автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и исследование элементов систем управления на основе электронно-лучевой оптики

На правах рукописи

Фатьянова Наталья Георгиевна

Разработка и исследование элементов систем управления на основе электронно-лучевой оптики

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2013

005531594

005531594

Работа выполнена в Государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования московском государственном институте электроники и математики национального исследовательского университета "Высшая школа экономики"

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Ивашов Евгений Николаевич

Официальные оппоненты: Балашов Владимир Николаевич,

доктор технических наук, профессор ФГОУ ВПО НИУ Московский Энергетический Институт, профессор кафедры Вычислительные машины, системы и сети; Бегучев Всеволод Петрович, кандидат технических наук, доцент, Главный специалист, ФГУП «НПО «Орион»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики»

Защита диссертации состоится « »сентября 2013 г. в 40 ч. на заседании диссертационного совета Д 217.047.01 при ФГУП «Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники электрооборудования» по адресу: 105187, Москва, ул. Кирпичная, д. 39-41.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП "Научно-исследовательский и экспериментальный институт автомобильной электроники и электрооборудования"

Автореферат разослан <*?#» ЫЮНЯ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 217.047.01, доктор технических наук, старший научный сотрудник

О.О. Варламов

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Разработка автоматизированных систем быстрой обработки изображении и распознавания образов транспортабельных средств является одной из главных задач транспортной электроники. Развитие транспортабельных устройств идёт одновременно с быстрым и постоянно увеличивающимся ростом скоростей в условиях плохой видимости. Поступающий поток информации, подлежащий быстрой переработке и использованию, является важным условием обнаружения движущихся объектов. Для формирования исходного изображения могут быть использованы как фазированные антенны радиолокационных станций, ЭОПы, формирующие изображения в разных диапазонах длин волн и матричные фотоприёмники. Быструю обработку этих изображении должны осуществлять надёжные и простые в управлении средства, которыми являются устройства вакуумной компьютерной оптики, обеспечивающие выполнение операций распознавания образов. Это аналого-цифровое устройство электронной техники способное выполнять как распознавание образов, так и осуществлять математические вычисления (быстрое перемножение матриц с большим объёмом информации, Фурье-анализ и др.). Электроннолучевые процессоры могут стать мощным средством повышения тактико-технических

характеристик высокоприцельного оружия и т.д.

Они построены на Традиционных элементах электронной техники, а на элементах электронно-лучевой компьютерной оптики, что позволило создать новый элемент электронной техники, хорошо интегрируемый в различные системы визуализации слабо

различимых объектов.

Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие теории и проектирования принципиально новых элементов вычислительной техники -электронно-лучевых процессоров в миниатюрном исполнении. Создание базы знании по электронно-лучевым процессорам на основе вакуумной компьютерной оптики невозможно без создания алгоритмов и моделей расчёта, соответствующей системы проектирования, базирующихся на достижениях и развитии миниатюризации элементов вакуумной

электроники и технологии микроэлектроники.

Развитие транспортабельных систем способных обеспечивать надежность работы при больших перегрузках, быть устойчивыми при прохождении областей с большими интенсивностями ионизирующих излучений, сохраняя возможность быстрой обработки изображений, позволит расширить применение вычислительной техники в полевых условиях Они требуют разработки комплекса методических указаний, инструкции и Оаз знаний используемых на каждом этапе проектирования и регламентирующих их последовательность. Это делает исследование теории и моделирование электроннолучевых процессоров, особенно на стадиях их предварительной разработки, задачей актуальной и своевременной.

Мель работы

Целью диссертации является разработка научных основ проектирования, алгоритмов и моделей для исследования общих свойств и принципов функционирования новых элементов вычислительной техники - компьютерной электронно-лучевой оптики, для системы распознавания образов и автономной навигации мобильнои техники, а также поиска технологических решений этого процесса с последующим созданием технических решений устройства электронно-лучевых систем. В целом, всё это должно привести к оптимизации процесса разработки электронно-лучевых систем с тем, чтобы создаваемые изделия отвечали растущим требованиям увеличения скорости обработки больших объёмов информации, распознавания подвижных образов.

В соответствии с поставленной целью на защиту выносятся: - результаты системного анализа структуры и состава, геометрических размеров и эксплуатационных параметров, а также технологической реализации и информационных характеристик электронно-лучевого вычислителя;

3

- математическая модель оптимального выбора структурно-конструктивной схемы электронно-лучевого вычислителя;

- методика и алгоритм формирования математических моделей функционирования электронно-лучевого вычислителя;

- алгоритм и модель принятия решений и их практической реализации при выборе конструктивных и эксплуатационных свойств элементов компьютерной оптики вычислительной техники;

- методика эволюционного синтеза структурно-конструктивных схем, методика и алгоритм формирования математических моделей функционирования электронно-лучевых процессоров, включающая в себя новые процедуры модернизации прототипа;

- алгоритм поиска технологических решений процесса формирования структурно-конструктивных элементов электронно-лучевых вычислителей;

- результаты применения алгоритма поиска патентоспособных технологических решений процесса формирования структурно-конструктивных элементов электронно-лучевых компьютеров и разработанные на их основе новые устройства вычислительной техники;

- обоснование выбора применяемых решений для построения системы обработки информации, обеспечивающей взаимодействие элементов ЭЛВ.

Основными методами исследования в работе являются положения теории систем, теории множеств, теории оптимального управления, теории принятия решений, теории математической статистики, теории решения дифференциальных уравнений и последовательного анализа уже известных процессов формирования структурно-конструктивных элементов ЭЛВ. Результаты. Представленные в диссертационном исследовании результаты, также бьии получены с использованием современных методов программирования и компьютерного моделирования. Общей методологией основой всех исследований является системный подход.

Достоверность проведённых теоретических и прикладных исследований обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов и методов, а также согласованностью теоретических и прикладных данных, известных в литературе и полученных автором.

Научная новизна обусловлена:

- разработкой алгоритма выбора структурно-конструктивных элементов электроннолучевого процессора электронной техники, на базе управляемых электронно-лучевых транспарантов;

- вьивлением способности электронно-лучевого процессора обеспечивать не только математические вычисления большой сложности, но и оперативно (за один машинный такт) осуществлять распознавание образов;

- предложением нового метода и алгоритма решения задачи умножения матрицы на векторы с применением изотропной развёртки потока электронов, несущих информацию о векторах в электронно-лучевом процессоре;

- выявлением закономерностей формирования дифракционного гало, получаемого при численном дифракционном преобразовании цифровой информации либо при натуральном дифракционном преобразовании аналоговой Фурье-спектрограммы, впервые применяемых в электронно-лучевым процессоре;

- выявлением закономерностей и разработкой метода формирования двухмерных интерференционных картин, используя трёхмерные структуры из электронных микролинз транспаранта в электронно-лучевом компьютере, которая обладает возможностью изменения амплитуды, частоты, длины волны и конфигурации интерференционной картины электромагнитного излучения за счёт изменения потенциалов на электродах микролинз;

- разработкой алгоритма управления процессом инвертирования и масштабирования изображения объекта за счёт изменения оптической силы электронных линз путем изменения напряжения или тока возбуждения.

