Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ предметной области проектирования голографических запоминающих устройств 11
1.1. Организация устройств оптической памяти на основе принципов голографии 11
1.1.1. Основные понятия голографии 11
1.1.2. Принципы записи и считывания голограмм 16
1.1.3. Систематизация голограмм 20
1.2. Концептуальное проектирование технических систем 32
1.3. Математическое моделирование и конструктивные реализации в области голографических запоминающих устройств 39
1.4. Цель и задачи работы 48
ГЛАВА 2. Методика концептуального проектирования голографических запоминающих устройств 50
2.1. Объект проектирования 50
2.2. Моделирование предметной области 54
2.2.1. Представление физических знаний 54
2.2.2. Создание объектно-ориентированного фонда физических эффектов «Голография» иа основе анализа функций и процессов ГЗУ .60
2.2.3. Формализация информации об объекте проектирования 62
2.2.4. Систематика математических моделей в области голографии 73
2.3. Методика концептуального проектирования ГЗУ 78
2.3.1. Принципы концептуального проектирования ГЗУ 78
2.3.2. Этап 1. Формулирование потребности 80
2.3.3. Этап 2. Определение шаблона ФПД для проектируемого ГЗУ 81
2.3.4. Этап 3. Синтез структур ФПД 82
2.3.5. Этап 4. Математическое моделирование процессов ГЗУ 90
2.3.6. Этап 5. Интеграция ФПД компонент ГЗУ в составе ФПД ГЗУ 94
2.4. Основные результаты и выводы 94
ГЛАВА 3. Разработка автоматизированной системы проектирования устройств трехмерной голографической памяти 95
3.1. Проектирование 95
3.1.1. Формирование требований к системе 95
3.1.2. Архитектура 97
3.1.3. Структура данных 99
3.2. Реализация 102
3.2.1. Представление ФЭ 102
3.2.2. Реализация синтеза ФПД 105
3.2.3. Визуализация ФПД 109
3.2.4. Организация математических вычислении 116
3.2.5. Ограничения функциональности исследовательского прототипа.. 119
3.3. Основные результаты и выводы 120
ГЛАВА 4. Практическое применение автоматизированной системы концептуального проектирования голографических запоминающих устройств 122
4.1. Ведение фонда физических эффектов 122
4.2. Методика проектирования ГЗУ с использованием автоматизированной системы концептуального проектирования ГЗУ 126
4.2.1. Этап 1. Описание потребности 127
4.2.2. Этап 2. Определение шаблона ФПД, обязательного к применению при синтезе ФПД 133
4.2.3. Этап 3. Отбор синтезированных структур ФПД 134
4.2.4. Этап 4. Математическое моделирование 136
4.2.5. Этап 5. Интеграция ФПД компонент ГЗУ в составе ФПД ГЗУ... 139
4.2.6. Анализ результатов концептуального проектирования ГЗУ 139
4.3. Основные результаты и выводы 145
Заключение 146
Литература
- Организация устройств оптической памяти на основе принципов голографии
- Создание объектно-ориентированного фонда физических эффектов «Голография» иа основе анализа функций и процессов ГЗУ
- Формирование требований к системе
- Методика проектирования ГЗУ с использованием автоматизированной системы концептуального проектирования ГЗУ
Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с все возрастающими требованиями к объему хранимой информации, к характеристикам устройств памяти (скорости доступа, чтения, записи) все большую актуальность приобретают работы в области создания высокоэффективных запоминающих устройств, среди которых выделяются своими потенциальными возможностями оптические запоминающие устройства.
