурсов. Определяется терминология теории, вводится новое определение информационного ресурса. Информационный ресурс - это информация созданная и/или обнаруженная, зарегистрированная, оцененная, с определенными законами деградации и обновления.

Таким образом, информация, став информационным ресурсом, приобретает присущие только этому понятию (величине) свойства,

сохраняя свои собственные. Изучение этих свойств, их взаимосвязи и является предметом теории информационных ресурсов (ТИР). Можно сформулировать и более конкретную задачу для ТИР - это рещение оптимизационной задачи с постоянно меняющимся критерием оптимизации. (Формирование оптимального объема ИР, необходимого для решения, в том числе и экстремальных задач).

Таким образом, опираясь на определение ИР, приходим к следующей методике их создания.

1. Создается и/или обнаруживается (в том числе и в смысле Г. Кастлера) информация.

(1)

■ДХЙ. информационное поле; ^ - информационная обстановка;

^ - ресурсосоздающие параметры; р

преобразование шля, выделяющее созданную и/или обнаруженную информацию;

^ - параметр преобразования выделения созданной и/или обнаруженной информации.

2. Информация регистрируется.

1{Ц,Щ,(р2) = |

(2)

р

2 - преобразование регистрации;

- параметр преобразования регистрации. 3. Информация оценивается.

- преобразование оценки;

- параметр преобразования оценки.

Преобразование оценки относится как к оцениванию непосредственно качества информации (характеристик обнаружения, точности измерения и т.д.), так и оцениванию стоимости ее создания, обнаружения, регистрации и т.д. и представляет собой сложную структуру.

В теории ценности информации (A.A. Харкевич, М.М. Бонгард, Р.Л. Стратонович, Б.А. Гришанин и др.) ценность информации, в конце концов, сводится к количественной оценке уменьшения неопределенности относительно интересующего объекта при получении определенного количества информации об объекте. Этот подход применяется в совершенно определенных задачах теории связи, локации, кодирования. Назовем факторы, определяющие ценность информации в данном подходе микростатистическими. С другой стороны, ценность информации определяется финансовыми, технологическими, научными параметрами, которые часто играют определяющую роль. Назовем эти факторы макростатистическими.

Для оценки стоимости информации, эффективности ее обновления и т.д. вводится показатель эффективности параметра в зависимости от фактора (имеется в виду макростатистический фактор). ат0- ПЬ„а,Ь)

,фф ГУ Г

L (5)

где L - величина фактора, принимающего значения от а до Ь. Причем L может быть как регулярной, так и случайной величиной,

- текущее значение фактора, b - значение фактора, при котором достигается требуемое значение

параметра ат (=Ь), - предельно (физически) достижимое значение

параметра ao=aD(L' =Х),

X - значение фактора, при котором достигается

ее

D, в общем случае величина неизвестная, f( ;а, Ь) - функция, определяющая закон изменения текущего фактора,

при Lt =а=0 f( =а=0)= 1;

Т Г

при ' =Ь (Ь?Ю) f( ' =b #))=0.

Если L принимает какое-то значение в интервале между а и Ь, то

А

это означает, что все предыдущие его реализации могут приниматься 1,

т.е.

Если параметром является информационный ресурс, то Рэф.ф определим как критерий эффективности информационного ресурса в

зависимости от фактора, а функцию Г( (ИР),а, Ь) - как мощность информационного ресурса. Эта функция минимизирует по и <р1

достижение требуемого а"г (т.е. ИР).

Таким образом, преобразование РЗ представляет собой алгоритм определения характеристик информации для ИР в зависимости от микростатистических и макростатистических факторов.

4. Определяется закон деградации для данного вида информации.

Метод оценки деградации рассмотрен в главе 5.

(6)

/г

4 - преобразование деградации;

- параметр преобразования деградации.

5. Определяется закон обновления информации Методика определения закона по определению (5) изложена в главе 5.

/(£ %,<р1,<р2,<р3,<р5) = I'] [/ (X £ щ,д>2, (р,) ] (?)

(8)

<р4, Щ) = ^[/(Х^, <Ръ й, 0,)|

' - преобразования обновления;

Фъ' _ параметры преобразования обновления.

Р. т.

Нахождение конкретного вида ' ' является одной из основных задач ТИР.

Далее вводится понятие матрицы информационных ресурсов оптических

информационных систем ^, по строке - цели системы, по столбцу -

параметры, необходимые для достижения целей. - информационный ресурс ьтой цели по к-тому параметру. Матриц}' необходимо

оптимизировать по ' и ', решая одну из основных задач ТИР.

Классификация информационных ресурсов приводится по происхождению (природные, искусственные), по перспективе использования (возобновляемые, невозобновляемые), по значению (стратегические, тактические), по собственности (частная, государственная, транснациональная). Дальнейшая классификация представляет собой проблему, отдельную и сложную, и является одной из задач теории информационных ресурсов.

Результаты первой главы служат методической основой формирования информационных ресурсов, в том числе, оптических информационных систем. Конкретное применение ТИР нашла, в частности, при разработке методики количественной оценки информационных ресурсов оптико-электронных систем на базе программно-аппаратного комплекса прогнозирования с целью оптимизации НИР И ОКР по разработке информационных систем для эффективных действий в сценариях с максимальной неопределенностью.

Вторая н третья главы диссертации посвящены методам создания/обнаружения информации для ИР ОИС: вторая - для систем обнаружения и измерения координат, третья - для оптических систем

создания информации и измерения физических характеристик. Эти

р р

результаты приводят к нахождению преобразований 1' 2 и их параметров ^' . Приведены только новые результаты.

Во второй главе, в первом параграфе рассматривается метод максимального правдоподобия (МП), который позволяет получить новые

алгоритмы обработки, когда преобразование ^ ^ ^ уже задано. Полуклассический подход позволяет рассматривать сигнал до регистрации как волну, а при регистрации учесть квантовую структуру сигнала и, задавшись пуассоновской статистикой фотоэлектронов, получить отличный от обычного алгоритм измерения (случай

наблюдения через турбулентную атмосферу; источник на оптической

р

оси) угловых координат (преобразование 2).