- выявлением возможности использования третьего измерения для ввода/вывода объемной информации, что создает дополнительные возможности электронно-лучевым вычислителям, которым у проводниковых схем нет никаких аналогов.

Практическая ценность состоит в том, что разработана база знаний электроннолучевых вычислителей, являющаяся основой системы поддержки принятия рациональных решений при их проектировании, основанных на элементах компьютерной оптики, на стадиях их предварительной разработки. Предложен метод снижения малогабаритных показателей в рабочем состоянии электронно-лучевых вычислителей, выполнен синтез технических решений этих устройств.

Реализация и внедрение результатов работы

Теоретические и практические результаты диссертационной работы используются в практике системного конструирования для производства приборов фото- и микроэлектронной техники в Государственном научном центре РФ ФГУП "НПО Орион , в НИИ микроэлектроники и информационно-измерительнои технике, в НИИ перспективных материалов и технологий, а также в учебном процессе Московского государственного института электроноки и математики на кафедре "Технологические системы электроники" при чтении лекций по курсам "САПР оборудования и технологий , "Моделирование рабочих процессов, технологий и оборудования", "Основы принятия технических решений", в учебном процессе Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики на кафедре № 134 "ИК-техники и электронной оптики" при чтении лекций по курсам "Основы электронно- и ионно-лучевых приборов и устройств", "Электронная оптика", в учебном процессе Российском экономическом университете им. Г.В. Плеханова на кафедре технологических инноваций при чтении лекций по курсу "Инноватика".

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: Всероссииских семинарах "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики ; Научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника"; Международной научно-практической конференции "Техника и технологии: пути инновационного развития"; Международной конференции Фото-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы", Российских конференциях по электронной микроскопии и др.

Публикации . я

По теме диссертации опубликовано 22 научных работ, в том числе 6 раоот опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложения.

Краткая характеристика диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и вытекающие из нее задачи исследования. Определены объекты и методы исследовании. Изложены научная новизна и практическая значимость, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена анализу современного состояния миниатюризации электронной техники и постановке задачи создания микропроцессоров на базе новых принципов обработки информации с целью распознавания образов движущихся объектов при плохой видимости.

В главе 2 описывается структурный синтез быстродействующего электроннолучевого вычислителя и поиск его оптимального физического принципа действия. Рассмотрена классификация электронно-лучевых элементов вычислительной техники и методика выбора вида технического объекта для проектирования нового класса устройств электронной техники на базе вычислительной электронно-лучевой оптики.

Представлена методика выбора вида технического объекта (ТО) для проектирования нового класса вычислителей на базе вычислительной электронной оптики. При формировании вектора параметров и признаков выбираемого вида электроннолучевого вычислителя (ЭЛВ) используются показатели качества, определённые в постановке задачи работы. Вектор критериев выбора формируется путём усечения вектор параметров и признаков в соответствии с существующими и введёнными эвристическими правилами. Вектор порождающих параметров и признаков Рп и вектор связи с порождающими параметрами и признаками Р„ имеют следующий вид: Р„ = (а0) = (а,б,в), Рс. = (8н,а0,'т,>У)

Вектор Рс» определён на основании анализа связей свойств оборудования электронной техники (ЭТ) и вакуумного ЭЛВ. Применяя известное эвристическое правило, устанавливающее, что выбор должен проводиться по показателям качества, наиболее полно характеризующих технический объект в целом и влияющих на другие, векторы критериев. При определении оптимального физического принципа действия ЭЛВ рассматривается вся совокупность видов электронно-лучевых элементов. Множество альтернатив для проведения выбора вида элементов ЭЛВ определено согласно классификации электронно-лучевых элементов по физическому принципу действия (ФПД). Из него к выбору могут быть допущены классы, не находящиеся в иерархическом подчинении.

Формирование множества альтернатив из классов верхних иерархических уровней приводит к тому, что выбор будет проводиться среди альтернатив, каждая из которых охватывает широкий круг подклассов, значительно друг от друга отличающихся. Такой подход в задачах выбора, как правило, приводит к тому, что круг альтернатив, удовлетворяющих заданию на выбор, бывает очень широк, что снижает эффективность решения задачи выбора. С другой стороны, формирование множества альтернатив из класса нижних иерархических уровней нецелесообразно, поскольку конструктивные особенности, по которым из них идёт классификация для определения ФПД, имеют уточняющее значение. Исходя из этого, формируется множество альтернатив видов электронно-лучевых элементов электронной оптики, каждому из которых соответствует ФПД. На основе экспертных оценок альтернатив формируется эвристическая модель выбора вида ЭЛВ.

Проектирование нового технического объекта (ТО) - вакуумного вычислителя ведётся путём усовершенствования известного аналога и прототипа. Таким образом, при разработке нового ТО имеет место эволюционный синтез - последовательная модернизация исходного варианта.

В основе эволюционного синтеза лежит устранение рассогласования между функционированием и имеющейся структурной схемой вакуумного вычислителя. При эволюционном синтезе ТО - вакуумного вычислителя необходимо выявление целей, связанных со структурой и функцией ТО. Методические основы логико-эвристического выявления и разрешения технических противоречий при синтезе вакуумного вычислителя и его элементов позволяют избавиться от выявляемых недостатков и проблем и провести синтез рациональной структуры вакуумного вычислителя.

Структурно-конструктивная схема ЭЛВ представлена на (рис.1) Отличие от фотонного вычислителя заключается в том, что фотонный осветитель, стеклянная линза и фотооптический транспарант заменены на электронную пушку, электронно-оптическую линзу и управляемый электронно-оптический транспарант соответственно. Цикл работы ЭЛВ состоит из нескольких этапов (операций). На первом этапе происходит параллельная загрузка информацией транспаранта, которая заключается в том, что на каждую микролинзу подаётся определённый потенциал, что ведёт к изменению параметров электронного пучка в каждой ячейке по определённому закону. На втором этапе все пучки электронов, прошедшие через микролинзы транспаранта проходят через главную электронную линзу, в результате чего в задней фокальной плоскости линзы формируя пространственный спектр изображения созданного транспарантом. Третии этап это регистрация пространственного спектра с помощью открытой ПЗС матрицы.

Рис 1 Структурно-конструктивная схема ЭЛВ: 1 - электронно-лучевая пушка; 2 -управляемый транспарант; 3 - электронная линза-процессор; 4 - ПЗС матрица; 5 изолирующие оправы; 6 - оправа линзы-процессора; 7 - электронный пучок; 8 - блок загрузки информацией транспаранта; 9 - блок управления линзой-процессором; 10 - блок

считывания информации с ПЗС матрицы.

В результате анализа определены физические противоречия, основным узловым параметром которых является информативность, связанная с наличием большого объема «мёртвого» поля на транспаранте (из-за высоких требований к электрической изоляции между электростатическими микролинзами), а также с невозможностью в данной схеме обеспечить двойное Фурье-преобразование вводимой информации.

