Левин Г.Г., Вишняков Г.Н. - Оптическая томография (1989) (1032160), страница 26

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 26)

Объем регистрируемой информаци при этом зачастую очень велик и требует для получения количественных результатов использования вычислительной техники. Особенно важен этап обработки прн косвенных измерениях, когда регистрируемая величина связана с интересующими исследователя параметрами объекта сложными функциональными соотношениями В этом случае необходимо решать уравнение, в котором искомая величина 1 связана с измеряемой величиной г некоторым оператором А: (4.1) Решение этой задачи, которая во многих случаях является не корректно поставленной 141, требует создания полной системы математической обработки информации, Она включает в себя регистрацию информации н ввод ее в ЭВМ, первичную обработку (фильтрацию, нормировку и т.

д.), собственно решение оператор- 11О ного уравнения и представления информации в виде, удобном для исследователя. С целью оперативной обработки информации и представления ее в виде, удобном для интерпретации, вместо традиционного обращения к ЭВМ все чаще используют специализированные, в том числе оптические, процессоры, предназначенные для решения конкретной задачи анализа данных, полученных в процессе эксперимента. Однако в оптических измерениях возможен, на наш взгляд„ другой, более простой и продуктивный подход к решению задачи автоматизации обработки информации, К такого рода измерениям относятся спектроскопия, широкий класс голографических измерений, лазерная анемометрия, оптическая томография и т, д., где носителем информации является оптический волновой фронт, ли- прошедший через исследуемый объект, либо отраженный от го.

Автоматизация обработки с использованием ЭВМ в этом учае приводит к необходимости фотографической либо голограической регистрации этого волнового фронта, преобразования в ектрический сигнал двумерной картины, ввода в ЭВМ и затем посредственно математического анализа. В достаточно общем учае при оптических измерениях, если исключить этапы регистр ции сигнала и его преобразования, задача сводится к такой обработке волнового фронта, которая позволила бы решить уравнение (4.1) 1110~. Отметим, что с точки зрения обеспечения оперативной обработки информации оптико-физические измерения обладают уникальными возможностями. Они обусловлены тем, что носителем' информации об исследуемом объекте или процессе служит оптическое излучение. Это позволяет в принципе выполнять те или иные преобразования волнового фронта до этапа регистрации, что облегчает дальнейшую обработку и получение количественных данных.

Действительно, анализ литературы показывает, что в последние годы появились оптические измерительные устройства, содержащие отдельные элементы преобразования волнового фронта, например, в интерферометрии, томографии, лазерной анемометрии и т. д. Однако ставшее традиционным последовательное расположение сначала экспериментальной установки, а затем оптической схемы обработки не всегда является оптимальным, Целый ряд преобразований волновогофронта,соответствующий определенным математическим операциям, не может быть выполнен после того, как зондирующее излучение уже выведено из непосредственно измерительного тракта устройства.

Рассмотрим более общий подход к решению задачи получения оличественных данных в оптико-физических измерениях, заклюающийся в том, что сама схема экспериментальной установки родумывается и собирается так, чтобы ряд необходимых матемаических операций выполнялся в ней самой непосредственно в процессе исследования. При таком подходе экспериментальная 111 установка и процессор перестают быть отдельными функциональными единицами, а составляют единое целое. В некоторых случа. ях все необходимые преобразования волнового фронта выполняют. ся в оптической схеме измерительной системы без привлечения дополнительных элементов на ее выходе, а сам объект является функциональным элементом схемы, выполняющим определенные преобразования волнового фронта, Такой подход позволяет от двуступенчатого процесса косвенных оптических измерений перейти к одноступеичатому способу прямых и непосредственных измерений.

Это дает возможность на выходе оптической измерительной системы получать непосредственно физические характеристики, интересующие исследователя «1111. Можно выделить следующие достоинства измерительных устройств такого рода: во-первых, расширение функциональных возможностей, так как обработке подвергается непосредственно вол.новой фронт; во-вторых, увеличение отношения сигнал-шум, так как исключаются шумы регистратора; и, в-третьих, значительное еокращевие времени обработки вплоть до реального времени. Конкретные оптические схемы такого рода систем во многом определяются свойствами объекта и той физической величиной,' которая измеряется в процессе исследования. Тем не менее выделим некоторые общие принципы построения таких измерительных еистем: 1) установление связи между параметрами волнового фронта и измеряемыми характеристиками, т.

е. определение опе. ратора А в уравнении (4.1); 2) формулировка ограничений, накладываемых на объект измерения и величины, описывающие волновой фронт; 3) выбор алгоритма решения уравнения, описывающе. го связь между известными и искомыми величинами; 4) разработка измерительной системы, которая осуществляет процесс формирования волнового фронта, несущего информацию, и реализацию выбранного алгоритма решения уравнения (4.1) в единой оптической схеме; 5) представление информации в виде, удобном для исследователя. Первые два положения определяются физикой процесса измерения, свойствами объекта и измеряемой величиной. Остальные три являются общими для всех измерительных систем, совмещающих в одной схеме процессы получения, 'обработки и представления информации.

