Аналоговые лазерные системы обработки информации. Часть 1. Фурье-процессоры

Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана




А.М. Горелов, В.С. Щетинкин

        АНАЛОГОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Часть 1. Фурье-процессоры

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия






Москва Издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана 2011

УДК 681.33
ББК 32.973
     Г-67



Рецензенты: В. Н. Носов, С. Б. Одинокое




       Горелов А. М.
Г-67 Аналоговые лазерные системы обработки информации. -Ч. 1: Фурье-процессоры: учеб. пособие / А. М. Горелов, В. С. Щетинкин. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2012. — 79, [5] с. : ил.

           Рассмотрены основы аналоговых лазерных систем обработки информации, а также вопросы структурно-функциональной организации когерентных аналоговых Фурье-процессоров.
           Для студентов старших курсов, обучающихся по направлению «Оптотехника» в области когерентной и квазикогерентной оптической обработки информации.




УДК 681.33
ББК 32.973












© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

ВВЕДЕНИЕ


    Обработка изображений предполагает выполнение операций с многомерными сигналами, которые являются функциями от пространственных координат и времени. На рис. 1 представлены существующие и перспективные области применения систем оптической информации.

•  Системы технического трения
•  Обработка аэрокосмических снимков
•  Улучшение качества телевизионных изображений
•  Шифрование и дешифрирование
•  Распознавание и классификация объектов
•  Дефектоскопия
•  Радиолокация
•  Г идролокация
•  Тепловидение

•  Рентгеновская и ЯМР томография
•  Анализ крови
•  Улучшение качества рентгеновских снимков
•  Получение объемных рентгеновских снимков
•  Обработка электронномикроскопических фотографий

•  Оперативное обнаружение тайфунов и ураганов
•  Обнаружение и идентификация очагов зарождения цунами и оценка параметров волны
•  Анализ динамики облачности
•  Оперативный мониторинг экологической обстановки

Цель обработки:
      Улучшение качества и восстановление изображений (двумерной информации)
      Извлечение требуемой информации из многомерного сигнала
      Кодирование и декодирование информации
      Распознавание и классификация образов


Рис. 1. Области применения систем оптической обработки информации

3

    Место, занимаемое аналоговыми лазерными системами обработки информации, понятно из классификации систем обработки информации (рис. 2).


Рис. 2. Классификация систем обработки информации

4

    Основные особенности аналоговых ЛСОИ:
    •     параллельная обработка больших объемов информации матричного формата (104 х 104 бит);
    •     высокая скорость выполнения операций (до 1014 бит/с) при сравнительно невысокой точности вычислений (1. ..10 %);
    •     выполнение за один такт работы оптического процессора преобразований Фурье, Лапласа, Меллина, Гильберта, свертки, корреляции и других параллельно для всего входного массива данных;
    •    возможность применения оптических запоминающих
устройств большой емкости.

АНАЛОГОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Структурная схема аналоговой ЛСОИ

    Операции над многомерными сигналами в СОИ осуществляются в специальном устройстве — процессоре. Под оптическим процессором будем понимать систему, осуществляющую определенные операции над информационными массивами с помощью пространственно-временных преобразований и детектирования во времени и пространстве волновых полей оптического диапазона. В когерентных оптических процессорах (КОП) в качестве источника излучения используется лазер. При обработке информации в КОП выполняются следующие основные операции:
    •    преобразование обрабатываемого сигнала в оптический когерентный;
    •    осуществление над полученным сигналом требуемого математического действия;
    •    преобразование выходного сигнала, описывающего результат вычисления (обработки), в электрический сигнал или регистрация его на некотором оптическом носителе.
    В соответствии с перечисленными операциями на рис. 3 показана обобщенная структурная схема аналоговой ЛСОИ [1, 2]. Основное назначение элементов структурной схемы рассмотрено ниже.
    Лазер — источник когерентного излучения требуемой интенсивности и частоты, формирует исходный лазерный пучок.
    Формирователь лазерного пучка — устройство задания определенных параметров пучка и его положения в пространстве, а также изменения этих параметров во времени по заданному закону. Обычно используют расширитель лазерного пучка, который увеличивает диаметр исходного пучка до заполнения входной апертуры КОП (размер апертуры определяется форматом входного сигнала и свойствами входного транспаранта), т. е. оптическую систему, фор


6

мирующую исходный оптический сигнал, которым является э лек-тромагнитная волна оптического диапазона определенной конфигурации, для создания входного оптического сигнала [3].


Рис. 3. Обобщенная структурная схема аналоговой ЛСОИ

    Входной оптический сигнал — электромагнитная волна оптического диапазона, параметры которой модулированы входным сигналом.
    Входной сигнал, несет необходимую информацию (чаще всего электрический сигнал) для формирования входного оптического.
    Устройство ввода, преобразует поступающие на вход электрические или оптические сигналы в когерентные оптические. Как правило, это входной транспарант — амплитудная, фазовая или комбинированная амплитудно-фазовая матрица элементов, модулирующая параметры исходного оптического сигнала в соответствии с информационным входным сигналом для получения входного оптического сигнала (входного изображения). Управляемый входной транспарант часто называют пространственно-временным модулятором света (ПВМС) [4].
    Оптическое вычислительное устройство, выполняет требуемые математические операции над сформированным в устройстве ввода входным оптическим сигналом, результатом чего является выходной оптический сигнал (изображение). В аналоговых ЛСОИ — это КОП — оптическая система, выполняющая одну или несколько последовательных базовых операций над входным оптическим сигналом.
    Запоминающее устройство, используется для хранения промежуточных результатов вычислений, банка данных и эталонных функций.


7

    Устройство вывода, регистрирует результирующее световое поле с последующим его преобразованием в электрический сигнал или переносом на оптический носитель. Обычно это пространственный двухмерный фотодетектор — оптико-электронное устройство, регистрирующее усредненный квадрат амплитуды выходного оптического сигнала и преобразующее его в выходной [5].
    Выходной сигнал (чаще всего электрический), несет информацию об усредненном квадрате амплитуды выходного оптического сигнала и используется для визуализации либо для дальнейшей обработки.

2. Оптический сигнал

    Под оптическим сигналом понимается электромагнитная волна оптического диапазона (от инфракрасного до ультрафиолетового), несущая определенную информацию.
    Электромагнитная волна является поперечной и характеризуется в простейшем случае двумя векторными полями: E(r, t) — напряженностью электрического поля и H(r, t) — напряженностью магнитного поля.
    Описывая оптический сигнал, примем некоторые допущения:
    1)     поскольку практически все фотодетекторы чувствительны только к напряженности электрического поля, в дальнейшем будем рассматривать только характеристику;
    2)     поскольку для аналоговых ЛСОИ обычно используют лазеры с линейно поляризованным излучением, предполагая, что положение плоскости поляризации в оптическом сигнале не модулируется (исключение составляет поляризационная модуляция, однако в итоге она сводится к амплитудной без изменения состояния поляризации оптического сигнала), не будем учитывать векторный характер напряженности электрического поля;
    3)     исходный сигнал будем считать строго монохроматическим (круговая частота и длина волны постоянна) и пространственно когерентным;
    4)     все временные изменения оптического сигнала, связанные с его модуляцией входным сигналом, будут значительно медленнее, чем изменения, связанные с его круговой частотой.


8

   Информационные параметры сигнала представлены на рис. 4. Положение оптического сигнала в структуре сигналов других типов приведено на рис. 5.


Рис. 4. Информационные параметры оптического сигнала

Рис. 5. Классификация СОИ по виду используемого сигнала

    С учетом сделанных допущений общее выражение для оптического сигнала приобретает вид


9