Узловые элементы конструкции, образующие транспарант, обуславливают выявленные физических противоречий, которые возможно разрешить, заменой элементов транспаранта и связей между ними. Например, заменив электростатические электронные линзы на магнитные, с одновременной заменой структурно-конструктивнои схемы (рис.2), которая позволяет уменьшить размеры изоляции между микролинзами и тем самым повысить "прозрачность" транспаранта, увеличив число микролинз при том же диаметре проходного канала, и введя дополнительный транспарант - Т2 и линзу-процессор - Л2, которые обеспечивают двойное Фурье-преобразование вводимой информации и расширяют технические возможности ЭЛВ. При замене электростатических микролинз на магнитные микролинзы, уменьшается «мёртвое» пространство на транспаранте, увеличивается число микролинз транспаранта, расширяются вычислительные возможности ЭЛВ. Таким образом, исходная цель - увеличение вычислительного ресурса -одного из существенных показателей качества ЭЛВ может быть достигнута за счет изменения схемы. Следующим шагом эволюционного синтеза является введением в структурно-конструктивную схему ещё одной электронной линзы, обеспечивающей изменение поля изображения Фурье-спектра на поверхности приёмника.

Осветитель Т,+Л, Л1 Приёмник

Входные сигналы Поток электронов

Рис. 2. Структурно-конструктивная схема 2 ЭЛВ.

Попытки дальнейшего эволюционного синтеза, направленные на улучшение существенных показателей качества ЭЛВ, показали, что оно сопряжено с увеличением его характерного габаритного размера, а разрешение возникающих при этом технических противоречий затруднено.

Разработанная в результате эволюционного синтеза структурно-конструктивная схема (рис.2) позволяет провести теоретические исследования функционирования элементов ЭЛВ, направленные на определение зависимостей функциональных параметров от внутренних, разработать конструкцию ЭЛВ и провести её экспериментальное исследование. Синтезированная структурно-конструктивная схема ЭЛВ (рис. 3) содержит три управляемых транспаранта (Ть Тг, Тз).

На основе системной модели данного ТО разработаны патентоспособные структурные схемы ЭЛВ, отличающиеся от известных тем, что используются электронно-оптические элементы как в качестве транспарантов, так и в качестве линз-процессоров. Глава 3 посвящена исследованию функционирования компьютерной электронно-лучевой оптики. Операции сложения и умножения, могут осуществляться с помощью управляемых электронных линз (рис. 4).

Отметим, что указанные на рисунке простейшие операции сложения возможны лишь, если пучок обладает хотя бы частично когерентностью. Многочисленные исследования в электронных микроскопах показали при разных ускоряющих напряжениях,

Рис. 3. Структурно-конструктивная схема 3 ЭЛВ: 1 - осветитель; 2 - транспарант; 3 -электронные линзы-процессоры; 4 -электронная линза для переноса изображения на ПЗС-матрицу; 5 - ПЗС матрица; 6 - блок загрузки Т,; 7 - блок управления Л,; 8 -блок загрузки

Т2; 9 - блок управления Л2; 10 - блок управления линзой Л3; 11 - блок считывания информации с ПЗС матрицы.

А+В+С

А+В+С

Рис.4. Элементарные аналоговые операции с помощью электронных линз: а -сложение лучей; б - сложение с помощью электронной линзы; в - умножение на основе эффекта пропускания электронного пучка электронной линзой; г - умножение на основе эффекта отражения электронного пучка от электронного зеркала; Япро - управляемый коэффициент пропускания; Ищр - управляемый коэффициент отражения.

Сложение когерентных пучков происходит с учётом фазовых характеристик, поскольку складываются не интенсивности, а амплитуды падающих волн. Существенное отличие электронных линз от фотонных заключается в том, что электронные линзы легко управляемы и могут изменять не только оптическую силу, но и, в случае электростатического варианта, изменять скорость движения электронов вплоть до полного торможения, и изменять интенсивность пропускания электронов. Всё это в принципе не возможно для фотонной оптики. Аналоговая операция инвертирования и масштабирования, а также изменение угола поворота изображения, управляется изменением потенциалов. При выполнении такой операции с изображением (например, имеющим размер 6x12 см), обладающим 60000x120000 элементами разложения, будет соответствовать минимально 7,2 Гб.

Если входная и выходная плоскости совпадают с передней и задней фокальной плоскостями собирающей электронной линзы и на вход такой системы поступает сигнал (/, (л-, то на выходе появляется сигнал, связанный со входным сигналом следующим соотношением:

(1)

гле f - фокусное расстояние электронно-оптической системы (ЭОС); Л- длина волны электронного пучка; хн,ун ■ координаты в выходной плоскости системы. Таким образом, выходной сигнал рассматриваемой простейшей ЭОС с точностью до постоянного множителя совпадает с Фурье-образом входного сигнала. Следует отметить, что Фурье-образ входного сигнала существует в виде физически реального пространственного распределения комплексных амплитуд электромагнитной волны электронного пучка. Благодаря этому когерентные системы могут быть эффективно использованы для решения

широкого круга задач, связанных с получением, преобразованием и обработкой Фурье-спекгров, корреляционных функций и свёрток.

Поскольку Фурье-образы двумерных сигналов (изображений) реализуются в виде реальных физических сигналов с помощью простейшей ЭОС, над ними можно производить различные математические операции методами пространственной фильтрации. ЭОС обработки информации методами пространственной фильтрации представлена на рис.2.

Устройство ввода информации Т), располагается соответственно во входной плоскости (х, у{), линзы Ль линза Л3 в спектральной Фурье-плоскости (х!у2), а детектор в

выходной плоскости (х,у,) системы. Линза Л| осуществляет преобразование Фурье сигнала С/, (х, ), созданного транспарантом, поэтому в спектральной плоскости системы непосредственно перед операционным фильтром распределение комплексных амплитуд электронного пучка пропорционально Фурье-образу входного сигнала (объекта).

Амплитудно-фазовый коэффициент пропускания операционного фильтра определяется выражением:

ги=С-Я(С,7), (2)

где С - комплексная константа, а функция Н{£,ц) соответствует математической операции, которую необходимо выполнить над входным сигналом, её называют передаточной функцией фильтра.

После пространственной фильтрации электронно-оптический двумерный сигнал подвергается повторному преобразованию Фурье с помощью линзы Лз (рис. 3). В результате в выходной плоскости ЭОС электромагнитное поле пучка будет иметь распределение:

С/,(х„у,) = --^-г \\и, (С,П)' Я(С,^)ехр[2я1(.г3 < + цШ*П, (3)

где С\ - комплексная константа. Направления координатных осей в выходной плоскости ЭОС выбраны противоположно направлениям осей координат во входной плоскости для того, чтобы учесть инверсию, которая получается в результате двух последовательных преобразований Фурье Г и выражается соотношением /г{/г[?У(.г,><)]} = 1!(-х,-у).