АУ I , п а = т-^-г 1 +

_ \

п,пл - П^Пъ

(и, + Пу )(и2 + п4 )

р=м

14-^

— \

«|«2 - «3«4

(И, +«3Х»2 +"4)

Я V

где У ^ - квантовый выход фотодетектора;

^ ^ -энергия кванта;

Т -время наблюдения;

I - распределение интенсивности в плоскости фотоприемника;

^ площадь ^ го элемента фотоприемника.

й« = Л +Ва + В1,/3-,

3 представлено в виде: 4 } щ "

1 ИУ I ' " /¡V да ^ ' 1 ЬУ ^ '

Во втором параграфе рассматривается метод статистических моделей применительно к формированию собственной внешней атмосферы космического аппарата. На основе этой модели и метода функционалов правдоподобия синтезируется оптимальный алгоритм обработки сигнала, заключающийся в адаптивной дефокусировке точечных составляющих собственной атмосферы космического аппарата и сглаживанию фона, и выглядит следующим образом:

л^ = £)х(Р)<#=тах

(10)

где г- необходимая обнаружительная статистика,

у

радиус-вектор в плоскости апертуры,

Р - радиус-вектор обнаруживаемой цели, II - расстояние до объекта,

Ь - расстояние от объектива до плоскости изображения, х(^) -

принимаемый сигнал (интенсивность),

N0 - спектральная плотность мощности шума,

V ¥

g( г ) - функция веса «малого окна», \У0(' ) - функция веса «большого

окна».

Р

В данном случае 1 заключается в преобразовании Фурье сигнала падающего на апертуру, пропускании его через узкополосный фильтр и

р

фокусировке в фокальной плоскости, а 2 в регистрации с помощью матрицы приемников сигнала, последующем сглаживании по «малому»

окну с функцией веса g( минус сглаживание по «большому» окну с

весом \¥0( ^ ), при котором происходит компенсация плавноменяющегося фона, определении максимума превышающего порог после полученной обработки и принятии решения об обнаружении и значениях координат

объекта. Параметры ^' соответственно описывают характеристики фокусирующей, фильтрующей оптических систем и характеристики регистрирующих приемников фокальной плоскости, сглаживающих фильтров и обработки на ЭВМ. Приводятся результаты полунатурных экспериментов, подтверждающих адекватность модели собственной внешней атмосферы космического аппарата.

Важным моментом является учет режима функционирования, который вносит свои особенности в формирование информации ОИС. Это относится к методу компенсации дрожания платформы телескопа оптической системы.

Метод основан на модели дрожания линии визирования при измерении координат объекта и методе максимального правдоподобия, который приводит к алгоритму компенсации:

+ (£-2 +с,Ух (11)

С 1-г + с,)=тт/

Е | а27(г-с,)(г-с,у/ 1 + а2(2-с,.)+(2-с,.)

где ' - 1-тое измерение; п - количество измерении;

с,

ь.

Е - единичная матрица; ^1 х, у -оси координат;

а2 - 0)2

а'3 - абсолютные координаты ¿-того кадра; °"2 ;

2

ш - дисперсия угла поворота;

2

& - сумма дисперсий абсолютных координат и координат в собственной системе кадра.

случае является последовательностью математических операции физически труднотрактуемых.

Приводится новый прецизионный метод определения дальности до точечного источника, наблюдаемого через турбулентную атмосферу по изменению плоскости наилучшей резкости спеклов (преобразование Р1). Подробное восстановление спекл-картины и определения размера наименьшего спекла позволяют измерить кривизну фазового фронта

волны и по ней дальность до объекта (преобразование

'я. /

) по формуле:

л л 4 Л V

А с! =--Р

к О

2Л

'2 Я

1

(12)

где ^ - дефокусировка за счет кривизны фазового фронта;

Т

л - средняя длина волны в полосе пропускания фильтра; Б - диаметр апертуры; Р - фокусное расстояние;

а - площадь апертуры; п

и - дальность до объекта.

В третьей главе рассмотрена проблема формирования искусственной лазерной звезды и распространения излучения в рассеивающих средах. В первом параграфе кратко анализируются физические основы формирования искусственных лазерных звезд, описан мезосферный натриевый слой и объяснен выбор именно натриевого слоя для формирования искусственного источника излучения. Описаны наиболее распространенные методики разделения натриевого резонансного и релеевского сигналов. Получены основные соотношения, являющиеся требованиями к лазерному излучению, используемому для формирования искусственного лазерного маяка. Определен фокальный неизопланатизм. Получено простое выражение для сечения обратного

а = х

рассеяния ' , пт - резонансная длина волны атомного

перехода. Проведен расчет энергетики излучения с учетом характеристик зондирующего сигнала, конечного времени пролета атомами натрия лазерного луча, эффекта Доплера вследствие теплового движения рассеивающих атомов, атмосферной турбулентности.

Выражение для энергии на приемной апертуре:

Е = Е р ? -а2*1) А - Е " ^

"" 4лг„ { I + Ргхг ~ 4я10 2а

где Е - излучаемая энергия;

} - расстояние до середины рассеивающего слоя; А - площадь приемной апертуры;

N - среднее число атомов натрия в рассеивающем слое на единицу площади слоя;

У - естественная ширина полосы реакции атома; г

" - длительность импульса лазерного излучения;

г

корр - время корреляции лазерного сигнала;

СГ-1 - среднеквадратическая протяженность атмосферных флуктуаций; 2

м - среднеквадратичный разброс скоростей теплового движения атома; °р - эффективный радиус излучающей апертуры;

Г - дальность фокусировки; к - волновое число; безразмерные параметры-

а =

2г"

г

4а

I корр

О \

кгага1л

(14)

Проведенные численные расчеты показали, что введение учета доплеровского сдвига частоты за счет движения атомов, эффекта, связанного с конечным временем пролета атомами освещенной области, атмосферной турбулентности, импульсного характера и частичной когерентности приводит к ослаблению энергии принятого излучения в 200-500 раз по сравнению с идеальным случаем.

л

1

СГ

а

В данном случае обосновано расчетное, сложное преобразование 1 с параметром и более очевидное 2 с параметром

<Р2.

Во втором параграфе рассматривается метод уравнения переноса для расчета распространения излучения в рассеивающих средах.

