Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники (1988) (1151949), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Экран для нулевого порядка 4 (плоскость в,в„) исключает смещение В, появляющееся в случае, когда форма входного сигнала имеет вид В + В (х). Наличие смещения В вызывает появление светового блика в пространственно-частотной плоскости при в, = О. Этот блик — источник шума, так как его изображение в выходной плоскости попадает на результиру»ощий сигнал по оси у,, Экран нулевого порядка и цилиндрическая оптика третьего объектива б устраняют этот шум.
Смещение появляется также и при формировании опорных функций г» (х). Окончательное распределение амплитуды излучения в выходной плоскости имеет вид: Е (в„, уи 1) = ) В(х — о,()г,(х)ехр( — !в,х)дх+ + В ~ 5 (х — о,1) ехр ( — !в,х) дх. (17.11) Практически вся энергия излучения, представленная вторым членом равенства (17.11), сосредоточена вне оси д, а корреляционный член формируется полностью при в, = О, т.
е. на оси у». Следовательно, для получения результирующих корреляционных функций необходимо располагать линейку фотодиодов 8 вдоль оси у». Наличие четвертого, сферического объектива 7 исключает второй член уравнения (17.11), ибо выходная плоскость х,у, является пространственно-частотной плоскостью направления х,. Применение лазерного излучения в оптических аналоговых вычислителях основано на сравнительной простоте осуществления двухмерного преобразования Фурье. Это свойство в данном случае сочетается с уникальным свойством оптических систем — вычислением двухмерной или многомерной функции корреляции. Рассмотрим основные источники шума оптических процессоров. 345 Шумы излучателя: случайные и периодические временнйе флюктуацнн энергии; пространственная неоднородность излучения, квантовый шум. Шул4ь4 модулятора: случайная и систематическая пространственная неоднородность; временная нестабильность излучения.
Шумы оптической системы: случайный шум от оптических поверхностей; случайный шум от объемных неоднородностей; оптические аберрации; расфокусировка; боковые лепестки излучения; блики и двойные изображения. Шумы выходного преобразователя: дробовой шум; тепловой шум; пространственная неоднородность и временнйе флюктуации чувствительности фотоприемников. Пространственные боковые лепестки характеризуют оттекание полезной энергии к соседним участкам выходной плоскости.
Эти боковые лепестки вызывают засветку тех участков выходной плоскости, где должны быть полезные сигналы. Отношение мощности полезного сигнала к мощности шума в этом случае имеет вид (19Й Р,!Р 0,25 (тптодсв)'. (17.12) где т — коэффициент модуляции; д„— диаметр диафрагмы. Практически происходит маскирование полезного оптического сигнала процессора множеством систематических и случайных шумов, что в конечном итоге даже при тщательном изготовлении и юстировке процессора в зависимости от решаемой функции составляет суммарную погрешность порядка 1,5...5 %.
Одним из путей увеличения быстродействия и одновременно уменьшения стоимости обработки больших массивов информации является разработка специализированных оптоэлектронных дискретных про44гссорвв [1, 2. 19). Техническая реализация преобразования Адамара осуществляется с помощью двух последовательно соединенных элементов логического перемножения матриц, параллельно вычисляющих все компоненты спектра. В простейшем примере построения дискретного спектроанализатора реализован параллельно-последовательный метод спектрального анализа.
Каждая из спектральных составляющих вычисляется параллельно за один такт работы анализатора, причем изображение анализируемой функции а (х, у) сохраняется на входе процессора в течение времени вычисления всех коэффициентов спектра, т. е. на время й х Л/ тактов (рис. 17.6). Спектроанализатор состоит из входного устройства — фотопленки с изображением анализируемой функции а (х, у) и набора транспарантов — изображений функций (5,, (х, уЦ, р = 1, 2, ..., У, т = 1, 2, ..., М, представляющих собой систему ортогональных дискретных функций, по которым осуществляется разложение изображения а (х, у) в ряд Фурье.
Излучение от лазера проходит через транспаранты с изображением а(х, у),5,, (х, у) и собирается линзой на матрицу интегрирующих фотоприемников. В зависимости от того, какой коэффициент ряда Фурье необходимо получить, в плоскость изображения вводится тот или иной транспарант из записанного на пленке набора. На выходе матрицы фотоприемников выделяется временная последо- 343 вр,в7 г7лв) 77 тг Пюг Гл вательность электрических сигналов, пропорциональная интегральным значениям потока излучения во всем поле изображения и, следовательно, пропорциональная коэффициентам ряда Фурье: с,, = Ц а(х, У) 8, (х, У) йх44У.