Таким образом, ЭОС, представленная на рис. 3, способна выполнять линейные интегральные преобразования типа свертки, описываемые уравнением (3). В частном случае, когда Н = 1, данная система превращается в систему, создающую изображение входного сигнала. Фурье-образ входного сигнала ЭОС имеет неограниченную протяжённость. Поэтому ошибка в выходном сигнале, обусловленная потерей части Фурье-образа, соответствующая высоким пространственным частотам, неизбежна.

В качестве другого примера практического использования аналоговых электронно-оптических компьютеров рассмотрим операционные устройства, выполняющие операции со множеством аналоговых числовых данных. Объектом операций, или данными, будем считать вектор, состоящий из п чисел, и двумерную матрицу размерностью п х п. На рис. 5 показан пример структуры базового электронно-оптического арифметического устройства, выполняющего умножение вектора и матрицы при п = 3.

Слева показаны три источника электронных лучей, расположенные горизонтально. Их может формировать транспарант Т|. В центре рисунка расположен транспарант Тг размером 3x3, а справа - вертикально три ячейки детектора (приёмника), ожидающие получения сигнала. Кроме того, снабдим ЭОС дополнительными цилиндрическими линзами или анизотропными отклоняющими системами и разместим их таким образом, чтобы электронный луч, излучаемый одним из источников, например X] распространялся веерообразно по вертикали, как показано на рисунке, и попадал только на часть маски транспаранта Тг - аи,аа,а1г (в данной схеме электронные линзы не показаны).

Транспарант Т2

Рис. 5. Принцип действия оптического операционного устройства, выполняющего умножение вектора на матрицу.

Электронный луч от источника х2 распространяется также вертикально веерообразно (с помощью другой цилиндрической линзы - это новый метод умножения матрицы на векторы) и падает на соседние участки маски а^,аи,ап и до других участков не доходит. Интенсивность электронного луча, прошедшего через транспарант Т2, определяется произведением интенсивности входного луча х, на коэффициент пропускания данного участка транспарант Т2. Далее, луч, прошедший через транспарант, фокусируется линзой Лэ, но только по горизонтали. Электронные лучи, прошедшие через элементы а„,а2„а„ в верхней части транспаранта Тг, достигают только самого верхнего ряда приёмника Аналогично электронные лучи, прошедшие через второй ряд ячеек транспаранта аи,ап,ап достигают только приёмника у2. В конечном итоге интенсивность электронного пучка в 1-ом приёмнике будет определяться суммой трёх произведений и х,:

где / = 1,2,3. Это уравнение по определению представляет собой произведение вектора х на матрицу а. Вводя между источником (Т|) и транспарантом Т2 отклоняющую систему можно быстро (со скоростью до 100 МГц) переадресовывать каждый из векторов на любой столбец матрицы. Это ещё даёт дополнительную возможность очень быстро обрабатывать большой объём информации. Число элементов и векторов и матрицы может быть любым. Задачи умножения матрицы на вектор, - каноническая операция в вычислительной математике, основной типовой "кирпичик", из множества которых можно организовать сколь угодно сложные вычисления. За один такт, длительностью, например, 8 не, такой процессор способен перемножать вектор из любого, сколь угодно большого числа элементов на матрицу размерностью также сколь угодно большого числа элементов

При решении задачи распознавания образов изображение объекта представляет собой рассеивающий объект. Разные участки изображения могут иметь как одномерные, так и многомерные периодические структуры, которые участвуют в формировании пространственных Фурье-спектрограмм. Результаты натурных экспериментов и численного моделирования подтверждают справедливость данной теории.

Определённый интерес представляет информация об изображении объекта без учёта информации о фазе поля в электронно-лучевом процессоре. Для передачи полной информации об объекте необходимо учитывать фазовое пространственное распределение

11

в дифракционном поле. В результате Фурье-преобразования, можно воспользоваться соотношением для распределение комплексной амплитуды, формируемой электронными потоками:

(5)

где t/0(r) - комплексная амплитуда поля в плоскости задающего транспаранта (рассеивателя), - символ Фурье-преобразования, на поверхности регистрирующего

устройства, Р(г) - функция прозрачности задающего транспаранта, £ - пространственная

частота поля задающего транспаранта (переменная величина), / = - мнимая единица. Этот образ иногда называется гало-спектрограмма. Он может быть определен с помощью соотношения

/(¿7) = |F2{tf(0/(0}f. (б)

где F2{...} - символ численного Фурье-преобразования, #(<0 - бинарная функция апертурного ограничения области спектрограммы преобразуемого сигнала, £ -переменная величина - пространственная частота. Распределение интенсивности /(£") фактически определяет спектр Фурье-преобразования на поверхности регистрирующего устройства, например, на ПЗС-матрице. Матрица настраивается на приём именно этого изображения, отсекая другие и выдаётся команда обозначающая опознанию образа.

В главе 4 представлены результаты математического моделирования функциональных элементов электронно-лучевого процессора. Создание функциональных элементов электронно-лучевого процессора (компьютерной электронно-лучевой оптики) невозможно без миниатюризации элементов электронной оптики. Миниатюризация элементов электронно-лучевой оптики - это научно-техническое направление, целью которого является создание в ограниченном объёме твёрдого тела электронно-лучевых микросистем, представляющих собой упорядоченные композиции областей с заданными свойствами, структурой и геометрией, совокупность которых обеспечивает выполнение процессов генерации и преобразования электронных пучков. Реализация этого направления зависит от разработки теоретических и прикладных задач, алгоритмов и моделей их расчёта, овладения технологией изготовления сверхминиатюрных функциональных элементов, таких как электронные пушки, электронные линзы с размерами до нескольких сотен нанометров, миниатюрных систем регистрации и формирования изображений. Теоретическое исследование и моделирование миниатюрных и сверхминиатюрных электронных линз несколько отличается от традиционных методов, имеющих дело с макросистемами электронной оптики. Оно связано с решением задач по выбору и наиболее эффективному синтезу конструктивных элементов для получения требуемых эксплуатационных характеристик. Модель функционирования компьютерной электронной оптики (электронных микролинз) - электронно-оптических модулей - ЭОМ представляет собой систему уравнений, описывающих динамические связи между внутренними (электронно-оптическими) и внешними геометрическими параметрами и эксплуатационными. Численное моделирование миниатюрных линз, представленных в данной главе, выполнялось с помощью специализированных пакетов прикладных программ ELIM-e и Lens, Focus. В пакете ELIM-e траектории заряженных частиц и время их пролёта представляется в виде известных аберрационных разложений по степеням малых параметров, выбранной системы (не выше третьей степени), включающих геометрические, хроматические и временные аберрации:

г = e'v {[et1/2e'a°v + r„eip°(w - iVe/8m B„)] + e,"2 e„1/2 e,ao (H+ih)+ +r„e„"2e,ao(K+ik) + £11/2£п1/2е'ао(Р-Нр) + Ei'/2En"2(Q+'4)+ etl/2 e'a°(B+ib)+ +e, r„ [(G + ig) eio°+ (F + ¡f)i(2a° Po1] + e„,/2 r02 [(D + id)e 'ao +