Получен новый фундаментальный результат - точное решение

р

одномерного уравнения переноса. Здесь 2 сложное преобразование, которое просчитано аналитически. Рассмотрение основывается на уравнении переноса излучения, которое в данном случае представляет собой систему дифференциальных уравнений:

1 ф(^) , ЫА + ^ЫЛ-оШи*)+4-JM

v(z) d & v(z)'

1 9i (t,z) ¿Mt z) , w ч ^ ч . ч 1 , ч

v(z) д. a v(z)

(15)

(16)

где - показатель поглощения;

-показатель отражения; e(z) — y{z) + o{z) _ показатель ослабления;

- среднее число фотонов в точке z в момент времени t, движущихся в направлении возрастания z;

- среднее число фотонов, движущихся в противоположном направлении;

f if, z)dt _ Среднее ЧИСло положительно направленных фотонов,

генерируемых в О z за время dt внешним источником (излучатель);

z)dt . аналогичное число «отрицательно направленных» фотонов; V(z) - скорость движения фотонов.

Полагая, что передатчик расположен в точке Z=0 и генерирует только «положительно направленные» фотоны, т.е. f(t,z) = S(z)f{t) q(t,z) = 0 fit) ,

j \ ■> s \ jj \ / ^ , -y w - функция, характеризующая

форму и энергию сигнала;

- дельта-функция;

'= . Преобразуя (15), (16) по Фурье и проводя достаточно сложные вычисления, получим точное выражение для обратного сигнала в точке 2=0

о = 2М

X \ 1 + £1^Аехр{- 2Л1Аа1}- г\■ *~ 2Л>А°'

Г N 1 1 С

£ ехр^МИ*. п

в2,...вц=±\ 1и = 2__\ й = 3

V Л-

£ ехр

N

г, +<т

ЯП п-1 ~

л-1

причем предполагается, что £=£ + 1а>/

(17)

Л.2 = £ 2 — <Т2 •

Проведен анализ решения (17) для непрерывного и импульсного излучения. Получены результаты, позволяющие проводить диагностику газовых и аэрозольных сред, слоистых покрытий, обнаружение объектов через маскировочные покрытия, управляемый синтез экранов и маскировки.

В четвертой главе проводится оценка информации для ИР

К р

ОИС после преобразований 1 и з ( щщ одного из них).

В первом параграфе для оценки информации статистической природы предлагается метод нижних границ дисперсии оценки параметров. Обычно, для оценки точности измерения параметров, имеющих случайный закон распределения применяют неравенство Крамера-Рао. Однако, П.А. Бакутом с соавторами была получена новая нижняя граница средних квадратов ошибок, которая не улучшаема, зависит от априорной области изменения параметра и. не требует дифференцируемое™ распределения по параметру. Приводится краткий вывод новой нижней границы и условия, при которых из нее следуют наиболее распространенные, менее общие нижние границы.

Во втором параграфе получена оценка точности для алгоритма (9).

X

( л V 1 + "с0

^"э ффт ^эффгф

А,

А У

п„

X-

4п

X

сО

п0 +т т

(18)

где т - число пространственно-временных степеней свободы поля; п

ш - число шумовых фотоотсчетов.

(10) обнаружения/измерения координат с учетом собственной внешней атмосферы космического аппарата.

Вероятность правильного обнаружения: г _Л

£> = 1-Ф

\

1 2\п(\+дф)Я2

4^ +

К2

(19)

Вероятность ложной тревоги:

где - волновое число;

^ - длина волны; А - площадь апертуры;

^ - средняя дальность до частиц собственной атмосферы космического аппарата;

- отношение мощности обнаруживаемого полезного сигнала к суммарной мощности шума, попадающего в пределы пятна;

^ - отношение мощности излучения собственной атмосферы в некоторой площади фокальной плоскости к собственному шуму, собираемому в этой площади; 11 - пороговое значение сигнала.

Для оценки точности измерения координат впервые применен результат, изложенный в первом параграфе главы.

Полученный результат, преобразование

К

позволяет по

зарегистрированному потоку фотоэлектронов вычислить дисперсию

измерения положения пятна (угловых координат):

( 2 ^ а2 (0) = тБ, ехр [- пш?(1 + д / 4)](1 + д) 2)1Й- 1 +

64 л

кдп ш

х ехр( -2 х)(1х

Г ехР^ ~

I ехр( -х

ь ехР( -*)+ 29

(20)

,, а = п /у -т ■ Б п

где 3 - эффективная площадь пятна; с ш 3; - среднее

количество сигнальных электронов; п

ш - среднее количество шумовых электронов на единицу площади; ОТ =

л - априорная область изменения параметра.

Это продолжение формирования ИР для системы обнаружения с учетом собственной внешней атмосферы космического аппарата. В четвертом параграфе определяются коэффициент выигрыша от применения алгоритма измерения координат с учетом компенсации дрожания (11) по сравнению с алгоритмом определения координат без компенсации:

' , N

Р91

(1 + Р2в

К = (1 + рг /3)

1 -

( л/1 + Рг0г

■ аг

агс^

Р

л/' + ¿'б1'

(21)

где $ = л!2\ ~ 2/7 / / | _ рзз^^р кадра;

^ - изменяется в интервале (-1/2,1/2).

/3 пятом параграфе вычисляется оценка точности определения дальности по дефокусировке спекла за счет кривизны фазового фронта для различных параметров ОИС и локационной

обстановки. Оценка точности вычисляется путем численного решения трансцендентного уравнения.

В шестом параграфе проведен сравнительный анализ применения в автономных широкоугольных ОИС обнаружения матриц с неэквидистантных.

На основании формул для времени обзора:

тахнеэкв

1_

<е ъ?

+

2 у

г =36^-

шзхравн

■"о

(22)

Т ■ = пшиеэкв

ъ?

пиправн

(23)

_ д2

где о — 1л _ площадь минимального элемента матриц; V

0 - плотность сигнальных электронов; *

Ут

т - плотность темновых электронов;

фиксированные вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения.

В седьмом параграфе в зависимости от регистрирующих сред приводится точность восстановления голограммы

( _2

1 + '

2 1 - \ П

«*<» 2

а* (24)

где '"о'^с) - энергетические характеристики топографического процесса,

- ^

а - регистрирующей среды. Формула дает возможность оценить эффективность этого способа регистрации более полной (объемной) информации об объектах в зависимости от параметров светового поля и регистрирующих сред.

В восьмом параграфе исследуются характеристики обнаружения объектов при наблюдении через рассеивающую среду. При этом, обнаруживаемым объектом является также рассеивающая среда, вид параметров которой получен на основе точного решения одномерного уравнения переноса.

