Исследование оптико-электронных методов получения и обработки информации о неоднородностях морской среды

Мировой океан в последние десятилетия стал ареной интенсивной хозяйственной, экологической, военной и, соответственно, научной деятельности. Современные океанографические исследования охватывают большие акватории и большие глубины океана, характеризуются большим количеством первичных данных, которые необходимо оперативно обрабатывать. Это в свою очередь выдвигает задачи автоматизации процессов сбора, обработки информации. Решение этих задач сопровождается созданием новых методов и аппаратурных комплексов исследований на основе внедрения новейших средств оптико-электроники и вычислительной техники.

Учитывая то, что большинство процессов и явлений, происходящих в океане, являются быстропротекающими, то возникает необходимость получения информации о них в реальном масштабе времени, что требует создания информационных комплексов, объединяющих в себе получение и обработку океанографической информации [1−3].

Широкое распространение в океанографических исследованиях получили оптические методы [4−8] при изучении закономерностей пространственно-временных характеристик гидрофизических полей в океане. С использованием оптических методов возможны измерения многих гидрофизических параметров (плотность воды, скорость и направление течений, исследование турбулентных образований и т. д.). Особенно большое значение приобрело использование оптических методов при исследовании турбулентных образований, носящих как природный характер, так и искусственно наведенных [3, 5−7]. Оптические методы обеспечивают высокочувствительность, практически безынерционны, не вносят искажений в исследуемое поле и позволяют получать информацию о целом ряде гидрофизических параметров. Наибольшее распространение получили локальные — интерференционно-теневые методы с дальнейшей обработкой либо электрического сигнала, получаемого при интегрировании светового распределения на выходе интерференционных и теневых приборов, либо обработкой самих интерференционных, теневых картин компьютерными, телевизионными или оптическими средствами, а также дистанционные методы импульсного лазерного зондирования морской среды с аналого-цифровой обработкой импульсного сигнала обратного рассеяния (СОР).

Учитывая, что интерференционно-теневые методы просты в использовании, обладают высокой точностью и наглядностью при визуализации интерференционных и теневых картин, использование этих методов находит широкое применение при обнаружении и контроле флуктуации показателя преломления и соответственно, турбулентных неоднородностей в морской среде.

При использовании локальных-интерференционно-теневых методов для обнаружения и контроля турбулентных образований в аппаратурных комплексах остро встает вопрос об оперативной обработке огромного массива информации. Эта задача становится особо сложной, когда речь идет об обработке двумерной информации (интерференционных, теневых картин) в реальном масштабе времени. Использование для целей обработки двумерной информации о турбулентных образованиях электронных методов (обработка на ЭВМ и телевизионные методы) не позволяет решить эту задачу с необходимым быстродействием, поэтому единственно возможным методом на сегодняшний день для ее решения может быть использование многоканальных аналоговых оптико-электронных устройств параллельной обработки информации.

При обработке больших массивов информации эффективно могут быть использованы специализированные устройства оптической обработки информации, а сочетание оптических и электронных методов позволяет создать в некоторых случаях устройства, эффективность обработки информации, в которых оказывается значительно выше существующих [9].

Решение задачи обнаружения турбулентных образований, а также классификации их при обработке интерференционных и теневых картин представляет собой одну из трудных задач вычислительной техники — задачу распознавания образов.

Процесс распознавания изображений, как правило, связан с необходимостью обработки больших массивов информации и позволяет осуществить максимальное сжатие объема информации и устранить избыточность обрабатываемых изображений.

Использование систем распознавания изображений в одном комплексе с системой получения информации позволяет получить информацию о гидрооптических неоднородностях в реальном масштабе времени.

Другим оптическим методом получения информации о неоднородностях морской среды является дистанционный метод импульсного лазерного зондирования, позволяющий получить временную информацию о неоднородностях морской среды со всей трассы распространения светового импульса. Информация о неоднородностях сосредоточена на заднем фронте импульсного сигнала обратного рассеяния (СОР). В зависимости от мощности лазера и гидрофизических параметров морской среды, дистанция с которой можно получить информацию о неоднородностях может достигать 100 м. В зависимости от задач, обработка такого СОР может представлять либо аналого-цифровую обработку каждого отдельного импульса, либо накопление серии импульсов и цифровую обработку изображений, представляющих совокупность информативных задних фронтов этих импульсов, в блоке обработки изображений.