+ (C+ic)el(2P°-ao)] + r03 (E + ie), (7)

где r = x + iy, H, h,...E, e - коэффициенты геометрических и хроматических аберраций до третьего порядка включительно, являющиеся функциями z, z<, - координата центра , а v, w -предельные решения параксиального уравнения (при ->0, ez ->0),

и" +и'Ф'/2Ф + и(Ф" + еВ2/2т)/4Ф = 0, (8)

у = (е/8т)"Чвф-,д<1г. (9)

В (8) и = х + iy, а Ф(г) и B(z) - осевые распределения электростатического потенциала и магнитной индукции соответственно, штрихи означают дифференцирование по z, v(z) - текущий угол поворота вращающейся системы координат относительно неподвижной системы. Коэффициенты аберраций получены с помощью метода т -вариаций Дифференциальные уравнения для них имеют достаточно громоздкий вид и здесь не приводятся. Представление траекторий электронов в виде степенных рядов по выбранной системе малых параметров (е,1/2, s„i/2, г„) представляется чрезвычайно удобным при вычислении интегральных характеристик электронных пучков (функции рассеяния, частотно-контрастной характеристики, разрешающей способности и т.д.). Электрические поля в пакете ELIM-e рассчитываются методом интегральных уравнений. Используя метод численного эксперимента с помощью программы ELIM-e, были исследованы линзы разной конфигурации. В пакет прикладных программ Lens, Focus для расчёта траектории заряженных частиц и аберраций линз используется метод конечных элементов. На рис. 6 представлена расчётная электронно-оптическая схема ЭЛВ.

Исследовалось влияние геометрических размеров и конфигурации электродов и полюсных наконечников миниатюрных линз на аберрации. Результаты расчетов представлены в диссертации. В результате моделирования было выявлено, что линзы с совмещенными электрическими и магнитными полями в миниатюрном исполнении обеспечивают более высокие электронно-оптические показатели (меньшие аберрации). Выявлены оптимальные варианты формы и геометрических размеров электродов и апертурного угла пучка в миниатюрных линзах с совмещёнными электрическими и магнитными полями, при которых обеспечиваются минимальные размеры аберраций. Показано, что результаты исследования могут быть использованы при разработке электронно-оптических транспарантов ЭЛВ из сверхминиатюрных электронных линз.

Л л2

Го ■------ |СГ1 '"а п

^^ 1 I V/1 «2 Г

Рис. 6. Расчётная электронно-оптическая схема ЭЛВ: СП - спектральная плоскость.

В главе 5 представлены результаты разработки конструкции электронно-лучевой системы. Исходными данными для расчёта и конструирования миниатюрной электроннолучевой системы произвольной пространственной ориентации является техническое задание (ТЗ).

Методика расчёта и конструирования ЭЛВ представляет собой ряд последовательно решаемых задач: - выбор диаметра (условного проходного) корпуса; - выбор типа электронных линз - процессоров; - выбор типа электронных линз - транспарантов; -определение оптимального значения аберраций электронных линз; - определение геометрических параметров линз - процессоров; - определение геометрических параметров транспарантов; - проверка соответствия габаритных характеристик ТЗ; -проверочные расчёты. Типы электронных линз - процессоров и транспарантов выбираются исходя из поставленных вычислительных задач, которые могут быть выполнены электронными линзами с минимальными аберрациями и опираясь на результаты расчётов (полученных в главе 4).

На рис. 7 представлены результаты расчёта зависимости количества разрешаемых элементов л от величины относительного разрешаемого элемента Д/5.

Оптимизация значений аберраций электронных линз процессоров и миниатюрных линз транспарантов вычисляются с помощью используемых программ ELIM-E и Lens, Focus. По результатам определения геометрических параметров линз - процессоров и транспарантов оценивался диаметр условного прохода корпуса ЭЛВ. Параметры проверяются на соответствие ТЗ. Конструкция ЭЛВ-2 представлена на рис. 8 .

Электронно-лучевая микропроцессорная система рассматривается как частный случай электронной системы, предназначенной для обработки входных сигналов и выдачи выходных сигналов. Её логика может перестраиваться в любой момент по сигналам от блока управления. Назовём её системой с «перестраиваемой логикой». Кроме того, специализированная цифровая система не избыточна и каждый её элемент работает в полную силу. Только специализированная система может обеспечить максимально высокое быстродействие, так как скорость выполнения алгоритмов обработки информации определяется в ней только быстродействием отдельных логических элементов и выбранной схемой путей прохождения информации. Для проверки результатов численного моделирования и реализации разработанной конструкции миниатюрных линз был выполнен физический эксперимент. Линзы испытывалась при ускоряющем напряжении 100 - 1000 В. Результаты, полученные в процессе испытаний представлены в диссертации.

Рис. 7. Зависимости количества разрешаемых элементов я от величины относительного разрешаемого элемента Д/5. Увеличение |М| = 0,01. Номера 1, 2 - соответствуют значению геометрических параметров линз £>/5 = 1, объект находится на расстоянии //5>1 от центра зазора в линзе: //5 = -0,5; 2 - соответствует £>/5 = I ,//5 = 0 ;4 -соответствуют £>/5 = 5, //5 = 0; 5 - 0/5 = 1, //5 = 0; 6 - £>/5 = 1, //5 = -0,5. Угол раскрытия пучка у = 5- Ю-3 прямые 1-3); у = КГ2 (прямые 4 - 6).

14

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационного исследования.

В приложении приведены материалы, подтверждающие результаты численного моделирования миниатюрных элементов компьютерной оптики - электронных линз процессора.

Полученные результаты и выводы:

На основании обобщения опыта создания электронно-лучевого вычислителя с использованием методов и алгоритмов, в работе выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, решены расчётно-теоретические, проектные и технологические задачи, которые легли в основу разработки новых функциональных устройств и элементов электронной техники на основе электронно-лучевой компьютерной оптики. В процессе работы были получены следующие результаты:

1. Разработана методика поиска физического принципа действия электроннолучевого вычислителя (ЭЛВ) нового класса устройств электронной техники в основе, которой лежат эвристические правила, позволяющие применить многокритериальный логико-эвристический выбор вида ЭЛВ.

2. Сформирована эвристическая модель выбора вида и предложена структурно-конструктивная схема управляемого электронно-лучевого транспаранта для ЭЛВ - нового элемента электронной техники.

3. На основе системного подхода и с использованием иерархического принципа создана структурно-конструктивная схема, являющаяся основой для проектирования ЭЛВ.

4. В соответствии с предложенной методикой эволюционного синтеза на базе прототипов, разработаны патентоспособные структурные схемы ЭЛВ, отличающиеся от известных тем, что используются электронно-оптические элементы как в качестве управляемых транспарантов, так и линз - процессоров.

5. Разработан электронно-лучевой вычислитель, обладающий значительными преимуществами по отношению к существующим вычислительным средствам по быстродействию и информативности, как за счёт применения новых элементов, так и за счёт применения новых физических принципов.