В девятом параграфе общее выражение для показателя эффективности информационного ресурса применяется для оценки инвестиций, необходимых для создания /обнаружения информации для информационных ресурсов. Параметром является одна из характеристик информационного ресурса, а макростатистическим фактором Ь -инвестиции. Исследуются различные законы распределения случайной величины Ь, и, с их учетом, статистические характеристики критерия

Р И <7 2

эффективности информационного ресурса эф ф' . Разработана

методика оценки, позволяющая оценить стоимость информационного ресурса, время достижения его требуемого значения , ошибку прогноза. Показано направление для обобщения на многомерный случай.

В десятом параграфе изложены результаты развития теоретико-информационного подхода к оценке сигналов в ОИС. Дано математическое обоснование данного направления. Сформулирован информационный критерий. Получена формула для оценки количества информации, необходимого для обнаружения цели с вероятностями Б (правильное обнаружение), Р (ложная тревога) и точностями измерения

сг ая ¡у

координат р (по углам) и п (по дальности).

^_

V

тш1=( 1 -\У)Н(Р)+\УН(0)-Н[ 1 -Р+\VCF-D)] +0\У(2,т) ' аРа¡< (25),

где Н(р)=р1щН-( 1 -р)1п( 1-р), ■\У - априорная вероятность наличия цели, - сектор ответственности ОИС.

Получена также, формула, позволяющая вычислить количество информации в локационном сигнале для различных типов

ОИС. Проведены расчеты и сравнение с (25) в соответствии с информационным критерием.

Получены формулы, позволяющие оценить потери информации в сигнале при наличии дефокусировки и аберраций в ОИС. Полученные результаты позволяют делать оценки информации для информационных ресурсов большого класса ОИС в единых единицах.

В пятой главе изложены методы^ оценки деградации и обновления информации для информационных ресурсов.

В первом параграфе рассматривается постановка задачи оценки деградации. Сводной характеристикой ОИС различного назначения является понятие информационной эффективности системы (ИЭС). В это понятие могут входить любые показатели работоспособности и качества системы. Несмотря на разноплановость понятия, могут быть выявлены общие закономерности, не зависящие от конкретного показателя информационной эффективности. В частности, такие закономерности могут быть установлены для процесса деградации информационной эффективности, в данном случае деградации информационных ресурсов оптической информационной системы (ДИЭС). При этом важной значение имеет проблема прогноза ДИЭС, а также планирования и обработки результатов испытаний, проводимых в интересах текущей оценки ИЭС. Несмотря на разнородность показателей предложена весьма общая модель ДИЭС, рассчитаны статистические характеристики процесса деградации и предложены общие алгоритмы решения сформулированных задач. Считаем, что ДИЭС происходит в результате накопления микроинформационных дефектов (МИД).

Во втором параграфе обосновывается математическая модель накопления МИДов, Этот процесс с большой точностью можно считать пуассоновским и характеризовать некоторой интенсивностью ^ (это предположение справедливо для широкого класса процессов и существенно расширяет применимость предлагаемого подхода). Можно предположить, что с появлением одного одного МИДа ИЭС- Е уменьшается в некоторое число раз, т.е. после появления одного МИДа

ИЭС станет равной , где Ж1.

Результаты:

Вероятность того, что ИЭС через время т будет меньше к

р (А,г) = г

1п 1/

1п у

йГТ^

Г(7? т)

где 4 ' ' - неполная гамма-функция;

Ун

1п у.

/п

1 пу

/а

- наименьшее целое число

большее или равное /а .

В третьем параграфе изложен метод экспериментальной

оценки параметров прогноза. Полученные оценки использующие результаты испытаний, имеют вид:

_ 1 *_2

V = —

у

а

Т 2АИ-(И + 1)х'п

(25)

1п а =

2л-\1 +

■1п а

(26)

~ " п_1 Е

л = Е- Е =

где '=1 * ; 0 - относительный

£

единичный замер ИЭС - 1=1,... п; а - истинное значение.

В четвертом параграфе изложен метод оценки обновления информации, позволяющий вывести закон обновления информации на основе применения показателя эффективности. При этом рассматриваются две модели деградации: быстрая и медленная. Подробнее рассматривается медленная. Задавая ее конкретный вид, выводим закон обновления информации, компенсирующий деградацию. В зависимости от требований к ИР и постановки задачи закон обновления принимает соответствующий вид.

В заключении диссертации кратко сформулированы результаты проведенных исследований, направленные на развитие нового направления теоретической информатики - теории представления и оценки информационных ресурсов.

В качестве обоснования положений, выносимых на защиту диссертации, получены следующие результаты:

1. Разработаны основы теории информационных ресурсов в рамках которой дано обобщенное определение ИР и методика создания ИР.

2. В рамках реализации методики разработаны: методы создания/обнаружения информации для ИР:

2.1. Новый алгоритм измерения угловых координат в ОИС с матричным приемником.

2.2. Статистическая модель собственной внешней атмосферы космического аппарата и модель дрожания платформы телескопа.

2.3.Алгоритм обнаружения/измерения координат при наблюдении через собственную внешнюю атмосферу космического аппарата.

2.4. Алгоритм компенсации дрожания платформы телескопа.

2.5. Алгоритм определения дальности по положению плоскости наилучшей резкости спеклов.

2.6. Новый метод расчета энергетики искусственной лазерной звезды, как источника информации для адаптивных ОИС.

2.7. Метод исследования слоистых рассеивающих сред основанный на полученном точном решении уравнения переноса, позволяющем получать информацию для диагностики и синтеза слоистых сред.

3. В рамках реализации методики разработаны методы оценки информации для ИР.

3.1. Оценка точности измерения координат (новый алгоритм с матричным приемником).

3.2.0ценка точности измерения координат при наблюдении через собственную внешнюю (СА) атмосферу космического аппарата (КА).

З.З.Характеристики обнаружения при наблюдении через СА

КА.

3.4.0ценка точности алгоритма компенсации дрожания платформы телескопа.

3.5.Оценка точности измерения дальности с помощью метода поиска плоскости наилучшей резкости спеклов.

3.6. Сравнительный анализ применения обычных и неэквидистантных приемников.

3.7.Характеристики обнаружения объектов наблюдаемых через слоистые рассеивающие среды.