Среди перспективных схем оптической памяти наиболее популярны схемы с послойным хранением информации, которые позволяют использовать методы записи информации, разработанные для двумерной памяти, и допускают параллельное считывание информации, записанной в слое, Данным требованиям отвечают устройства, реализующие принцип голографии. Гояографическая память обладает такими важными характеристиками, как наивысшая плотность записываемой информации, надежность и долговременность хранения информации, нечувствительность к внешним помехам, высокоскоростные и высокопараллельные запись и считывание информации, ассоциативность. В настоящей работе использованы результаты теоретических и экспериментальных исследований в области голографии Д. Габора, Э. Лейта, Ю. Упатниекса, Ю. Н. Денисюка, А. Л. Микаэляна, А. А. Акаева, Г. Колфилда, Д. Псалтиса, Дж. Де Велиса, Р. Кольера, С. Бентона, Л. Кросса, X. Когельника, В. А. Барачевского, Ван Хирдена и других отечественных и зарубежных ученых.
Среди основных типов голограмм, наиболее распространенных в различных оптических системах, выделяются голограммы Фурье. Выбор голограмм Фурье при создании голографических запоминающих устройств (ГЗУ) обусловлен их более высокой информационной емкостью по сравнению с голограммами других типов и наличием меньших аберраций. Это свойство обеспечивает максимальную плотность записи в регистрирующей среде. В то же время используемые в настоящее время системы топографической памяти не вполне соответствуют потенциальным характеристикам, таким как большой объем хранимой информации,
5 надежность и долговременность. Существующие подходы к проектированию ГЗУ ориентированы на проектирование отдельных узлов от прототипа.
Повышение эффективности начальных этапов проектирования сложных технических систем, а именно - сокращение сроков проектирования и повышение качества проектируемых технических систем и технологий (как интегральный показатель значений совокупности характеристик для проектируемого класса систем), может быть достигнуто за счет автоматизации ресурсоемких процедур проектирования, прогнозного моделирования жизненного цикла технических систем и поддержки принятия решений по развитию технических систем. Автоматизация проектирования требует наличия модели процесса проектирования, степень формализации которой определяет возможности автоматизации процессов проектирования. В настоящее время развивается несколько подходов к формализации этапов проектирования, значительный вклад в развитие которых внесли: Г. С. Альтшуллер, Г. Я. Буш, В. Н. Глазунов, А. М. Дво-рянкин, М. Ф. Зарипов, В. А. Ефимов, В. А. Камаев, К. В. Кумунжиев, С. Н. Никитин, А. И. Половинкин, И. Ю. Петрова и другие отечественные и зарубежные ученые. Сведений об имеющихся методах концептуального проектирования ГЗУ в доступных источниках не найдено.
Таким образом, актуальной является задача разработка методики и программных средств проектирования трехмерных голографических запоминающих устройств, позволяющих моделировать технические системы для удовлетворения требованиям к оптической памяти. Актуальность темы работы подтверждена финансированием Министерством образования и науки РФ НИР «Математическое моделирование пропускающих голограмм Фурье и оптимизация параметров модели для решения задачи проектирования эффективных устройств трехмерной голографической памяти» в 2005 г. (программа «Развитие потенциала высшей школы», код проекта 4495), в рамках которой выполнялась данная диссертационная работа.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов проектирования топографических запоминающих устройств (ГЗУ) на основе голограмм Фурье.
Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи.
Анализ подходов и технических решений в области голографических запоминающих устройств.
Разработка методики концептуального проектирования ГЗУ, включающей этапы моделирования физических принципов действия ГЗУ и математического моделирования ГЗУ.
Разработка и реализация исследовательского прототипа системы автоматизации концептуального проектирования ГЗУ.
Апробация разработанных моделей и алгоритмов при решении задач проектирования компонентов ГЗУ.
Методы исследования. При выполнении исследований и решении поставленных задач использовались методы концептуального проектирования технических систем, математического моделирования, системного анализа, теории баз данных.
Научная новизна.
Разработана методика концептуального проектирования голографи-ческих запоминающих устройств, включающая этап синтеза физических принципов действия (ФПД) и этап математического моделирования процессов ГЗУ на основе ФПД и математических моделей физических эффектов (ФЭ).