6. Выявлена способность компьютерной оптики осуществлять как элементарные математические операции (сложение, умножение), так и операции различной сложности (интегральное преобразование Фурье, перемножение матриц большого объёма информации) за один машинный такт, а также осуществлять распознавание образов. Предложен новый метод и алгоритм решения задачи умножения

матрицы на векторы с применением сканирования потока электронов, несущих информацию о векторах в электронно-лучевом компьютере.

7. Предложен метод формирования двухмерных интерференционных картин, используя трёхмерные дифракционные структуры из электронных микролинз транспаранта в электронно-лучевом вычислителе, которые обладают возможностью изменения амплитуды, частоты (длины волны) путём изменения потенциалов на электродах микролинз транспарантов.

8. Получены зависимости величин аберраций вносимых элементами транспаранта: изтропной и анизотропной комы, коэффициентов изотропного и анизотропного астигматизма, коэффициентов изотропной и анизотропной дисторсии, влияющих на величину информативности электронно-лучевого вычислителя.

9. Выявлена возможность использования третьего измерения для ввода/вывода объёмной информации, что создает дополнительные возможности электронно-лучевым вычислителям, которым у проводниковых схем нет никаких аналогов.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях: ¡.Фатьянова Н.Г. Моделирование и разработка электронно-лучевого быстродействующего процессора. Динамика сложных систем. № 3. Т.5. С. 70-75. 2011.

2. Фатьянова Н.Г. Математическое моделирование элементов компьютерной электроннолучевой оптики с учётом влияния магнитного поля электронного пучка. Динамика сложных систем. № 4. Т.6. С. 79-82.2011.

3. Васин В.А., Васичев Б.Н. Степанчиков C.B., Фатьянова Н.Г. Многофункциональная система для производства элементов микроэлектроники и компьютерной электроннолучевой оптики. Прикладная физика. № 4. С. 126 - 131. 2011.

4. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Моделирование влияния спин-поляризации магнитных моментов электронов на формирование кроссовера. Известия РАН, Серия физическая. №9. С 1252-1255.2011.

5. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Моделирование нелинейных процессов в электронно-оптических системах. Известия РАН, Серия физическая. №9. С 1256 - 1258. 2011.

6. Васичев В.А., Ивашов E.H., Степанчиков C.B., Фатьянова Н.Г. Обеспечение надёжности функционирования атомно-силового микроскопа. Надёжность. № 04(39). С. 47-55. 2011.

7. Васин В.А., Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Математическое моделирование и проектирование компьютерной электронно-лучевой оптики для устройств аэрокосмической навигации. Приводная техника.№3. С 43 - 49. 2011.

8. Васин В.А., Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Приводы и исполнительные устройства многофункционального вакуумно-технологического комплекса для производства компонентов электронно-лучевой оптики и тонкоплёночных структур. Приводная техника. №5 (93). 2011. С. 20 - 26. 2011.

9. Васичев Б.Н., И.Н. Савченкова Фатьянова Н.Г. Моделирование и синтез автоматизированной установки низкотемпературного испарения влаги в вакууме из объектов пищевой промышленности. Труды инженерно-экономического факультета РЭА им. Г.В.Плеханова. -М: Изд-во Россельхозакадемии. Вып. 6. М.: 2009 г. С. 20 -28.2010 г.

10. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г., Фатьянова Г.И. Моделирование и синтез электронно-оптических систем корпускулярного вычислителя с нелинейными элементами. Труды инженерно-экономического факультета РЭА им. Г.В.Плеханова. -М: Изд-во Россельхозакадемии. Вып. 6. М. С. 24 - 32.2010 г.

11. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г., Фатьянова Г.И. Моделирование и синтез элементов автоматизированной установки низкотемпературного испарения влаги в вакууме из объектов. Труды инженерно-экономического факультета РЭА им. Г.В.Плеханова. -М: Изд-во Россельхозакадемии. Вып. 6. М. 2009. С. 20 - 23. 2010.

12. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Моделирование миниатюрных широкоугольных конфокальных систем из магнитных электронных линз. XVIUI научно-техническая

конференция с участием зарубежных специалистов "Вакуумная наука и техника". Труды конференции. Г. Сочи. С. 120-124. 2010 г.

13. Фатьянова Н.Г., Васичев Б.Н. Моделирование миниатюрных магнитных электронных линз микросистемной компьютерной электронно-лучевой оптики. Международная научно-практическая конференция "Техника и технологии: пути инновационного развития". Г. Курск. Июль, 2011г. С.147 - 149. 2011г.

14. Фатьянова Н.Г., Васичев Б.Н. Электронно-лучевой быстродействующий процессор. Сборник научных трудов Всероссийской конференции по "Фотонике и информационной оптике". Москва. МИФИ. С. 166 - 167. 2012.

15. Фатьянова Н.Г. , Васичев Б.Н. Конфокальные микросистемы электронно-лучевого компьютера. Труды международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы", Ульяновск, 2011 .С. 417-420. 2011.

16. Фатьянова Н.Г., Васичев Б.Н. Формирование и исследование микросистемной компьютерной электронно-лучевой оптики. Труды международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы", г. Ульяновск, 2011. С. 423-425. 2011.

17. Фатьянова Н.Г., Васичев Б.Н. Определение коэффициентов полевых геометрических аберраций магнитных электронных линз микросистемной компьютерной электроннолучевой оптики. Труды международной конференции "Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы", г. Ульяновск, С. 426-429. 2011.

18. Фатьянова Н.Г., Васичев Б.Н. Влияние спин-поляризации магнитных моментов электронов на формирование кроссовера. Тезисы Конфененции по электронной микроскопии. Черноголовка. 2010 г. С. 50. 2010 г.

19. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Моделирование компьютерной электронно-лучевой оптики. Десятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики". Тез. докл. Москва. Россия. 24-26 мая С. 70-71. 2011.

20. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Моделирование миниатюрных широкоугольных конфокальных систем. Десятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики". Тез. докл. Москва. Государственный научный центр РФ ФГУП «НПО «Орион».. 24-26 мая 2011.С. 72-73. 2011.

21. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г. Нелинейные процессы в кроссовере электронного пучка. Десятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики". Тез. докл. Москва. Государственный научный центр РФ ФГУП «НПО «Орион». 24-26 мая.С. 71-72. 2011.

22. Васичев Б.Н., Фатьянова Н.Г., Трошин Б.В. Математическое моделирование плазменного эмиттера ионов в многолучевой установке. Десятый Всероссийский семинар "Проблемы теоретической и прикладной электронной и ионной оптики". Тез. докл. Москва. Государственный научный центр РФ ФГУП «НПО «Орион». 24-26 мая. С. 69-70. 2011.

Подписано к печати " 20 " апреля 2012 г. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии МИЭМ. Москва, ул. М. Пионерская, д. 12. Заказ № 70 . Объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз.

Государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электроники и математики национального исследовательского университета «Высшая школа экономики»

На правах рукописи

04201360989

Фатьянова Наталья Георгиевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОПТИКИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной

техники и систем управления

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Е.Н. Ивашов.