Как показали теоретические исследования локальный метод и метод дистанционный физически взаимосвязаны и практически дополняют друг друга, позволяя проводить исследования как пространственного, так и временного распределения светового поля.

Целью диссертационной работы были теоретические и экспериментальные исследования локальных и дистанционных оптико-электронных методов получения информации о неоднородностях морской среды, исследования направленные на создание эффективных методов обработки оптической информации о неоднородностях морской среды и включали следующие основные вопросы :

1. Проведение анализа физических условий получения информации о турбулентных неоднородностях морской среды оптическими методами с учетом рассеяния на взвеси и поглощения света.

2. Построение упрощенных математических моделей рассеяния узкополосного оптического излучения на турбулентных неоднородностях морской среды с учетом рассеяния на взвеси и поглощения света.

3. Обобщение физического и математического анализа локального и дистанционного оптических методов получения информации о неоднородностях морской среды.

4. Проведение исследований, направленных на создание оптико-электронных методов получения информации о неоднородностях морской среды и исследование возможности использования аналоговых оптико-электронных методов параллельной обработки двумерной информации о неоднородностях, получаемой интерференционно-теневыми методами.

5. Разработка путей создания аналоговых и гибридных оптико-электронных устройств и систем с параллельными каналами обработки для целей исследования и классификации неоднородностей морской среды в реальном масштабе времени.

6. Исследование метода импульсного лазерного зондирования морской среды, как дистанционного метода, с целью получения информации о неоднородностях морской среды по СОР в реальном масштабе времени.

Поставленная цель делает данную работу особо актуальной.

В первой главе диссертации рассмотрены оптические методы получения информации о турбулентных образованиях морской среды. Дается общая физическая картина условий получения информации о турбулентных неоднородностях морской среды оптическими методами при условии, что морская среда представляет собой сложную физико-химико-биологическую систему, содержащую растворенные вещества и взвешенные частицы минеральных веществ и организмов растительного и животного происхождения, т. е. взвеси или взвешенные неоднородности. Таким образом, оптические свойства морской среды в значительной степени определяются концентрацией растворенных веществ и взвеси.

В данной главе рассматривается рассеяние света на турбулентных неод-нородностях морской среды при условии, что среда поглощающая и содержит взвеси. Исходя из этих условий, были построены упрощенные математические модели рассеяния света на турбулентных неоднородностях в морской среде, при получении информации о них локальным методом — интерференционно-теневым и дистанционным — методом импульсного лазерного зондирования.

Полученные математические модели, описывающие два основных оптических метода — локальный, дающий информацию о пространственном распределении излучения и дистанционный метод зондирования морской среды, дающий информацию о временном распределении излучения, подтверждают их физическую и математическую общность, так как в основе методов лежат одни и те же соотношения для полей и интенсивности рассеянного поля, полученные методом слабых возмущения в приближении однократного рассеяния.

Во второй главе большое внимание уделено локальным методам получения двумерной информации — теневым и интерференционном и ее обработке, дающим информацию о неоднородноегях морской среды в месте погружения теневого прибора. Проведенный анализ оптических методов получения информации о неоднородностях морской среды показал перспективность с точки зрения высокой информативности и наглядности возможность реализации вышеназванных оптических методов получения двумерной информации — теневых и интерференционных.

Определенный интерес представляет разработанный автором новый метод оперативного контроля неоднородностей в прозрачных средах с использованием интерферометра с пространственно фазовой модуляцией, который позволяет преобразовывать интерферометрическую информацию в форму, удобную для ввода в ЭВМ, а также для восприятия оператором. Рассчитанные амплитудно-фазовые характеристики поля позволяют сделать оптимальный выбор соотношений между параметрами фазового модулятора и рабочей базой интерферометра.