3.8.0ценка точности восстановления голограмм.

3.9. Методика стоимостной оценки ИР.

4. Развит информационный подход к оценке информации в

сигнале:

4.1. Получена оценка информации в локационном сигнале.

4.2. Введен информационный критерий и проведена сравнительная оценка ОИС с использованием этого критерия.

4.3. Получены оценки потерь информации за счет аберраций и дефокусировки.

5. Разработаны методы оценки деградации и обновления информации для информационных ресурсов.

Основные публикации по теме диссертации.

1. Бакут ПЛ., Выгон В.Г., Шумилов Ю.П. Алгоритм измерения угловых координат точечного источника излучения. Радиотехника и электроника, t.XXI, № 7, 1976, с. 1467-1471.

2. Логинов В.Л., Шумилов Ю.П. К вопросу об измерении углового положения источника излучения по фазовому фронту принимаемой волны. В кн.: Всесоюзная конференция "Применение ОКГ в приборостроении и медицинской технике". Тез.докл., Москва, 1976, с. 105-108.

3. Логинов ВА„ Шумилов Ю.П. Исследование алгоритма измерения углового положения источника излучения по фазовому фронту принимаемой волны. В кн.: 1-й Всесоюзный симпозиум по оптическому приборостроению и голографии. Тез.докл., 4.4, Львов, 1976.

4. Буреев В.А., Шумилов Ю.П., Мандросов В.И. Анализ влияния передаточной функции пучка световодов на качество измерения углового положения источника излучения. В кн.: Всесоюзный семинар "Современные элементы оптоэлектроники для передачи и хранения информации". Тез.докл., Симферополь, 1976.

5. Бакут ПА., Выгон В.Г., Шумилов Ю.П. Оценка точности измерения положения светового пятна на фотокатоде квантового приемника излучения. Радиотехника и электроника, т.ХХП, № 6, 1977, с. 1218-1221.

6. Бакут П.А., Логинов В.П., Шумилов Ю.П. Методы определения границ точности в задачах оценивания неизвестных параметров. 4.1. Зарубежная радиоэлектроника, № 5, 1978, с. 3-36.

7. Бакут П.А., Логинов В.П., Шумилов Ю.П. Методы определения границ точности в задачах оценивания неизвестных параметров. 4.2. Зарубежная радиоэлектроника, № 6, 1978, с. 3-28.

8. Бакут П.А., Шумилов Ю.П. О точности измерения углового положения источника излучения при наблюдении через случайно -неоднородную среду. В кн.: VII Всесоюзная конференция по теории кодирования и передачи информации. Тез.докл., 4.4, Москва - Вильнюс,

1978, с.12-15.

9. Бурнейка К.К., Добрыгин В.Н., Шумилов Ю.П. Статистический метод повышения эффективности приема сигнала электромагнитного излучения, прошедшего через турбулентную атмосферу. В кн.: III Республиканская научно - техническая конференция по радиофизике. Тез.докл., Вильнюс, 1979.

10. Заворуев Ю.В., Камчатое В.Б., Шумилов Ю.П. Определение потенциальной точности восстановления голограммы светового поля. В кн.: V Всесоюзная конференция по голографии. Тез.докл., чЛ, Рига, 1985, с. 32.

11. Бакут ПА., Камчатое В.Б., Шумилов Ю.П., Никитин Л.Н. Характеристики обнаружения объектов, наблюдаемых через дискретную рассеивающую среду. В кн.: Всесоюзная научно -техническая конференция "Статистические методы в теории передачи и преобразования информационных сигналов". Тез.докл., Киев, 1985, с. 140.

12. Грабовский А.Ю., Слюсар В.В., Шумилов Ю.П. Измерение скорости вращения объекта с помощью импульсного лазера. В кн.: Всесоюзная конференция "Лазеры в народном хозяйстве". Тез.докл., Москва, 1986.

13. Коробко A.A., Бакут П.А., Добровольский A.B., Шумилов Ю.П. Исследование влияния атмосферной турбулентности на результаты фотометрии искусственных небесных тел. Наблюдение искусственных небесных тел. В кн.: Труды совещания "Проблемы физики верхней атмосферы и динамики искусственных спутников Земли". Астросовет АНСССР, №84, часть 1. М, 1988, с. 125-129.

14. Патент. Бакут ПА., Свиридов КН., Хомич Н.Ю., Шумилов Ю.П., Щеглов Н.В. Способ аттестации зеркала телескопа. Патент №2036420.

15. Коробко A.A., Добровольский A.B., Медведев Ю.А., Шумилов Ю.П. Аналитическое представление обобщенной модели области затенения Землей. Наблюдения искусственных небесных тел. М. Астросовет АНСССР. 1990, № 86. Часть II, с. 81-90.

16. Коробко A.A. Добровольский A.B., Шумилов Ю.П., Чайчук P.A. К вопросу об оптимизации способа оценки силы фонового излучения от естественных заатмосферных источников. Наблюдения искусственных небесных тел. М. Астросовет АНСССР, 1990, №86, Часть II, с. 67-84.

17. Коноводченко В.А., Шумилов 1С.и., Л 1 Ы И /1 А.Э., Мелепевский A.A., Щеглов Н.В., Шенаврин В.И. ИК фотометр для астрофизических исследований. В кн.: IV Всесоюзная научно -техническая конференция "Температура - 90", Тез. докл., Харьков, 1990, с.301-302.

18. Коноводченко В.А., Шумилов Ю.П., Мелепевский Ю.А., ПетикА.Г., Крухмалев H.H., Щеглов Н.В. Глубокоохлаждаемый болометр для ИК фотометра. В кн.: IV Всесоюзная научно - техническая конференция "Температура - 90", Тез. докл., Харьков, 1990, с.303-304.

19. Бакут ПЛ., Гришина И.Б., Шумилов Ю.П. Алгоритм компенсации дрожания платформы информационной оптической системы. Оптический журнал. 1994, №3, с. 16-20.

20. Бакут ПЛ., Шумилов Ю.П., Шульц C.B. Математическая "модель собственной внешней атмосферы космического аппарата и ее влияние на характеристики обнаружения оптических информационных систем. Оптический журнал. 1994, № 3, с. 26-31.