МОСКВА-2013

Содержание

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

Глава 1. Анализ современного состояния электронной техники и постановка задачи создания

микропроцессоров на новых принципах действия...............14

1.1. Миниатюризация элементов электронной техники............14

1.2. Оптические процессоры...............................................16

1.2.1. Аналоговые оптические процессоры.............................17

1.2.2. Цифровые оптические процессоры...............................18

1.2.3. Оптические процессоры нечёткой логики.......................20

1.3. Миниатюризация элементов вакуумной

электронной техники.................................................21

1.4. Постановка задачи создания микропроцессоров на базе новых принципов функционирования

элементов компьютерной электронной оптики................28

1.5. Выводы к главе 1.......................................................32

Глава 2. Структурный синтез быстродействующего

электронно-лучевого вычислителя (ЭЛВ)...........................34

2.1. Поиск физического принципа действия

электронно-лучевого вычислителя................................34

2.1.1. Классификация электронно-лучевых

элементов вычислительной техники..............................35

2.1.2. Методика выбора вида ТО для проектирования нового класса вычислителей на базе

вычислительной электронной оптики..............................42

2.1.3. Выбор физического принципа действия электронно-лучевого вычислителя................................47

2.2. Эволюционный синтез структурно - конструктивных

схем ЭЛВ...............................................................53

2.2.1. Выбор прототипа электронно-лучевого вычислителя.........56

2.2.2. Методика выбора структурно - конструктивной

схемы ЭЛВ.............................................................58

2.3. Выбор вида и структурно - конструктивной

схемы управляемого транспаранта................................68

2.4. Выводы к главе 2........................................................73

Глава 3. Анализ принципов обработки информации

компьютерной электронно-лучевой оптикой......................75

3.1. Основные особенности электронно-лучевого

вычислителя............................................................75

3.2. Аналоговые электронно-лучевые вычисления....................76

3.3. Формирование пространственных Фурье-спектрограмм рассеивающим объектом (электронно-лучевым

транспарантом)...............................................................83

3.3.1. Дифракция на одномерных структурах

электронно-лучевого транспаранта..............................83

3.3.2. Дифракция на двумерных структурах электронно-лучевого транспаранта...............................84

3.3.3. Дифракционные явления на трёхмерных структурах электронно-лучевого транспаранта...............................85

3.4. Теория дифракционного гало рассеивающего объекта..........87

3.5. Формирование двумерных интерференционных

картин с помощью трёхмерной дифракционной структуры транспаранта.............................................89

3.6. Анализ получения информации об изображении

объекта в ЭЛВ без учёта изменения фазы поля.................91

3.7. Амплитудно-дифракционное Фурье-преобразование...........93

3.8. Базисные логические функции ЭЛВ................................98

3.9. Распознавание зашумлённых изображений......................101

3.9.1. Математические модели распознавания образов......104

3.9.2. Физические модели распознавания образов............108

3.10. Выводы к главе 3.....................................................116

Глава 4. Моделирование и разработка функциональных

элементов ВТ на основе компьютерной

электронно-лучевой оптики............................................118

4.1. Моделирование электростатических электронно-лучевых модулей ВТ.....................................119

4.2. Моделирование не традиционных магнитных

электронно-лучевых модулей ВТ....................................128

4.3. Расчёт полевых геометрических аберраций

третьего порядка компьютерной оптики - ЭЛМ ВТ................134

4.4. Численное моделирование влияния конфигурации

магнитопровода магнитных ЭЛМ ВТ на их характеристики......139

4.5. Технология изготовления не традиционных

магнитных электронно-лучевых модулей ВТ........................143

4.6. Моделирование не традиционных конфокальных электронно-лучевых модулей ВТ с совмещёнными

полями........................................................................146

4.7. Моделирование осветителя ЭЛВ....................................151

4.8. Выводы к главе 4......................................................153

Глава 5. Разработка и испытание элементов ВТ на основе

компьютерной электронно-лучевой оптики........................155

5.1. Этапы конструирования функциональных

элементов электронно-лучевого вычислителя .......................155

5.2. Структурно-конструктивные особенности и свойства

осветителя ЭЛВ......................................................158

5.2.1. Монохроматичность и когерентность

электронного пучка ЭЛВ..........................................158

5.2.2. Структурно-конструктивные особенности осветителя.......160

5.3. Анализ показателя информативности (£„)

функциональных элементов ЭЛВ....................................161

5.4. Метод и алгоритм конструктивного выбора

типа "рабочих" электронных линз - процессоров..................163

5.5. Метод и алгоритм конструктивного выбора

типа транспаранта..................................................164

5.6. Влияние функциональных элементов на оптимизацию

масса-габаритных показателей миниатюрной электронно-лучевой компьютерной оптики..................165

5.7. Синтез математической модели функционирования

возможной структурно-конструктивной 2-х линзовой схемы ЭЛВ...........................................................168

5.8. Синтез возможной структурно-конструктивной 3-х линзовой

схемы ЭЛВ...........................................................172

5.9. Микропроцессорная система на базе электронно-

-лучевых модулей ВТ..............................................175

5.10. Методика экспериментальных исследований.................179

5.11. Выводы к главе 5....................................................184

Полученные результаты и выводы...........................................185

Литература.........................................................................187

Приложения........................................................................192

Введение

Разработка автоматизированных систем быстрой обработки изображений и распознавания образов движущихся объектов является одной из главных задач транспортной электроники. Развитие науки и техники идёт по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию, особенно для движущихся объектов. Непрерывное развитие устройств вычислительной техники и систем управления на её основе обуславливает совершенствование не только алгоритмов и моделей для расчёта элементной базы, но и разработку и исследование новых элементов электронной техники. Наряду с улучшением функциональных показателей качества одной из основных тенденций развития вычислительной техники является миниатюризация, как её элементов, так и оборудования для её производства. Уменьшение размеров элементов микросхем, а также переход на квантовую компьютерную электронно-лучевую оптику, используемую в качестве микропроцессоров, что позволяет осуществить кардинальное повышение быстродействия, расширение вычислительных возможностей, снижение затрат на производство и расширение сферы применения, в частности для опознания образов и автономной навигации. Снижение массогабаритных характеристик и повышение производительности дорогостоящего и уникального оборудования позволяет осуществить его кардинальное удешевление и расширение сферы применения.

Компьютерной электронно-лучевую оптикой называют раздел физики, занимающийся изучением явлений, в которых проявляются квантовые свойства частиц. К таким явлениям относятся: фотоэффект, эффект Комптона, фотохимические процессы, фотонная оптика, электронно-лучевая оптика. Квантовая электронно-лучевая оптика является более общей теорией, чем классическая оптика. Основная проблема, затрагиваемая квантовой электронно-лучевой оптикой, заключается в описании взаимодействия потоков электронов с электромагнитными полями.