Наряду с вопросами получения двумерной информации о неоднородно-стях морской среды встает вопрос об автоматизации обработки такой информации с целью ее распознавания, особенно, когда речь идет об обработке в реальном масштабе времени применительно к реальным условиям использования в системе получения и обработки двумерной информации на борту научно-исследовательского судна (НИС), автономной буйковой станции (АБС), необитаемого подводного аппарата (НПА) и др. Приведенный анализ основных методов обработки изображений (обработка на ЭВМ, телевизионные методы, аналоговые оптико-электронные методы) показал преимущества параллельных аналоговых оптико-электронных методов по сравнению с электронными методами при решении задач распознавания теневых картин.

Оптические методы обработки информации имеют ряд специфических особенностей, выгодно отличающих их от других методов и систем:

1. обладают двумя степенями свободы;

2. имеют возможность параллельной (без сканирования) обработки двумерной информации;

3. позволяют производить обработку информации со скоростью, определяемой скоростью света;

4. позволяют осуществлять с помощью сравнительно простых оптических систем ряд математически емких операций, таких как операция двумерного преобразования Фурье, операция свертки, корреляции, дифференцирования, мультипликации и т. д.;

5. имеется возможность построения систем с многоканальной обработкой информации с очень высокой скоростью.

Все перечисленные возможности создают предпосылки для реализации оптических и оптико-электронных методов и систем обработки информации, обладающих колоссальной емкостью и скоростью обработки, позволяющие обрабатывать огромные массивы информации, производительность которых лимитируется только скоростью ввода и съема данных. Весьма отчетливо преимущества оптических методов проявляются в задачах автоматического распознавания двумерной информации, заключающихся в классификации изображений как известной, так и случайной формы в присутствии других изображений или шумов. Попытки решения такой задачи чисто электронными средствами приводят к созданию громоздких систем с малым быстродействием, позволяющих решать далеко не все классы задач. В связи с этим, представляется перспективным создание оптико-электронных систем, сочетающих в себе преимущества оптических методов обработки (двухмерность, быстродействие) с достоинствами электронных (в частности цифровых) систем (простота выполнения логических операций, универсальность, высокая точность в случае систем дискретного действия).

В диссертации исследовались возможности применения оптической обработки в системах распознавания теневых картин, способы формирования информативных признаков, вопросы построения аналоговых оптико-электронных устройств и гибридной оптико-электронной системы распознавания изображений. Особое внимание уделено вопросам формирования информативных признаков. В работе рассмотрены методы реализации корреляционного анализа и обобщенного спектрального анализа, позволяющего проводить обработку как самого изображения, так и пространственно-частотного спектра (ПЧС) изображения. Детально рассмотрен метод формирования признаков с использованием двумерных бинарных случайных функций (масок). Разработан метод построения двумерных бинарных случайных масок с использованием ЭВМ, позволяющий согласовать пространственные частоты двумерных бинарных случайных масок и теневых картин.

В третьей главе рассмотрены различные пути построения оптико-электронных аналоговых устройств и гибридной системы обработки (анализа и классификации изображений). В работе описаны анализаторы с последовательной и параллельной обработкой. Также рассматриваются параллельные оптико-электронные устройства обработки изображений, в которых формирование признаков и реализация алгоритма обработки осуществляется оптическим способом, что приводит к реализации чисто оптического классификатора.

Рассмотрены пути построения оптико-телевизионного классификатора с очень большим числом (сотни — тысячи) каналов обработки изображения. Для этой цели предложено использовать специальную маскированную передающую телевизионную трубку, на заднюю стенку планшайбы которой наносится матрица оптических двумерных бинарных функций (рк{х, у), и мультипликатор изображений на базе фазовой дифракционной решетки.

Как уже говорилось, при распознавании изображений трудоемкими являются операции предварительной обработки и формирование признаков, требующие преобразования двумерных массивов информации. Операции обучения и классификации представляют, как правило, простые арифметические или логические операции над числами (признаками). Таким образом, вытекает целесообразность гибридных (аналого-цифровых) систем распознавания изображений, в которых оптическая аналоговая часть выполняет предварительную обработку и формирует признаки изображений, алгоритм обучения и распознавания реализуется в цифровой части системы на базе ЭВМ.