21. Бакут. ПЛ., Шульц C.B., Шумилов Ю.П. Оценка вектора состояния точечного объекта при случайных возмущениях углового положения оптической системы наблюдения. Оптический журнал. 1994, №3,с.32-35.

22. Шумилов Ю.П., Бакут ПЛ., Щеглов К.В. Применение неэквидистантных фотоприемных матриц в широкоугольных оптических системах обнаружения. Оптический журнал. 1994, №3, с. 36-,

23. Шумилов Ю.П., Свиридов К.П., Безденежных КВ., Бакут ПЛ. Прецизионный метод определения дальности до точечного источника, наблюдаемого через турбулентную атмосферу по измерению положения плоскости наилучшей резкости спеклов. Оптический журнал. 1994, №3, с. 39-44.

24. Шульц C.B., Шумилов Ю.П. Теоретико - информационный анализ оптико - электронных систем. В кн.: XXI Международная конференция и школа САПР-94 "Новые информационные технологии в науке, образовании, медицине и бизнесе". Тез.докл., Гурзуф, 1994, с. 6567.

25. Shults S.V., Bakut P.A., Shumilov Y.P. On the theoretical informational estimation of spatial signal restoration accuracy. SPIE, 1994, v. 2312, p. 296-304.

26. Бакут ПЛ., Шульц C.B., Шумилов Ю.П. О теоретико -информационной оценке точности восстановления сигналов.

Радиотехника и электроника. 1995, № т.40, с. 797-802.

27. Бакут ПА., Камчатое В.Б., Маркина О.М., Шумилов Ю.П. Искусственные маяки в адаптивных оптических системах. Зарубежная радиоэлектроника. 1995, №4 с. 29-37.

28. Shults S.V., Bakut PA., Shumilov Y.P. Influence of spacecraft's own extearnal atmosphere on the point target locayioji performances of space optical telescope SPIE. Proceedings Signal and Data Processing of small Targets, 1996, v. 2756, p. 530-535.

29. Бакут ПА., Ершова O.M., Шумилов Ю.П. Статистическая модель искусственной звезды. В кн.: XXIII Международная конференция «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе». Труды конф., Гурзуф, 1996, с. 229-230.

30. Камчатое В.Б., Шумилов Ю.П. Анализ информативности ультрафиолетового канала оптической информационной системы. В кн.: XXIII Международная конференция «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе». Труды конф., Гурзуф, 1996, с. 231.

31. Шульц C.B., Шумилов Ю.П. О характеристиках обнаружения точечного объекта космическим телескопом. Вкн.: XXIII Международная конференция «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе». Труды конф., Гурзуф, 1996, с. 243.

32. Бакут ПА, Шульц C.B., Шумилов Ю.П. О потенциальной точности определения координат объекта, наблюдаемого на коррелированном фоне. Радиотехника и электроника, 1996, т.41, № 8, с. 963-966.

33. Бакут ПА., Шумилов Ю.П. Статистический метод нижних границ в задачах защиты и обработки информации. В кн.: Международная конференция "Нейросетевые технологии обработки информации". Тез. докл., Гурзуф, 1996, с. 100-101.

34. Бакут П.А., Ершова О.М., Шумилов Ю.П. Расчет энергетики искусственной лазерной звезды. Квантовая электроника, 1996, №12, с. 1100-1104.

35. Ершова О.М., Шумилов Ю.П. Методы расчета энергетики искусственной лазерной звезды. В кн.: XXXIX Юбилейная научно -техническая конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальной и прикладной физики и математики", Тез. докл., Долгопрудный, ноябрь 1996,, с. 103.

36. Бакут П.А., Шумилов Ю.П. Национальные информационные

ресурсы: методы анализа, состояния и прогноза развития. В кн.XXIV Международная конференция «Новые информационные технологии в науке, образовании и бизнесе. Тез.докл., Гурзуф, 1997, с.127-128.метода определения концентрации озона по результатам спутниковых наблюдений. В кн.: Международная конференция «Оптика в экологии». Тез.докл., С-Пб, 1997, секция 1, докл.022.

37. Бакут ПЛ., Шумилов Ю.П. Разработка модели распространения лазерного сигнала в рассеивающей среде на основе решений уравнения переноса и их анализа. Ротапринт. Отделение «Лазеры и информационные технологии». МАИ, 1997, 83с.

38. Бакут ПЛ., Шумилов Ю.П. Информационные технологии, информационные ресурсы, интеллектуальная собственность - понятия, взаимосвязь, проблемы. Информационные ресурсы России, № 5, 1997, стр. 17-19.

39. Бакут ПЛ., Шумилов Ю.П. Теория информационных ресурсов. В кн.: XXV Юбилейная Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе». Труды конф., Гурзуф,1998, с.154-158.

Лицензия ЛР № 020563 от 07.07.97 Подписано к печати

Формат издания 60x84/16 Бум.офсет. № X Печать офсетная Печ.л. 2- Уч.-изд.л. £ 2. Тираж 40С экз.

Заказ № 5906

Типография издательства МЭСИ. 119501, Москва, Нежинская ул., 7

фо^киду

g ЪОЗ/о^

'С) лА

•

'¡А/ /Э у™' / " / -О / V Г7 , , ^ Г? /Л/У^ "

' ( ЬУ и / С** -V

Государственное унитарное предприятие «НПО Астрофизика»

Шумилов Юрий Петрович

На правах рукописи.

Методы создания и анализа информационных ресурсов оптических информационных систем.

05.13.17. Теоретические основы информатики.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук профессор Бакут П.А.

Москва 1998

Оглавление

Стр.

