Модели и алгоритмы процесса восстановления спектров вторичного излучения, регистрируемого статическим Фурье-спектрометром

• Автор: Голяк, Игорь Семенович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Глава 1. РЕГИСТРАЦИЯ, ФОРМИРОВАНИЕ, И ОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ СПЕКТРОМЕТРИИ

1.1. Принципы работы и области применения статических Фурье-спектрометров

1.2. Методы и средства формирования изображений

1.3. Методы обработки изображений

1.4. Выводы по первой главе

Глава 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ И АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ДВУМЕРНЫХ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КАРТИН

2.1. Постановка задачи восстановления спектра

2.2. Численные методы и алгоритмы решения задачи восстановления спектра
2.2.1. Оператор искажений
2.2.1.1. Влияние искажений оптической системы на восстановленный спектр
2.2.1.2. Влияние внешнего фона на восстановленный спектр
2.2.1.3. Влияние геометрических искажений на восстановленный спектр
2.2.1.4. Влияние шума на восстановленный спектр
2.2.2. Оператор исправления искажений
2.2.2.1. Метод исправления фоновой засветки
2.2.2.2. Метод исправления геометрических искажений
2.2.2.3. Метод исправления искажений оптической системы
2.3. Численная апробация разработанных модели и алгоритмов
2.4. Выводы по второй главе
Глава 3. ПРОГРАММНБ1Й КОМПЛЕКС
3.1. Общее описание программного комплекса
3.2. Основной алгоритм работы программного комплекса
3.3. Диаграмма состояний обработки двумерных интерференционных картин
и спектров
3.4. Структурная схема программного комплекса
3.5. Интерфейс программного комплекса
3.6. Формирование результатов идентификации веществ
3.7. Выводы по третьей главе
Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА И РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ БЕСПРОБООТБОРНОГО АНАЛИЗА

4.1. Описание макета статического Фурье-спектрометра
4.2. Процедура определения параметров макета СФС в программном комплексе
4.3. Анализ шума двумерных интерференционных картин
4.4. Проверка эффективности восстановления спектра вторичного излучения программным комплексом
4.5. Проверка правильности восстанавливаемых спектров
4.6. Проверка работоспособности программного комплекса на базе макета СФС при автоматическом распознавании веществ
4.7. Проверка эффективности программного комплекса на базе макета СФС при обнаружении веществ на различных подстилающих поверхностях
4.8. Определение быстродействия обнаружения тестовых веществ
4.9. Выводы по четвертой главе
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. В настоящее время в задачах химического мониторинга, промышленного контроля, медицинской диагностики и др. требуется дистанционный беспробоотборный экспресс-анализ. Среди методов дистанционного анализа наиболее широкое развитие получили спектральные методы, одним из которых является Фурье-спектрометрия. В сравнении с другими спектральными методами, Фурье-спектрометрия обладает преимуществами в светосиле [1] и мультиплекс-факторе [2, 3], что позволяет проводить более точный анализ.
Развитие микроэлектроники, появление фоточувствительных матриц в ближнем ультрафиолетовом (УФ) диапазоне позволили создавать компактные портативные системы для экспресс-анализа на основе метода Фурье-спектрометрии в ближней УФ области. Вместе с тем, существуют и сложности при проведении экспресс-анализа с помощью таких портативных систем.
Особенностью Фурье-спектрометрии является то, что регистрируемое линейкой или матрицей сенсоров изображение интерференционной картины (так называемая интерферограмма) не является напрямую распределением энергии по длинам волн. Для получения энергетического спектра необходимо выполнить ряд численных процедур, которые невозможны без применения современных вычислительных систем.
Регистрируемые двумерные интерференционные картины со статических Фурье-спектрометров представляют собой достаточно большие массивы данных. Так, например, для макета статического Фурье-спектрометра [4, 5], имеющего разрешение 0,6 нм и рабочий диапазон 300-700 нм, размер одного ч/б кадра с разрешением 1936 на 1456 занимает десятки мегабайт при разрядности АЦП - 14 бит. Кроме того, в процессе регистрации двумерной интерференционной картины с целью её дальнейшего преобразования в спектр возникают и другие трудности. Регистрируемая двумерная интерферограмма практически всегда содержит
/Цх) =/(х)ге сЦЦх), (2.3)
где гесь(1, х) — прямоугольная функция, равная 1 в интервале —Ь<х<Ь и 0 вне его; / (х) — идеальная интерферограмма; и (х) — конечная интерферограмма.
В соответствии с теоремой о свёртке [14], в частотной области выражение
(2.3) эквивалентно следующему
Я/, 00 = В(у) * 5Шс(-^,у),
где * - операция свёртки; В (у) ~ истинный спектр; Вь(х) - восстановленный втГ—)
спектр; я1пс(а, х) = —язАЧ

Рис. 2.2. К ограниченности интерференционной картины: а) - вид конечной интерферограммы; б) - ятс^-, у)
Функция ятс(^-, V) (Рис. 2.2,6) является Фурье-образом прямоугольной
функции гесЦЦх) и определяет разрешение в восстановленном спектре [50, 62]. Тогда согласно критерию Рэлея [119], теоретически достижимое разрешение в восстановленном спектре в отсутствие шума будет

(2.4)
что соответствует разделению двух линий, чья интерференция имеет частоту биений равную нулю при х = Ь.
В длинах волн уравнение (2.4) примет вид