В четвертой главе рассмотрена техническая реализация аналоговых оптико-электронных устройств и гибридной системы обработки теневых картин гидрооптических неоднородностей. Дано подробное описание изготовленных устройств многоканального оптико-электронного датчика первичных признаков, аналогового оптико-электронного линейного классификатора теневых картин, а также гибридной системы распознавания.

Также дается описание технической реализации системы дистанционного лазерного зондирования морской среды, позволяющей получить информацию о неоднородностях на трассе распространения светового импульса по импульсному сигналу обратного рассеяния (СОР). Рассмотрены разработанные конструкция системы лазерного зондирования для натурных морских исследований, приемно-преобразующие анализирующие устройства (ППАУ) системы.

Описаны варианты приемно-преобразующего устройства с оптическим стробированием дальности с использованием оптико-волоконных элементов.

В пятой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований по обработке теневых картин гидрооптических неоднородностей морской среды, полученных в натурных условиях. Проведена классификация теневых картин с использованием корреляционного метода, метода обобщенных моментов и метода дискретизации ПЧС. Результаты классификации последними двумя методами дали высокую вероятность правильного распознавания при разбиении изображений теневых картин на два класса.

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований системы лазерного зондирования морской среды. Полученные импульсные сигналы обратного рассеяния (СОР) преобразовывались в электрический импульсный сигнал, который затем преобразовывался в цифровую форму и регистрировался в цифровом магнитофоне. Полученные и записанные реализации СОР далее обрабатывались в ЭВМ с целью классификации.

В шестой главе дается анализ эффективности предлагаемой системы сбора и обработки информации о неоднородностях морской среды. Рассмотрены различные варианты построения таких систем, проводится сравнительный анализ основных параметров предлагаемой системы с оптико-электронной обработкой, с системой аналогом, с телевизионным методом обработки теневых картин. Большое значение при построении оптико-электронной системы сбора и обработки информации имеет выбор источника оптического излучения. Проведен анализ информационно-энергетических соотношений в системе теневой прибор — оптический процессор, позволяющий при фиксированной мощности источника света теневого, прибора определить достижимое число каналов обработки, либо при заданном числе каналов, определить требуемую мощность источника света.

Проведен анализ методов сжатия информации при передаче ее в пункт сбора и анализа данных, который определяется типом канала передачи информации в зависимости от типа носителя информационной системы (НИС, АБС, НПА и т. д.).

На защиту выносится:

1. Обобщение физического и математического анализа локального и дистанционного методов получения информации о турбулентных неоднородностях морской среды в предположении, что все неоднородности являются слабыми с учетом рассеяния на взвеси и поглощения, отраженное в полученных математических моделях.

2. Совокупность новых научно обоснованных технических решений, обеспечивающих более высокие параметры системы (надежность обнаружения, быстродействие, габариты, масса) получения и обработки информации о неоднородностях морской среды по сравнению с ранее используемым для этой задачи аналогом и включает в себя: а) Метод оперативного контроля фазовых неоднородностей прозрачных сред с использованием пространственно-фазовой модуляции. б) Методы построения многоканальных оптико-электронных устройств и систем параллельной обработки двумерной информации. в) Алгоритм формирования информативных признаков при распознавании интерференционных и теневых картин с использованием двумерных бинарных случайных функций. г) Анализ информационно-энергетических соотношений в системе теневой прибор — оптический процессор. д) Исследование дистанционного метода контроля за неоднородностями морской среды, т. е. построение систем лазерного зондирования (ЛЗ) морской среды и устройств аналого-цифровой обработки сигнала обратного рассеяния (СОР). е) Алгоритм обработки СОР с целью классификации неоднородностей морской среды.

ВЫВОДЫ:

1. Рассмотрены пути построения оптико-электронных систем сбора и обработки информации о неоднородностях морской среды в зависимости от цели использования (океанологические и экологические исследования, военное применение) и, соответственно, в зависимости от носителя, на котором устанавливается система (АБС, НПА, БПА, ПЛ).

2. Проведен анализ ССОИ и информационно-энергетических соотношений в локальной системе зондирования теневой прибор — оптический процессор, позволяющий при фиксированной мощности источника света теневого прибора определить достижимое число каналов обработки, либо при заданном числе каналов определить требуемую мощность источника света.