Модифицирована модель описания ФЭ для задач математического моделирования ФПД и классификации ФЭ.
Разработан алгоритм синтеза ФПД на основе шаблонов, реализующий теоретико-множественный подход в определении совместимости ФЭ и при синтезе структур ФПД.
Разработан алгоритм синтеза математической модели голографиче-ского запоминающего устройства на основе математических моделей ФЭ, структуры ФПД и требований к параметрам процессов ГЗУ.
Положения диссертации, выносимые на защиту.
Систематика предметной области. Для ГЗУ на основе голограмм Фурье: определены признаки и конструктивная функциональная структура, выделены основные процессы и систематизированы математические модели процессов, систематизированы типовые компоненты ГЗУ и допустимые значения их параметров.
Модель описания ФЭ для задач математического моделирования ФПД и классификации ФЭ и объектно-ориентированный фонд физических эффектов «Голография», описывающий основные физические процессы и явления в области голография и включающий 63 описания, выполненных в рамках работы, и 107 ранее созданных описаний.
Методика концептуального проектирования ГЗУ, включающая этап синтеза ФПД и этап математического моделирования процессов ГЗУ на основе ФПД и математических моделей ФЭ.
Алгоритм синтеза ФПД на основе шаблонов, реализующий теоретико-множественный подход в определении совместимости ФЭ и при синтезе структур ФПД.
Алгоритм синтеза математической модели ГЗУ на основе математических моделей ФЭ, структуры ФПД и требований к параметрам процессов ГЗУ.
Исследовательский прототип автоматизированной системы проектирования ГЗУ.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработана автоматизированная система концептуального проектирования ГЗУ. Разработан фонд «Голография», включающий 63 новых ФЭ и 107 ранее внесенных ФЭ для решения информационно-поисковых задач и задач проектирования. Разработанная методика проектирования ГЗУ может быть использована в других предметных областях при соответствующем информационном наполнении. Основные практические и теоретические результаты работы использовались при выполнении научно-исследовательской работы «Математическое моделирование пропускающих голограмм Фурье и оптимизация параметров модели для решения задачи проектирования эффективных устройств трехмерной голографической памяти»
8 (программа «Развитие потенциала высшей школы», код проекта 4495). Результаты работы также могут быть использованы в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета для проведения практических, лабораторных работ по дисциплинам «Концептуальное проектирование систем», «Информационные технологии», «Методы инженерного творчества». Автоматизированная система концептуального проектирования ГЗУ зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Госкоорцеитра Информационных технологий Министерства образования и науки РФ.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Первой Всероссийской конференции «Методы и системы обработки изображений» МСО-2003 (МГУ, Москва, 2003), V Всероссийской научно-технической конференции «Нейроиыформатика-2003» (МИФИ, Москва, 2003), Седьмом научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии», (МГИЭМ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва 2004), XI Всероссийской научно-методической конференции «Телематика'2004», (Санкт-Петербург, 2004), Международной конференции и Российской научной школе «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2004), III Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2005), XXXII Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + SE'05» (Ялта, 2005), Международных научно-технических конференций AIS'05, CAD-2005 (Дивноморское, 2005), X Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2005), XXXIII Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + SE'06» (Ялта, 2006), Международных научно-технических конференций AIS'06, CAD-2006 (Дивноморское, 2006), XI Международной конференции и Российской научной школы «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий» (Сочи, 2006), Международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 печатных работ: 1 монография (в соавторстве), 1 статья в зарубежном журнале, 8 статей в перечне журналов и изданий ВАК (из них 6 - в центральных журналах), 15 публикаций в сборниках трудов, сборниках материалов, сборниках тезисов Всероссийских и Международных научно-технических конференциях и семинарах (2003-2006 гг.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 128 страниц машинописного текста, таблиц - 15 (10 стр.), рисунков -17 (9 стр.), список литературы - 112 наименований (12 стр.), приложения -34 стр. Общий объем работы -193 стр.