Введение 6

Глава 1. Теория информационных ресурсов......................................................................17

§1.1. Термины, понятия определения. Задача теории

информационных ресурсов....................................................................................................................17

§ 1.2. Методика создания информационных ресурсов..................18

§1.3. Матрица информационных ресурсов и их

классификация....................................................................................................................................21

Глава 2. Методы создания/обнаружения информации для информационных ресурсов оптических информационных систем обнаружения и

измерения координат....................................................................................................................24

§2.1. Статистический синтез алгоритма измерения

угловых координат точечного источника квантового

излучения........................................................................................................................................24

§2.2. Статистический синтез алгоритма обнаружения/ измерения при наблюдении через собственную

внешнюю атмосферу космического аппарата............................26

§2.3. Алгоритм компенсации дрожания платформы

телескопа космического аппарата................................................................37

§2.4. Метод определения плоскости наилучшей

резкости спеклов для определения дальности

до объектов наблюдаемых через турбулентную

атмосферу..............................................................................................................................................42

2.4.1. Дефокусировка изображения точечного

объекта за счет кривизны фазового фронта................42

2.4.2. Дефокусировка изображения точечного

объекта за счет турбулентности атмосферы и кривизны фазового фронта и определение по ней дальности при длинноэкпозиционной регистрации................................................................... 47

2.4.3. Определение дальности до точечного объекта по дефокусировке спекла за счет кривизны фазового фронта при коротко экспозиционной регистрации.... 50

2.4.4. Область применимости предлагаемого метода......... 52

Глава 3. Методы создания/обнаружения информации для

информационных ресурсов оптических информационных систем создания и измерения физических информационных

характеристик................................................................ 57

§3.1. Метод создания лазерной звезды для адаптивной

оптической системы............................................................. 57

3.1.1. Резонансное рассеяние в натриевом слое.

Требования к лазеру....................................................... 58

3.1.2. Флюоресцентная область в натриевом слое при формировании искусственного опорного

источника......................................................... 62

3.1.3. Фокальный неизопланатизм.......................................... 62

3.1.4. Использование искусственной лазерной звезды

для восстановления изображения.................................. 64

3.1.5. Расчет энергетики искусственной лазерной

звезды................................................................................ 70

§3.2. Метод создания информации для информационных ресурсов на основе точного решения одномерного уравнения переноса излучения в рассеивающих средах...................................................................................... 90

3.2.1. Решение одномерного уравнения переноса....................90

3.2.2. Анализ решения................................................................................................................99

Глава 4. Оценка информации для информационных ресурсов

оптических информационных систем..............................................................109

§4.1. Метод нижних границ для оценки информации информационных ресурсов оптических

информационных систем................................................................................................109

§4.2. Оценка точности измерения угловых координат с

помощью оптимального алгоритма........................................................117

§4.3. Характеристики обнаружения и оценка точности алгоритма измерения координат с учетом собственной внешней атмосферы космического

аппарата........................................................................................................................................................121

§4.4. Оценка алгоритма компенсации дрожания

платформы телескопа............................................................................................................130

§4.5. Оценка точности определения дальности по

дефокусировке спекла за счет кривизны фазового

фронта..................................................................................................................................................................135

§4.6. Анализ эффективности применения неэквидистантных

приемников......................................................................... 137

§4.7. Определение потенциальной точности восстановления

голограммы светового поля........................................................................................144

§4.8. Характеристики обнаружения объектов при

наблюдении через рассеивающую среду................................................146

§4.9. Оценка инвестиций, необходимых для создания/ обнаружения информации для информационных

ресурсов............................................................................... 150

§4.10.Теоретико-информационная оценка сигналов в

оптических информационных системах....................................................158

4.10.1. Математическое обоснование информационного подхода................................................................................................................................................159

4.10.2. Оценка требуемого количества информации в информационной системе обнаружения -

измерения координат....................................................................................................168

4.10.3. Применение информационного критерия для анализа конкретных оптических информационных систем и количества

информации................................................................... 172

4.10.4. Оценка изменения количества информации

в сигнале при наличии дефокусировки и аберраций

в оптических информационных системах................... 186

Глава 5. Метод оценки деградации информации для

информационных ресурсов....................................................... 196

§5.1. Задача оценки деградации..................................................... 196

§5.2. Математическая модель деградации информационной

эффективности системы......................................................... 197

§5.3. Метод экспериментальной оценки параметров прогноза... 204 §5.4. Закон обновления информации для

информационного ресурса......................................................................................213

Заключение 216

Литература 218

Введение.

Информационные ресурсы (ИР) сравнительно давно определены как экономическая категория [1]. ИР относится к тем немногим ресурсам, которые являются возобновляемыми. Информация является естественным источником информационных ресурсов. И вот, несмотря на то, как отмечено в [2], что фундаментальная революция происходит не в ядерной физике, микроэлектронике, ..., а в области информации, работ, посвященных проблеме создания и анализа ИР, практически нет.

В работах [3-5] разрабатываются начала теории ценности информации, в конечном счете сводящаяся к определению уменьшения неопределенности при получении информации в сигнале. В последующих работах, базирующихся на этом подходе, строятся модель учета стоимости в теории ценности информации [6], количественная оценка старения информации [7] и определение ценности информации в рамках подхода при различных условиях наблюдения [8,9]. В [10] лишь констатируется вопрос о необходимости определения достаточного информационного ресурса при проведении испытаний сложных систем. В фундаментальной монографии [11] предлагается оценка запасов информации в биоте и цивилизации и, в том числе, рассматривается вопрос об уменьшении этой информации в связи с деятельностью человека. Более конкретными, но опять же носящими описательный характер, являются исследования по использованию ИР в образовании [12], классификации ИР [13], а также посвященные правовым вопросам принадлежности ИР [14].

Таким образом, анализ показывает, что практически отсутствуют количественные оценки ИР и, что в данный момент может быть более важно, внятное определение ИР. Отсутствует словарь информационных терминов и мониторинг этого словаря. Кроме того, попытки описать всю информацию в единых единицах так и не нашли обобщений и, так или иначе привязаны к конкретным задачам.

Исследование законов создания ИР, их использования, оценки их состояния и стоимости является актуальной и глобальной задачей. Особенно ее решение важно для наукоемких направлений человеческой деятельности. Одним из таких направлений являются оптические информационные системы (ОИС).

Многообразие оптических информационных систем велико. Их информационные возможности и выходные характеристики зачастую дублируют друг друга с превышением необходимой надежности, что нерационально и дорого. Однако нет до сих пор обобщающего определения понятия информационного ресурса системы. Нет основы для исследования ИР

- теории информационных ресурсов (ТИР). Далее, создание ИР, а точнее создание/обнаружение информации для создания информационных ресурсов

- это самостоятельная задача. Здесь необходимо отметить, что имеется множество методов создания ИР, которые известны, однако новые задачи требуют новых методов создания/обнаружения информации для ИР, основанных на новых моделях и новых решениях. К примеру, модель собственной внешней атмосферы космического аппарата, или точное решение уравнения переноса для слоистых сред.