3. Проведенный анализ методов сжатия информации о неоднородностях морской среды показал, что при работе оптико-электронных систем сбора и обработки информации, работающих в реальном масштабе времени на автономных носителях (АБС, НПА, БУПА), связанных с центром сбора и обработки информации каналом связи, удовлетворяет метод сжатия двумерной информации путем разложения изображений теневых картин в обобщенный ряд Фурье, по заранее выбранной системе базисных функций, либо метод сжатия информации с использованием распознавания на борту автономного носителя и передачи кода получаемой полезной информации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Рассмотренная в диссертационной работе тема охватывает широкий круг вопросов, связанных с получением и обработкой информации о неоднородно-стях морской среды оптико-электронными методами. Как показано в диссертации, данное направление исследований имеет преимущества перед другими методами получения и обработки информации, так как позволяет, не внося изменений в исследуемое поле, получить информацию в реальном времени, что становится особенно важным при решении оперативных задач обнаружения наведенной турбулентности самодвижущимися подводными объектами (НПА, ИЛ и т. д.), а также при проведении океанографических исследований природного характера и при решении задач охраны окружающей среды, например, изучении антропогенных процессов в океане.

Рассмотренная общая физическая картина условий получения информации о турбулентности морской среды оптическими методами — локальными и дистанционными, позволила показать, что с физической точки зрения существенной разницы между этими методами нет, а различие проявляется лишь при технической реализации. Проведенный математический анализ путем построения упрощенных математических моделей рассеяния, как квазимонохроматического, так и квазикогерентного оптического излучения на неоднородностях морской среды с учетом не только турбулентных неоднородностей и взвеси, но и поглощения также показал общность этих методов. Проведенный физический и математический анализ позволил рассмотреть принцип реализации оптических методов получения информации о турбулентных неоднородностях в морской среде.

В диссертационной работе дан подробный анализ оптических методов получения информации о турбулентных образованиях, в результате которого особое внимание уделено оптическим методам получения двумерной информации — теневым и интерференционным методам, как наиболее информативным, чувствительным и перспективным с точки зрения реализации в настоящее время. Рассмотрен предложенный и разработанный автором новый метод оперативного контроля неоднородностей в прозрачных средах с использованием пространственно-фазовой модуляции, позволяющей преобразовать интерферо-метрическую информацию в форму, удобную для ввода в ЭВМ и восприятия ее оператором.

На основании рассмотренных основных методов обработки двумерной информации (обработка на ЭВМ, телевизионные методы, оптико-электронные методы) показаны преимущества аналоговых оптико-электронных методов с параллельной обработкой по сравнению с электронными методами при построении систем распознавания двумерной информации, позволяющих сравнительно легко реализовать ряд информационно емких операций над двумерными массивами в реальном масштабе времени, решать задачи сокращения избыточности информации, анализа и классификации изображений.

В диссертации проведен теоретический анализ формирования двумерных бинарных случайных функций (масок), на основании которого выявлен ряд закономерностей, позволяющих согласовать пространственную частоту маски с пространственной частотой распознаваемого изображения теневой картины и использовать при построении масок ЭВМ.

В работе рассмотрен ряд технических решений, предложенных автором, аналоговых оптико-электронных устройств, которые могут найти использование при реализации систем сбора и обработки двумерной информации. Рассмотрен вопрос использования гибридных (аналого-цифровых) оптико-электронных систем распознавания изображений, которые могут быть реализованы на базе предложенных аналоговых оптико-электронных устройств обработки изображений и позволяющие реализовать сложные алгоритмы обработки изображений.

В диссертационной работе рассмотрена техническая реализация экспериментальных многоканальных макетов: датчика «первичных признаков», гибридной оптико-электронной системы распознавания и линейного оптико-электронного классификатора изображений, сконструированных и изготовленных с участием автора, имеющих высокие технические параметры. Данные устройства могут быть использованы в научных исследованиях и прикладных задачах по обработке двумерной информации о турбулентных образованиях.