В первой главе рассмотрены основные понятия голографии. Отмечены достоинства оптических систем памяти, основанных на принципах голографии. Рассмотрены принципы записи и считывания двумерных и трехмерных голограмм. Приведена систематизация голограмм, составленная с учетом свойств регистрирующих сред, источников света, конфигурации и параметров опорных и объектных волн. Отмечены основные причины выбора голограмм Фурье для ГЗУ. Определена принципиальная конструктивная схема, присущая всем ГЗУ на основе голограмм Фурье. Дан обзор математических моделей в области голографических запоминающих устройств и приведены некоторые последние конструктивные реализации голографических систем памяти.
Во второй главе предложена методика концептуального проектирования ГЗУ на основе голограмм Фурье. С целью расширения возможностей поиска ФЭ и синтеза ФПД применительно к предметной области ГЗУ в работе выполнены изменения в модели описания физических эффектов.
Для задачи синтеза ФПД ГЗУ на основе анализа функций и процессов ГЗУ:
разработан в соответствии с требованиями используемой модели описания ФЭ и приведен в работе объектно-ориентированный фонд физических эффектов «Голография», включающий 63 новых ФЭ и 107 ранее описанных ФЭ;
выполнен конструктивно-функциональный анализ различных ГЗУ на основе голограмм Фурье, построена конструктивная функциональная структура ГЗУ;
- сформирована морфологическая таблица по элементам топографических запоминающих устройств, в которой приведены характеристики источников лазерного излучения и регистрирующих сред.
В работе выделены основные функции ГЗУ. Для каждой функции ГЗУ в виде схем представлены физические эффекты, при помощи которых эти функции могут быть реализованы.
В третьей главе приведено описание автоматизированной системы проектирования устройств трехмерной голографической памяти. Глава содержит изложение особенностей реализации отдельных функций системы: обоснование физического представления данных в БД и описание системы команд SQL для синтеза ФПД; алгоритм импорта описаний ФЭ из других БД ФЭ с учетом возможных различий в распределенно пополняемых тезаурусах описания ФЭ, технические решения по интеграции с MatLab для организации символьных и численных вычислений на основе математических моделей ФЭ и ФПД; технические решения по представлению и визуализации математических выражений в соответствии с общепринятой нотацией, принципы и программная реализация механизма хранения и восстановления сеансов работы с системой; принципы и алгоритмы визуализации структур ФПД с минимизацией пересечения дуг совместимости ФЭ,
В четвертой главе показаны возможности практического применения автоматизированной системы проектирования устройств ГЗУ. Приведены методические указания по работе в системе. Выполнена апробация разработанных моделей и алгоритмов, автоматизированной системы при решении задач проектирования отдельных компонентов ГЗУ.
В приложении приведены компоненты голо графически го запоминающего устройства с описанием конструктивных элементов; приведен перечень физических эффектов объектно-ориентированного фонда «Голография», включающего 170 физических эффектов, 63 из которых являются новыми; приведена классификация математических моделей в области голографических запоминающих устройств.
Организация устройств оптической памяти на основе принципов голографии
Оптическую память можно определить как данные, хранящиеся в оптической среде [14,24,27,32,39,91,94,95] и считываемые лазерным лучом. Оптическая память - это идеальное решение для хранения больших массивов информации. К оптической памяти можно отнести компакт-диски (CD), диски Digital Versatile Discs (DVD), двумерную (2D) и объемную (3D) голографическую память. Голографическая память [32] отличается от других видов оптической памяти тем, что использует для хранения информации объемную записывающую среду, вместо плоской поверхности.
Существенным является выбор формального определения количества информации. Наиболее популярным является определение К.Шеннона, в котором количество информации определяется как разность априорной и апостериорной энтропии [119]. При этом предполагается, что информационные параметры - случайные величины с известными функциями распределения.
Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн. Физическая идея голографии состоит в том, что при наложении двух световых пучков при определенных условиях возникает интерференционная картина: в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света [57,63,87,90,106]. Чтобы образовавшаяся интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения и записи, эти две световые волны должны быть согласовать в пространстве и во времени, то есть когерентны.
Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной, то есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм [57,63,87,90,91,94,106].
Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии, поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 году оптического квантового генератора или лазера - источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и способного излучать строго одну длину волны [57].
В 1947 году Д. Табором [9,63] было введено понятие и разъяснена сущность нового двухступенчатого процесса формирования изображений, в котором предусматривается выполнение промежуточной записи, содержащей информацию, необходимую для получения изображения. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, называется опорным, а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Так как эти пучки получены из одного источника излучения, они являются когерентными. В данном случае интерференционная картина, образующаяся на пластинке, устойчива во времени, то есть образуется изображение стоячей волны [94].
Двухступенчатый процесс образования изображений включает: - фотографирование интерференционной картины, которая возникает, когда в дифракционном поле или поле предмета имеет место интерференция с опорным полем или фоновой волной. Эта ступень называется формированием, или записью; - освещение фотографического транспаранта (пленки) пучком света (когерентным монохроматическим или немонохроматическим) и получение изображения первоначального предмета. Эта ступень называется вое стан овл єни ем.
Запись интерференционной картины, полученная после первой ступени процесса, называется голограммой - от греческого слова holos, что означает целое, потому что фотографическая запись содержит информацию относительно амплитуды и фазы волны, отраженной от предмета. Запись не имеет сходства с предметом и при визуальном наблюдении является комбинацией полос и дифракционных картин [9,63]. Существуют два типа восстановленных изображений: действительное и мнимое. Действительное изображение появляется на стороне голограммы, противоположной источнику. Для записи этого изображения не используются вспомогательные фокусирующие устройства. Под мнимым понимается изображение, которое появляется на той стороне голограммы, где размещается источник излучения. Для его обнаружения необходимо применение дополнительных фокусирующих устройств. Весь процесс носит название голографического или, процесса восстановления волнового фронта, а раздел физики, занимающийся изучением самих процессов и связанных с этими процессами явлений, - голографией [63]. В задачу голографии входит регистрация не только распределения энергетической освещенности изображения, но и полного волнового поля в плоскости записи, которая в общем случае не является плоскостью изображения. Запись полного волнового поля означает регистрацию, как фазы, так и амплитуды. Информацию об объекте несет не только амплитудная, но и фазовая структура поля, и, чтобы целиком записать волновое поле, необходимо зарегистрировать обе структуры.
Создание объектно-ориентированного фонда физических эффектов «Голография» иа основе анализа функций и процессов ГЗУ
Устройства голографическои памяти подразумевают два основных процесса - запись и считывание информации. Возможны и другие процессы, такие как стирание и перезапись информации, изменение свойств голографическои среды с течением времени или под внешними воздействиями, но в данной работе они не рассматриваются. В работе исследуется архивная память, то есть запись происходит один раз, а считывание - многократно.
Для определения принципа действия генератора и детектора информационной волны, а также для принципа регистрации интерференционной картины в среде может быть синтезирована последовательность физических эффектов (физический принцип действия), реализующая соответствующий физический процесс.
На рис. 4 представлен процесс записи информации. Для осуществления записи информации формируются опорный и объектный пучки, которые затем создают устойчивую во времени интерференционную картину, регистрируемую в голографической среде. Выделены основные физические эффекты, определяющие тип и характеристики устройства с точки зрения записи. Это - интерференция световых пучков, являющаяся характерным эффектом голографии, а также процессы порождения информационного пучка и регистрации его в голо-графической среде. Физические принципы действия этих процессов мы можем варьировать.