Соединение знания методов создания/обнаружения информации для формирования информационных ресурсов, с одной стороны, знание законов изменения и методов анализа ИР, с другой, позволяют найти количественное описание ИР, в данном случае ОИС, что в свою очередь, позволяет найти надежный оптимальный безызбыточный потенциал ИР ОИС. Все это логично подводит к постановке данной работы.

С учетом актуальности перечисленных направлений исследований цель диссертационной работы - решение проблемы представления и оценки информационных ресурсов по результатам исследований методов создания и анализа информационных ресурсов оптических информационных систем и введение их в общую структуру ИР.

Основные задачи исследований заключались в следующем:

- разработка и обоснование теории работы с ИР ОИС;

- разработка новых методов создания/обнаружения информации для ИР ОИС;

- разработка новых методов анализа информации для ИР ОИС. Диссертация состоит из введения, пяти глав, в которых, собственно,

изложены оригинальные результаты, полученные автором и в соавторстве, заключения и списка цитируемой литературы.

Первая глава посвящается изложению формулировки автором основных положений теории информационных ресурсов. В первом параграфе определяется терминология теории, вводится новое обоснованное определение информационного ресурса. Информационный ресурс - это информация созданная и/или обнаруженная, зарегистрированная, оцененная, с определенными законами деградации и обновления.

Таким образом, информация, став информационным ресурсом, приобретает присущие только этому понятию (величине) свойства, сохраняя свои собственные. Изучение этих свойств, их взаимосвязи и является, в том числе, предметом теории информационных ресурсов (ТИР). Более конкретная задача для ТИР - это решение оптимизационной задачи с постоянно меняющимся критерием оптимизации. (Формирование оптимального объема ИР, необходимого для решения, в том числе и экстремальных задач).

Далее, во втором параграфе, исходя из определения ИР предлагается следующая методика создания ИР.

1. Создается и/или обнаруживается информация.

2. Информация регистрируется.

3. Информация оценивается.

4. Определяется закон деградации для данного вида информации.

5. Определяется закон обновления.

Каждый пункт методики реализуется с помощью соответствующего преобразования с характеризующими его параметрами. Нахождение конкретного вида преобразований и соответствующих параметров также является одной из основных задач ТИР.

В третьем параграфе вводятся и определяются показатель эффективности информационного ресурса в зависимости от фактора, мощность информационного ресурса и матрица информационного ресурса. Предлагается макроклассификация (краткая) информационных ресурсов.

Результаты первой главы служат методической основой формирования информационных ресурсов. В том числе, оптических информационных систем.

Вторая и третья главы диссертации посвящены методам создания/обнаружения информации для ИР оптических информационных систем, вторая для систем обнаружения и измерения координат, третья - для оптических систем создания информации и измерения физических характеристик. Эти результаты приводят к нахождению соответствующих преобразований и их параметров. Приводятся только новые результаты, полученные автором лично или в соавторстве.

Во второй главе в первом параграфе рассматривается метод максимального правдоподобия (МП), который позволяет получить новые алгоритмы обработки, когда некоторые преобразование уже заданы. Полуклассический подход позволяет рассматривать сигнал до регистрации как волну, при регистрации учесть квантовую структуру сигнала и, задавшись пуассоновской статистикой фотоэлектронов, получить отличный от обычного алгоритм измерения угловых координат.

Во втором параграфе рассматривается метод статистических моделей применительно к формированию собственной внешней атмосферы космического аппарата. На основе этой модели и метода функционалов правдоподобия синтезируется оптимальный алгоритм обработки сигнала,

заключающийся в адаптивной дефокусировке точечных составляющих собственной атмосферы космического аппарата и последующему сглаживанию фона в двух «окнах» фильтрации, его вычитанию и получению требуемых характеристик обнаружения. Результаты по исследованию моделей фона и собственной внешней атмосферы подтверждены экспериментально.

Важным моментом является учет режима функционирования, который вносит свои особенности в формирование информации ОИС. Это относится к методу компенсации дрожания платформы телескопа оптической системы.

Метод основан на модели дрожания кадра при измерении координат объекта и метода максимального правдоподобия, который приводит к новому алгоритму компенсации.

Приводится новый прецизионный метод определения дальности до точечного источника, наблюдаемого через турбулентную атмосферу по изменению плоскости наилучшей резкости спеклов. Подробное восстановление спекл-картины и измерение размера наименьшего спекла позволяют измерить кривизну фазового фронта волны и по ней дальность до объекта по полученной аналитической формуле.

В третьей главе рассмотрена проблема увеличения информативности за счет формирования искусственной лазерной звезды и распространения излучения в рассеивающих средах. В первом параграфе кратко анализируются физические основы формирования искусственных лазерных звезд, описан мезосферный натриевый слой и объяснен выбор именно натриевого слоя для формирования искусственного источника излучения. Описаны наиболее распространенные методики разделения натриевого резонансного и релеевского сигналов. Получены основные соотношения, являющиеся требованиями к лазерному излучению, используемому для формирования искусственного лазерного маяка. Определен фокальный изопланатизм. Проведен расчет энергетики излучения с учетом характеристик зондирующего сигнала, конечного времени пролета атомами натрия лазерного

луча, эффекта Доплера вследствие теплового движения рассеивающих атомов, атмосферной турбулентности и получены аналитические зависимости.

Проведенные численные расчеты показали, что введение учета доплеровского сдвига частоты за счет движения атомов, эффекта, связанного с конечным временем пролета атомами освещенной области, атмосферной турбулентности, импульсного характера и частичной когерентности приводит к ослаблению энергии принятого излучения в 200-500 раз по сравнению с идеальным случаем.

Во втором параграфе рассматривается метод уравнения переноса для расчета распространения излучения в рассеивающих средах. Получен новый фундаментальный результат - точное решение одномерного уравнения переноса. Проведен анализ решения для непрерывного и импульсного излучения. Получены результаты, позволяющие проводить диагностику газовых и аэрозольных сред, слоистых покрытий, обнаружение объектов через маскировочные покрытия, управляемый синтез экранов и маскировки.

В четвертой главе проводится оценка информации (преобразование оценки) для информационных ресурсов, полученной после преобразований создания/обнаружения информации и преобразование регистрации (или одного из них).

В первом параграфе предлагается метод нижних границ для оценки информации для ИР ОИС и дается краткое описание новой не улучшаемой нижней границы средних квадратов ошибок