(!7.13) Описанная схема имеет недостатки (малое быстродействие и большая погрешность юстировки при механической смене масок). Анализ изображения функции а (х, у) можно осуществить, совмещая процесс маскирования и регистрации результирующего излучения. В этом случае элементарная ячейка процессора включает в себя элемент фотоприемной матрицы-транспаранта Т2 и набор логических элементов транспаранта Т!, Это позволяет синтезировать маску за один такт работы процессора, используя управление ячейками только по системе ортогональных шин, и выполнять поэлементное логическое умножение изображения функции а (х, у) и транспаранта 5, (х, у).
Шины подключены к многовыходному генератору управляющих сигналов. В результате транспарант-матрица фотоприемников одновременно осуществляет за один такт работы маскирование и регистрацию излучения. Таким образом, интегральному значению потока излучения на входе матрицы фотоприемников соответствует пропорциональная сумма значений фототоков ячеек, равная значению определенного спектрального коэффициента с,„. Матрица фотоприемников 8 х 8 площадью 1 см' позволяет синтезировать маски из 1О' элементов и за 10 мс получать 104 спектральных коэффициентов (время такта 1О с). Погрешность спектрального анализа — 3...8 %. Функциональные возможности вычислений расши- 347 ряются с применением голографических методов хранения и обработки информации [2].
Оптические процессоры широко применяются при решении задач распознавания образов, спектрального анализа электрических сигналов, аэрофотоснимков, анализа движения облаков и турбулентных воздушных потоков по изображениям, полученным с метеорологических спутников, и т. д. До настоящего времени отсутствует эффективное оперативное устройство ввода — вывода данных в схему.
Поэтому интерес представляет метод обработки информации с помощью оптоэлектронной гибридной вычислительной схемы (см, рис. !7.2, б). В состав такого вычислителя входят: цифровойэлектронный процессор, обеспечивающий ввод — выводданных; программное управление процессом обработки и аналоговый когерентный оптический процессор, выполняющий операции по параллельной обработке двухмерного массива данных. Основной функцией аналогового оптического процессора является сжатие информации, что облегчает задачу согласования скорости обработки данных в обоих процессорах. В оптический процессор (рис.
17.2, б) информация поступает из видеоканала 18, кинопленки 10 (через преобразователи 11, 12), аналоговой памяти 7, оперативной внешней цифровой памяти 8, электронного процессора 9. Входная информация подается в устройство ввода 2 — пространственный модулятор излучения, Таким образом, информация вносится в лазерное излучение и поступает в оптическую схему аналогового процессора для фильтрации. Операционные фильтры выполнены на фотопластинке в виде двухмерной матрицы Фурье-голограмм. Спектр входного сигнала направляется на нужныйоперационный фильтр с помощью дефлектора 18, который управляет излучением газового лазера 1.
В спектральной плоскости (со„, гоа) хранится 100 стандартных фильтров. Съем информации осуществляется как в выходной плоскости оптического процессора, так и в ее спектральной плоскости. Для этого применяются интегральные матрицы фотоприемников 4 и 14. С этой же целью можно использовать видиконы. Информация а выходов 4, 1 п 4 и устройств согласования 15...17 подается на цифровой электронны" роцессор 9 для логического анализа, выработки управляющих сигнай лов и отображения результатов. Результаты обработки передаются в аналоговую или цифровую память 7, 8, отображаются на дисплее б или выводятся в печать б.
б Преимущества оптических вычислителей наиболее существенным о разом видны в гибридных оптических процессорах, где используется цифровая электронная и оптическая техника. т7А. Пример расчета голографического запоминающего устройства Принципиальная схема устройства. Эффективность применения вычислительной техники в значительной мере зависит от характеристик и организации памяти.
Принципиальная важность решения проблемы увеличения емкости и быстродействия запоминающих устройств свявана о непрерывно продолжающимся увеличением объема использу- 348 рраарага гаааарамм 1агааарала фааараааай гран Рвс. 17.7. Правцвавальяая схема голографвческого ваяомяваощего устройства с исаольвоваваем соъемвых голограмм мой информации и хранением ее больших массивов. Поэтому перспектива и целесообразность внедрения оптических запоминающих устройств, эффективность и высокая плотность информационной емкости которых существенно превышают другие типы запоминающих устройств, несомненны. Дополнительные преимущества оптической памяти — возможность параллельной обработки информации, высокая надежность хранения, быстрый доступ к массивам, отсутствие потребления энергии в статическом состоянии.
Запись голограммы в адресуемую позицию матрицы накопителя (рис. 17.7) производится следующим образом (П. Луч лазера 1, отклоненный дефлектором 2, разделяется светоделителем 8 на две части; часть пучка линзами Л1, Л2, зеркалом 6, объективом 01 и голографической дифракционной решеткой 5 направляется в виде опорного луча Аа ехр Яа) в требуемую позицию накопительной матрицы голограмм Н. Линзы Л1 и Л2 рассчитаны так, что дают общее увеличение, равное единице. Другая часть пучка объективом Об1 вводится в одну из ячеек линзового растра 4.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