Ввиду большого распространения, которое приобрела голограмма Фурье, как в различных разделах голографии, так и системах оптической обработки информации при когерентном освещении, кратко рассмотрим некоторые схемы получения голограммы Фурье [106]. В первом случае опорный источник помещается в плоскости предмета, а голограмма регистрируется в области дифракции далекого поля. В лучах видимого света условия дифракции далекого поля осуществляются путем использования освещения, лучи которого сходятся в точку, расположенную в плоскости голограммы, то есть сходящегося освещения.
Во втором случае голограмму Фурье получают с помощью параллельного освещения. Для осуществления преобразования Фурье используется собирающая линза, фокусное расстояние которой равно половине расстояния между предметом и голограммой. Каждая точка предмета образует плоскую волну, которая при интерференции с плоской опорной волной образует свою интерференционную картину.
Прохождение света через вещество ведет к возникновению колебаний электронов среды под действием электромагнитного поля волны и сопровождается потерей энергии последней, затрачиваемой на возбуждение колебаний электронов. Интенсивность плоской волны уменьшается, наблюдается процесс поглощения света. Вторичные волны, вызываемые вынужденным колебанием электронов, рассеивают в стороны часть энергии, приносимой световой волной. Распространение света в веществе сопровождается рассеянием света. Если среда однородна, а вторичные волны когерентны, то рассеяние не наступает, идеально однородных сред не существует, в реальных средах оптические неоднородности различного происхождения всегда имеют место, и это означает, что рассеяние присутствует.
Процессы обработки голографических регистрирующих сред аналогичны процессам обработки фотографических пластин, однако материалы для записи голограмм могут быть самыми различными, включая электрооптические кристаллы и термопластические пленки. Закрепление информации на топографической пластине включает в себя две функции: обработку среды и стабилизацию ее, чтобы зарегистрированная информация не подверглась изменению и разрушению. Процессы проявления и фиксажа сходны с аналогичными процессами в обычной фотографии.
Для получения изображения более высокого качества применяют процесс отбеливания, являющийся характерным процессом для голографирования. В результате отбеливания получаются прозрачные фазовые голограммы, пропус-каемость которых варьируется как за счет толщины, так и за счет показателя преломления отбеленного слоя. Отбеленные голограммы обладают высокой дифракционной эффективностью и яркостью восстановленного изображения. Отрицательной стороной отбеливания является уменьшение отношения сигнал/шум. Необходимо отметить, что высокая дифракционная эффективность голограмм является важной для многих применений голографии, поэтому процессу отбеливания уделяется большое внимание [94,102]. Удаление воды в процессе сушки голограмм, записанных на галогенидных материалах и желатине, приводит к восьмикратной механической усадке. При этом образуются участки на голограмме, в которых угол Брэгга, соответствующий максимальной дифракционной эффективности, отличается от такого значения для остальной части голограммы. Интерференционные полосы записываются в искаженном виде по толщине эмульсии. Эта проблема является важным препятствием для сохранения правильной информации на голограмме.
Формирование требований к системе
Назначение разрабатываемой автоматизированной системы концептуального проектирования ГЗУ системы - автоматизация начальных этапов проектирования голографических запоминающих устройств (ГЗУ) на основе голограмм Фурье.
Целью создания автоматизированной системы концептуального проектирования ГЗУ является повышение эффективности процессов проектирования ГЗУ на основе голограмм Фурье.
По результатам анализа типовых задач проектирования ГЗУ, задач формального представления предметной области для задач проектирования ГЗУ, совокупности смежных задач и предложенной методикой концептуального проектирования ГЗУ определена функциональная структура автоматизированной системы.