В диссертации рассмотрена техническая реализация системы дистанционного лазерного зондирования морской среды, позволяющей оперативно получить информацию о наличии неоднородностей со всей трассы распространения светового импульса при анализе импульсного сигнала обратного рассеяния. Подробно рассмотрено разработанное приемно-преобразующее устройство, включающее погружаемый фото приемник с широкополосным логарифмическим усилителем, обеспечивающим большой динамический диапазон принимаемого сигнала, и электронное бортовое устройство аналого-цифрового преобразования импульсного сигнала обратного рассеяния, сопрягаемое с ЭВМ либо цифровым магнитофоном. Такая система может быть использована для оперативного поиска турбулентных полей с дальнейшим использованием локальных устройств зондирования теневого прибора для исследования тонкой структуры турбулентности.

Экспериментальные исследования по обработке натурных теневых картин, проведение на универсальной одноканальной оптико-электронной установке, созданной автором с целью формирования и выбора признаков, подтвердили возможность использования аналоговых оптико-электронных методов, а проведенная обработка признаков на ЭВМ с целью распознавания показала, что наиболее обнадеживающие результаты дает метод дискретизации ПЧС и метод обобщенных моментов с использованием системы двумерных бинарных случайных функций. Однако следует заметить, что положительные результаты можно ожидать и от корреляционного метода, путем формирования корреляционных мер близости и использования их в качестве признаков с применением двумерных бинарных эталонных функций, но этот метод должен быть дополнительно исследован на достаточно представительной выборке реализаций изображений теневых картин для различных временных интервалов существования наведенной турбулентности. Проведенные исследования позволили определить оптимальное количество и вид опорных двумерных функций, которые в дальнейшем были заложены в матрицу масок датчика первичных признаков и классификатора изображений теневых картин.

Проведенные экспериментальные исследования по обработке и распознаванию двумерной информации о турбулентности, предложенные технические решения аналоговых многоканальных оптико-электронных устройств и их экспериментальная проверка дают все основания считать, что аналоговые оптико-электронные методы и устройства перспективно использовать как в автономных бортовых системах сбора, обработки и передачи информации, так и в системах на борту ПЛ, так как они сравнительно просты в реализации, имеют небольшие габариты, надежны в работе, позволяют осуществлять обработку двумерной информации в реальном масштабе времени и реализовать эффективное сжатие информации.

В работе дан анализ построения оптико-электронных систем сбора и обработки информации о неоднородностях морской среды в зависимости от целей использования и носителя системы. Проведен анализ модели системы сбора и обработки информации и информационно-энергетических соотношений в системе теневой прибор — оптический процессор, а также анализ методов сжатия информации при передаче ее по каналу связи с центром получения и анализа данных.

Необходимо также отметить, что все теоретические технические, экспериментальные результаты, полученные в процессе работы над диссертацией, нашли свое использование в работах, проводимых по Постановлениям правительства СССР, что подтверждено актами и справкой об использовании результатов, отраженных в Приложении 2.

СПИСОК СПЕЦИАЛЬНЫХ СОКРАЩЕНИЙ, ВСТРЕЧАЮЩИХСЯ В ТЕКСТЕ.

ВН — неоднородности взвеси ТН — турбулентные неоднородности СОР — сигнал обратного рассеяния ОП — оптический процессор ТА — телевизионный автомат.

ППАУ — приемно-преобразующее, анализирующее устройство.

ФП — фотоприемник.

ФЭУ — фото-электронный умножитель.

ЭВМ — электронно-вычислительная машина.

ГТЧС — пространственно-частотный спектр

СЛЗ — система лазерного зондирования.

ОКГ — оптический квантовый генератор

АБС — автономная буйковая станция.

БУПА — буксируемый управляемый подводный аппарат.

НПА — необитаемый подводный аппарат.

ПЛ — подводная лодка.

НИС — научно-исследовательское судно.

ЭОП — электронно-оптический преобразователь.

ЭРУ — электронное решающее устройство.

АОЭС — аналоговая оптико-электронная система.

ССОИ — система сбора обработки информации.

ТВ — телевизионная система.

ОС — оптическая система.

ГС — гибридная система.

ТП — теневой прибор