В последние два десятилетия в электронной оптике созданы неклассические источники электронов, представляющие значительный интерес для получения и обработки информации. К настоящему времени получены источники с уменьшенными флуктуациями числа электронов (потоки электронов с субпуассоновской статистикой), с уменьшенными флуктуациями разброса энергии электронов, поляризованных электронов (замагниченных электронов), охлаждённых электронов. Использование среды с нелинейной восприимчивостью третьего порядка имеет ряд преимуществ в квантовой электронно-лучевой оптике, таких как: возможность осуществления квантовых неразрушающих измерений и исследований материалов и микроструктур, реализация вычислительной электронно-лучевой оптики, для обработки информации и т.п. Разнообразие применений электронно-лучевого потока электронов, по-прежнему, делает актуальной задачу разработки методов их изучения.

Интерес к неклассическим источникам электронов в настоящее время стимулируется также физическими экспериментами и активным развитием квантовой криптографии, квантовой телепортации и квантовых вычислений.

В настоящее время ряд компаний и научных центров, как за рубежом, так и у нас в стране, ведут исследование и разработку миниатюрных электронно-лучевых устройств, для безмасочной электронно-лучевой технологии с использованием многопучкового оборудования электронной литографии, электронных микроскопов и других приборов и устройств. Наряду с этими работами у нас в стране под руководством профессора Б.Н. Васичева впервые в мире ведётся разработка научных основ создания, исследование общих свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вакуумной вычислительной техники и систем управления на совершенно новых принципах - интерференции свободных пучков электронов в вакууме и нелинейных процессов в вакууме под воздействием электронных пучков.

Вакуумные электронно-лучевые вычислители в отличие от твёрдотельных компьютеров и квантового (фотонного) вычислителя обладают более высокой (на три - пять порядков) скоростью вычислений, что позволяет их использовать в экстремальных условиях, например, в автономной навигации, при обнаружении и распознавания объектов, угрожающих жизнедеятельности движущихся объектов, повышении тактико-технических характеристик высокоприцельного оружия и т.д. Значительный прогресс в создании и развитии матричных фотоприёмников (матричных мультиплексоров) и микросистем электронно-лучевой техники позволяет приступить к созданию новых быстродействующих систем обработки и управления информацией.

Электронные пучки, распространяясь в вакууме, позволяют кодировать информацию в широком частотном диапазоне. Лёгкость управления электронными пучками и элементами компьютерной электронной оптики (электронными линзами) со значительной их миниатюризацией сделали перспективным это направление вакуумной электроники, микросистемной электронно-лучевой техники, электронно-лучевой компьютерной техники [13] и позволил приступить к созданию новых быстродействующих систем обработки информации, в которых реализуется принцип обработки информации электронными пучками в вакууме.

Естественный переход микроэлектроники к наноэлектронике обусловлен желанием повышения быстродействия и миниатюризации вычислительной техники. Однако использование не наноэлементов твёрдотельной электроники, а корпускул (свободных электронов в вакууме) позволяет значительно превзойти ожидаемые возможности наноэлектроники. Одним из таких применений корпускул и является создание вакуумных корпускулярных вычислителей. Это уже субнаноэлектроника. Известно, что для обычного полупроводникового компьютера, например, использующего быстрый алгоритм Кули-Тьюки, длительность Фурье-преобразования растет с ростом точек дискретизации п и пропорционально п\офг). В вакуумном

корпускулярном компьютере эта процедура даже в двумерном случае выполняется всего за один машинный такт современного компьютера.

Потоки свободных электронов (корпускул) в вакууме как носители информации чрезвычайно богаты возможностями: они могут иметь переменную во времени частоту (длину волны электронов) и интенсивность, изменяемый характер поляризации, изменяемую амплитуду и фазу волнового процесса. Электронные пучки, распространяясь в вакуумном пространстве, позволяют кодировать информацию изменением длины волны, поляризации, амплитуды и фазы не только во времени, но и в пространстве. Лёгкость управления электронными пучками и элементами электронной оптики со значительной миниатюризацией делают перспективным это направление вакуумной техники. Массовое производство такого рода устройств по своему революционному подходу и технике исполнения сравнимо с изготовлением и применением интегральных микросхем.

Актуальность темы

Твердотельные электронные технологии, используемые для производства кремниевых элементов вычислительной техники (процессоров), приближаются к теоретическому пределу своих возможностей. Эти фундаментальные ограничения определяются прежде всего квантово-механическими эффектами при уменьшении размеров транзисторов, ростом рассеиваемой мощности, связанный со всё более быстрыми переключениями полупроводниковых вентилей, а также физическими пределами скорости распространения электрического сигнала по чипу. Современные технологии разработки новых интегральных микросхем замедляются. Одновременно развитие науки и техники идёт по пути быстрого и постоянно увеличивающегося роста потока информации, подлежащего переработке и использованию.

Одним из направлений решения этой проблемы является создание и развитие теории и проектирования принципиально новых элементов вычислительной

техники - электронно-лучевых процессоров, основанных на новых принципах построения логики. Создание базы знаний по электроннолучевым процессорам невозможно без создания алгоритмов и моделей расчёта, соответствующей системы проектирования, базирующихся на достижениях совершенствования и развития миниатюризации элементов вакуумной электроники.

Развитие авиационной техники, ракетостроения и космических аппаратов, а также наземного транспорта, связано с созданием надежных систем навигации, включающей в себя способность ориентации в пространстве, идентификации объектов, определения координат и положение собственных осей в пространстве. Системы навигации должны отвечать требованиям большого быстродействия, обладать способностью обрабатывать большие массивы информации, обеспечивать надежность работы при больших перегрузках, быть устойчивыми при прохождении областей с большими интенсивностями ионизирующих излучений. Этим требованиям удовлетворяют системы вакуумной электроники, состоящие из вакуума, электродов и электронных пучков.

Развитие микросистемной электронно-лучевой техники позволило приступить к разработке систем навигации на базе компьютерной оптики (электронно-лучевой оптики). Она позволяет осуществлять обработку и преобразование информации со скоростью недоступной полупроводниковым вычислителям и фотонным. Электронно-лучевые вычислители позволяет их использовать в экстремальных условиях, например, при обнаружении и опознания образов, угрожающих жизнедеятельности движущихся объектов, повышении тактико-технических характеристик высокоприцельного оружия и т.д. Это делает исследование теории и проектирования электронно-лучевых процессоров на стадиях их предварительной разработки задачей актуальной и своевременной.

Цель работы

Целью диссертации является разработка научных основ проектирования, алгоритмов и моделей для исследования общих свойств и принципов функционирования новых элементов вычислительной техники -компьютерной электронно-лучевой оптики, для системы распознавания образов и автономной навигации мобильной техники, а также поиска технологических решений этого процесса с последующим созданием технических решений устройства электронно-лучевых компьютеров. В целом, всё это должно привести к оптимизации процесса разработки электронно-лучевых компьютеров в промышленных масштабах с тем, чтобы получаемые изделия отвечали растущим требованиям увеличения скорости обработки больших объёмов информации, предъявляемым к электронной технике.

Основными методами исследования в работе являются положения теории систем, теории оптимального управления, теории принятия решений, теории матема