Концептуальное проектирование ГЗУ 1.1.Формирование задания на синтез 1.2,Формирование шаблонов ФПД 1.3.Синтез принципиальных схем ФПД (автоматически) 1.4.Визуальный отбор конкретизированных ФПД 1.4.1. Визуализация структур ФПД 1.4.2. Редактирование структур ФПД ] .5.Математическое моделирование ФПД 1.5.1. Выбор управляющих и расчетных величин 1.5.2. Выбор значений (диапазонов значений) управляющих величин Просмотр результатов математического моделирования 1.6.Визуальное слияние частных ФПД в составе ФПД ГЗУ 1.7.Управление сеансами работы 2. Формирование фонда ФЭ 2.1. Правка фонда ФЭ 2.1.1. Правка тезаурусов описания ФЭ (добавление, удаление, модификация вершин) 2.1.2. Правка описаний ФЭ 2.1.2.1. Добавление, удаление ФЭ 2.1.2.2. Правка полнотекстовых компонент описания ФЭ 2.1.2.3. Правка индексов ФЭ 2.1.3. Правка математических моделей ФЭ 2.2. Импорт фонда ФЭ 2.2.1. Выбор БД - источника описания ФЭ или пакета импорта ФЭ 2.2.2. Выбор импортируемых ФЭ 2.2.3. Импорт тезаурусов описания ФЭ и описаний ФЭ (автоматически) 2.3. Экспорт фонда ФЭ 2.3.1. Выбор экспортируемых ФЭ 2.3.2. Формирование пакета импорта ФЭ (автоматически) 2.4. Служебное индексирование ФЭ (автоматически) 3. Формирование описания предметной области проектирования 3.1. Формирование КФС класса устройств 3.1.1. Визуализация КФС 3.1.2. Правка КФС 3.2.Формирование морфологических таблиц класса устройств 3.3.Формирование шаблонов ФПД класса устройств 3.3.1. Выбор элементаКФС ГЗУ 3.3.2. Редактирование структур ФПД 4. Формирование отчетов по режимам работы
В соответствии с целью создания и рассмотренными во второй главе алгоритмами были сформированы следующие дополнительные требования к автоматизированной системе; а) реализация в архитектуре клиент-сервер с оптимизацией сетевого тра фика; б) распределенное формирование фонда ФЭ с возможностью экспорта и импорта описаний ФЭ и тезаурусов описания ФЭ; в) в озм о леность программной адаптации к различным предметным об ластям за счет модернизации фонда ФЭ и фонда моделей предметной области (описаний классов технических систем) в виде морфологических таблиц и конструктивно-функциональных схем технических систем; г) возможность сохранения и восстановления промежуточных результа тов сеансов работы в системе; д) визуализация структур ФПД с обеспечением наглядности представле ния и максимальной простотой получаемых визуальных представлений е) обеспечение отображения математических выражений в соответствии с общепринятой нотацией и ввода математических выражений на языке, мак симально приближенному к стандартным.
В соответствии с требованиями к системе и предложенной методикой концептуального проектирования ГЗУ разработана архитектура автоматизированной системы (рис. Па).
Система включает следующие основные модули, обеспечивающие автоматизацию основных этапов методики проектирования ГЗУ: а) модуль правки ФЭ, реализующий добавление, модификацию, удаление поискового образа ФЭ (включая формальное описание математической модели) и развернутого описания ФЭ; б) модуль управления сеансами работы, управляющий процессом поэтапного решения задачи проектирования ГЗУ и сохраняющий результаты работы между сеансами синтеза; в) модуль формирования шаблонов ФПД; г) модуль импорта и экспорта данных для переноса данных (описаний ФЭ, тезаурусов описания ФЭ, шаблонов ФПД, сеансов синтеза ФПД) между экземплярами системы.
Методика проектирования ГЗУ с использованием автоматизированной системы концептуального проектирования ГЗУ
1. Определяем КФС проектируемого компонента ГЗУ в режиме выбора/редактирования КФС.
Выбором пункта меню Определение КФС активизируем соответствующий режим. В списке доступных КФС выберем «Общая КФС ГЗУ». Соответствующая схема отобразится на экране в режиме выбора (рис. 17а).
Выбираем щелчком мыши конструктивный элемент КЭ6 (голографиче-ская среда) и функцию F5 (излучение информационного пучка). В нашем случае для записи используется пучок с выполненным линзой Фурье-преобразованием изображения транспаранта.