В достаточно общем случае при оптических измерениях можно исключить этапы регистрации сигнала и его преобразования, тогда задача сводится к такой обработке волнового фронта, которая позволила бы решить уравнение (4.1). Надо отметить, что в этом случае необходимо разрабатывать для каждого конкретного класса операторов, соответствующих реальной задаче, специализированное устроиство оптико-электрон. ной обработки, что представляет определенную сложность. Однако это компенсируется возможностью автоматизации обработки данных, получаемых в результате физического эксперимента. !12 йг~ Для большого класса задач уравнения, описывающие взаимо, связь этих величин, являются интегральными уравнениями (ИУ) первого рода.

Остановимся на некоторых методах решения этих уравнений в оптических измерительных системах, при этом можно выделить два вида оператора А. В первом случае оператор А имеет обратный оператор А ', т. е. можно построить формулу обращения ИУ (4!). К таким типам ИУ относятся часто встречающиеся в косвенных измерениях преобразования Абеля, Фурье, Радона, уравнение типа свертки и т. д. Для вычисления формул обращения некоторых из них могут быть использованы достаточно простые и широко известные схемы оптических процессоров, которые для целого ряда случаев могут дать хорошие результаты.

Так, например, использование спектроанализатора для анализа оптического волнового фронта, прошедшего через гидродинамический турбулентный процесс, позволяет определить спектр турбулентных пульсаций (112(; применение коррелятора позволяет определить масштабы турбулентности; реализация простейших методов пространственной фильтрации в лазерных анемометрах позволяет одновременно определять размеры и скорость частиц в потоке (113) и т. д. Нетрудно заметить, что при решении именно данного класса уравнений возникает наибольшее многообразие оптических схем в зависимости от вида ядра ИУ.

Во втором, наиболее часто встречающемся случае, построение обратного оператора А ' и использование оптического процессора возможно только при применении итерационных алгоритмов. Для реализации итерационной процедуры в процессе измерения необходимо выполнить целый ряд достаточно сложных преобразований волнового фронта. В последние годы в целом ряде работ было предложено рассматривать оптические процессоры, использующие оптические системы с обратной связью, как процессоры, реализующие те или иные итерационные алгоритмы. В оптической системе с обратной связью необходимо многократное выполнение оператора А. Он определяется тем преобразованием волнового фронта, которое осуществляет объект над зондирующим излучением.

Таким образом, реализация оператора А связана с функциональным использованием объекта как элемента оптического измерительного устройства, выполняющего определенные преобразования волнового фронта. Это требует такого построения экспериментальной установки, чтобы необходимые преобразования зондирующего излучения осуществлялись в процессе измерения. Не останавливаясь на особенностях выполнения тех или иных преобразований в оптическом процессоре, отметим только, что техника оптических систем с обратной связью интенсивно развивается Это позволяет надеяться иа их широкое применение в оптических измерительных приборах и устройствах, Рассмотренный выше подход к получению количественных даных в оптико-физических измерениях, основанный на выполнении самой измерительной системе преобразования волнового фронта» ыл успешно реализован в целом ряде методов.

Пример преобра — 1157 !!3 зования волнового фронта и .использования объекта в качестве функционального элемента можно найти еще в классической интерферометрии, где эти операции применялись для увеличения чувствительности измерений. Они осуществлялись за счет последовательного многократного прохождения зондирующего излучения через исследуемый объект, что приводило к перемножению комплексных амплитуд пропускания объекта и соответственно к сложению фаз комплексных амплитуд, необходимому для получения интерферограмм с повышенной чувствительностью.

На преобразовании волново:о фронта с помощью деления его по амплитуде и последующего совмещения полученных волновых фронтов с взаимным их смещением, поворотом, изменением масштаба или инверсией координат основана сдвиговая интерферометрия [781. В голографической интерферометрии диффузно отражающих объектов выбором углов наклона освещающего излучения и направления наблюдения (фотографирования) восстановленного изображения изменялась чувствительность к измерению отдельных проекций вектора перемещения, а пространственная фильтрация объектного волнового фронта использовалась для повышения контраста интерференционных полос и получения изотет (линий равного значения) проекции вектора перемещения, нормальной к поверхности объекта.

Преобразование волнового фронта, отраженного от объекта, за счет смещения освещающего источника, изменения его длины волны или применения иммерсиоииой жидкости лежит в основе голографических методов получения иитерференционных контурных карт рельефа поверхности. Различные преобразования волнового фронта нашли широкое применение в спекл-интерферометрии, где их применение впервые позволило получать изотеты тангенциальной проекции вектора перемещения с переменной чувствительностью (78).

Характеристики

Список файлов книги