С помощью панели навигации можно увеличить/уменьшить масштаб изображения, позиционировать нужный фрагмент КФС.
2. Для стирания, возможно, должно быть использовано дополнительное устройство. Так как пока мы не можем предположить принцип действия данного механизма и не налагаем дополнительных требований на физические процессы, опускаем этап «Определение ФПС» проектируемого компонента.
3. Выделение морфологических признаков ГЗУ с целью уточнения тре бований к физическим процессам разрабатываемого ФПД. В нашем случае для ОФПСі (генератор пучка) должны быть определены следующие требования к вариантам его реализации в составе всего ТЗУ: Генерирующее вещество: Полупроводниковый лазер, лазеры на газовых смесях и ионные лазеры
Длительность свечения: Импульсного действия Диапазон волн излучения: Инфракрасный, ультрафиолетовый При активации пункта меню Определение морфологических признаков ГЗУ (см. табл. 7) становится доступной соответствующая экранная форма (рис. 176). При выборе ОФПС и Классификационного признака становится доступным для выбора множество альтернатив. Возможен выбор одной или нескольких альтернатив, которые в дальнейшем будут рассматриваться как равноправные допустимые варианты. При этом, автоматически учитывается совместимость вариантов. Так, в нашем случае полупроводниковый лазер может быть только импульсного действия, ультрафиолетовый - только на газовых смесях. Соответствующие комбинаторные варианты будут сформированы автоматически.
4. Выделение множества физических величин и требований к диапазонам их значений, в том числе - за счет выбора конкретных конструктивных реализаций некоторых компонентов ГЗУ.
На данном шаге есть возможность указать, какие величины будут включены в рассмотрение на этапе математического моделирования, а также задать допустимые значения величин.
В нашем случае мы имеем возможность управлять следующими параметрами ГЗУ: Е - число наложенных голограмм; dl - толщина голографической среды; Я - длина волны; Аас- угол между крайними сигнальными лучами (сферическая волна от точечного объекта и опорная волна); S - площадь голографической пластины. Нас интересует оценка следующей характеристики: 130 N - информационная емкость голограмм.
Для ввода этих данных в систему необходимо активировать пункт меню Определение параметров и характеристик ГЗУ (рис. 17в).
В списке величин следует найти необходимые величины и задать значения известных величин. На этапе математического моделирования можно будет изменить значения и задать значения неопределенных ранее параметров.
5. Уточнение начального и конечного состояния подсистемы ГЗУ, перечня обязательных к применению и запрещенных к применению ФЭ, обязательных к применению и запрещенных к применению состояний подсистемы ГЗУ для учета специфики решаемой задачи.
В соответствии с введенными КФС, ПФС, указанными морфологическими признаками автоматизированная система автоматически сформирует задание на проектирование указанных компонентов ГЗУ. С целью более точного определения задания на синтез можно воспользоваться формой Уточнение задания на проектирование (рис. 17г).
В данной форме для каждого из компонентов задания на проектирование компоненты ГЗУ можно указать одно или несколько ограничений. В зависимости от типа ограничения в правой части экранной формы будут отображаться необходимые для ввода элементы управления.
В нашем случае:
Запрещенное состояние: деформация голографического носителя. Начальное состояние системы: Генерация световых пучков Доставка к среде записи светового пучка Расширение предметного луча для осве щения формирователя страниц (матрицы световых затворов) - Объект [Формирователь страниц (транспарант)]
Конечное состояние системы: Изменение показателя преломления (регистрация интерференционной картины).
Обязательный ФЭ- 1534 Фотовольтаический эффект (эффект фотоЭДС) Вход: ЭЛМ излучение (фотоны) Выход: Перенос электронов (диффузия и дрейф) Объект: Фоторефрактивные кристаллы (сегнетоэлектрики, пироэлектрики)
